高地應力隧道開挖過程中圍巖穩定性分析

焦國良 王 衛

1 工程概況

方斗山隧道位于四川盆地東緣,由西向東穿越方斗山山脈中段,山脈走向呈北東～南西,其走向與構造線走向基本一致,隧道最大埋深836 m。據區域地質數據,本區地應力較高,隧區構造線呈NE向展布,推斷最大水平主應力呈NW向,與擬建隧道軸線小角度斜交,對隧道的建設有利。隧道中段埋深大,地應力相對較高,巖性主要為灰巖。

2 FLAC3D簡介

FLAC[1](Fast Lagrangian Analysis of Continua,連續介質快速拉格朗日分析)是由Cundall和美國ITASCA公司開發出的有限差分數值計算程序,主要適用于地質和巖土工程的力學分析。

FLAC程序建立在拉格朗日算法基礎上,特別適合模擬大變形和扭曲。FLAC采用顯式算法來獲得模型全部運動方程(包括內變量)的時間步長解,從而可以追蹤材料的漸進破壞和垮落,這對研究工程地質問題非常重要。

3 建立數值模型

3.1 計算范圍與數值模型

為模擬高地應力隧道,地應力對圍巖穩定性影響,本文選取DK160+800～DK161+000間隧道進行受力分析,本區域段圍巖級別為Ⅲ級圍巖,施工方法采用上下臺階法[2]開挖。根據隧道圍巖完整性狀態,參考剛性、柔性支護結構理論,確定初步支護結構形式為:初襯23cm厚 C25混凝土,錨桿長度為3.5 m,間距1.5 m×1.5 m。二襯55cm厚C35混凝土。

計算坐標:X軸與隧道水平軸平行,Y軸與大地坐標重合,Z軸與隧道縱軸線重合,坐標原點為隧道底板與洞室縱軸線交點。計算范圍:左右邊界距隧道中心50 m,底部邊界距隧道地板距離30 m。取頂部邊界距離坐標原點60 m。沿隧道縱軸Z向取值為45 m。

數值計算采用巖土工程數值計算軟件FLAC3D。圍巖及襯砌均采用FLAC3D的實體單元進行模擬,錨桿采用FLAC3D中的Cable結構單元。單元總數48980,節點總數52608。

開挖方法采用上下臺階法開挖,初期支護延遲一步,二襯延后初期支護一步,兩者隨開挖同步跟進。本文根據現場的實際施工組織過程,工作面開挖進尺取3 m。襯砌支護完成共計18個施工步。

3.2 初始應力及邊界條件

考慮隧道與地應力測量主應力平面方位與傾角的關系,根據新的地應力測試成果地應力反演理論進行三維初始應力場反演回歸分析[3],并根據地應力反演大區域下的地應力值進行插值計算得到了隧道所處區域的地應力值,其應力值如表1所示。

表1 區域地應力計算值 MPa

3.3 巖體本構模型及材料參數

巖石力學室內試驗結果和現場調研都表明研究隧道地段灰巖夾頁巖性質十分明顯,按圍巖級別分類處于Ⅲ級圍巖。計算采用摩爾—庫侖準則[5],根據現場調查以及巖石力學測試結果,得出了研究隧道段計算區域圍巖與支護巖力學指標如表2所示。

表2 圍巖與支護結構材料物理力學性能參數

4 計算結果分析

隧道開挖后,圍巖位移總體趨勢表現為向臨空面方向移動,考慮到邊界條件的影響,選擇模型Z=-22.5 m的中間斷面作為位移分析的典型斷面,隧道開挖過程中圍巖水平位移 UX,豎向位移UY及軸向位移UZ位移云圖如圖1所示。

分析圖1可以看出,開挖完成后,隧道周邊位移矢量都趨向洞內。受地應力影響,位移不再保持對稱,水平位移與豎向位移均與洞室水平方向與垂直方向存在一定的夾角。

隧道沿水平與豎向位移均較大,開挖完后,左邊墻最大水平位移為46mm,右邊墻最大水平位移為49mm,拱頂最大豎向位移為56mm,拱底最大豎向位移為66.7mm,沿隧道Z向,左邊墻最大值為68.5mm,右邊墻最大值為17mm,由此可以看出明顯的存在不對稱性,隧道沿Z向位移較大不可忽略。

5 結語

本文對深埋隧道進行了數值計算,分析了高地應力下深埋隧道圍巖位移,主要取得了以下結論:

1)深埋隧道開挖圍巖位移受地應力場影響較大,開挖后圍巖均朝洞內發生移動,并且掌子面前方圍巖產生較大軸向位移朝掌子面前方移動。2)受地應力影響位移不再保持對稱,右邊墻位移要大于左邊墻位移。3)綜合分析隧道圍巖水平、豎直、軸線方向位移的分布規律可知,高地應力下隧道位移分布與地應力方向存在密切關系,這也是深埋隧道選址軸線與最大主應力方向平行的主要原因。

[1] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005:9.

[2] 關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京:人民交通出版社,2003:60.

[3] 熊照輝.區域初始地應力場的回歸計算方法[J].水利學報,1985(10):18-28.

[4] 靳春國,彭小金,洪 明.淺議土石壩壩坡穩定性分析[J].山西建筑,2009,35(21):359-360.

[5] 張倬元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].第 2版.北京:地質出版社,1994.