溶洞位置對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的有限元分析

王偉勝 堯 紅 石永利

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)的進(jìn)程加速以及交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，在西部山區(qū)修建鐵路公路隧道工程已經(jīng)越來越多，這就不可避免的會(huì)遇到許多不同程度的地質(zhì)問題，尤其是西南的喀斯特地貌的巖溶問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到隧道的施工和安全運(yùn)營[1]。巖溶通常是指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石，受含有二氧化碳的流動(dòng)水溶蝕，攜出轉(zhuǎn)移有時(shí)并加以沉積等綜合地質(zhì)作用而形成的地質(zhì)現(xiàn)象的總稱。

為了準(zhǔn)確評價(jià)平行于隧道走向的溶洞分布對圍巖穩(wěn)定性的影響，筆者通過建立二維有限元模型對可能出現(xiàn)的具有不同位置溶洞的隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)對應(yīng)力分布及穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

1 工程概況

六珠嶺隧道地貌單元屬低山丘陵區(qū)，山頂海拔最高達(dá)208.5 m，山谷最低達(dá) 51.9 m，山坡自然坡度 20°～50°，局部較為陡峭，山坡植被發(fā)育、多為雜草。隧道除進(jìn)口段255.97 m位于半徑為3500 m的曲線上，其余位于直線段上，全隧均位于坡度0.53%的下坡段上。隧道全長1236 m，隧道進(jìn)、出口里程分別為:DK78+883，DK80+119，隧道分解里程分別為 DK78+873，DK80+129。隧道按旅客列車設(shè)計(jì)行車速度160 km/h，客貨共線單線隧道設(shè)計(jì)。

2 模型模擬方案及計(jì)算參數(shù)

本文計(jì)算采用廣義Mises準(zhǔn)則即Drucker-Prager準(zhǔn)則，利用ANSYS10.0軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

2.1 屈服準(zhǔn)則

Drucker-Prager準(zhǔn)則是以一個(gè)內(nèi)切與莫爾庫侖準(zhǔn)則的六棱錐面之圓錐面作為屈服面，彌補(bǔ)拐點(diǎn)給數(shù)學(xué)處理帶來的困難，能更好的反映巖土材料的屈服和破壞特性[2]:

實(shí)際工程的數(shù)值分析中，采用D-P屈服與破壞準(zhǔn)則，可以根據(jù)工程的具體情況采用不同擬合條件下的α和k值。當(dāng)α=0時(shí)，D-P準(zhǔn)則就還原為Mises準(zhǔn)則。

2.2 模型介紹

為了確保計(jì)算精度減少邊界效應(yīng)的影響和更加的符合實(shí)際情況，根據(jù)以往的工程類比選取計(jì)算范圍，經(jīng)驗(yàn)公式表明，影響圍巖的變形范圍為洞室寬度的3倍～5倍[3]。這里，水平寬度和垂直高度均取隧道跨度的5倍，即長寬均為40 m的正方形區(qū)域。上邊界自由約束，下邊界垂直約束，兩邊采取水平約束。采用四邊形8節(jié)點(diǎn)的Plane42號等參單元，建立有限元模型。

為簡化模型，隧道圍巖簡化為一種巖體，研究溶洞距隧道距離固定的情況下，固定直徑不同位置的溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[3]中提到溶洞距離越近，直徑越大時(shí)，溶洞對圍巖穩(wěn)定性影響最大。

本模型取溶洞直徑為5 m，距隧道邊緣2 m。

模型說明:隧道截面為城門型拱洞，水平跨度7.5 m，側(cè)邊高7.5 m，頂部半圓半徑為3.75 m，圍巖Ⅲ類巖石，溶洞分別位于隧道的頂部、底部，正側(cè)，以及左上右下45°處。

根據(jù)以上所述建立的典型分析模型如圖1所示(僅列出側(cè)上方45°時(shí)的情況)。

2.3 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值分析采用的力學(xué)參數(shù)根據(jù)六珠嶺隧道地質(zhì)勘察報(bào)告提出的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[4]對參數(shù)進(jìn)行修正，最終確定有限元計(jì)算的力學(xué)參數(shù)。

具體計(jì)算參數(shù)見表1。

圖1 有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.4 模擬過程

由于在研究區(qū)域內(nèi)，巖體整體性良好，節(jié)理不發(fā)育且為Ⅲ類巖石，考慮采用全斷面一次性開挖，首先確定計(jì)算需要的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)(見表1)，其次確定施工階段內(nèi)圍巖的有限元網(wǎng)格，再次在隧道截面范圍內(nèi)設(shè)置參考點(diǎn)(見圖1)，然后根據(jù)實(shí)際工程情況通過施加圍巖壓力，最后通過后處理得出各種情況下的應(yīng)力云圖，綜合分析得出對工程有參考意義的結(jié)論。

3 應(yīng)力計(jì)算及結(jié)果分析

通過ANSYS10.0軟件的模擬計(jì)算，最終得到隧道圍巖在不同位置溶洞影響下的水平及垂直應(yīng)力云圖。對計(jì)算結(jié)果分析比較后得出:

1)溶洞位于隧道頂部時(shí)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力均對稱分布無偏壓，但有應(yīng)力集中現(xiàn)象。隧道墻腳處應(yīng)力較大，應(yīng)力集中系數(shù)為2倍～3倍;溶洞底部應(yīng)力集中系數(shù)為7倍～8倍并且在與拱頂之間會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，平面擴(kuò)展范圍為－35°～35°。

2)溶洞位于隧道底部時(shí)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力也對稱分布，水平方向溶洞頂部與底部及隧道墻腳均出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，溶洞頂與墻腳應(yīng)力集中系數(shù)為8倍～9倍，拉應(yīng)力平面擴(kuò)展范圍為－45°～45°;溶洞底應(yīng)力集中系數(shù)為4倍～5倍，拉應(yīng)力平面擴(kuò)展范圍為－40°～40°。垂直方向在墻腳及溶洞兩側(cè)均有應(yīng)力集中現(xiàn)象但影響較小。

3)溶洞位于隧道正側(cè)方向時(shí)，水平應(yīng)力在溶洞上下有較大壓應(yīng)力但較之垂直應(yīng)力影響要小。垂直應(yīng)力拱腳墻腳及溶洞兩側(cè)均出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，其中溶洞兩側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，應(yīng)力集中系數(shù)為10倍～15倍，拉應(yīng)力平面擴(kuò)展范圍為－50°～60°。但沒有擴(kuò)展到墻腰，說明在此模型基礎(chǔ)上側(cè)向間距2 m溶洞對隧道應(yīng)力的影響已經(jīng)明顯減弱。

4)溶洞位于隧道側(cè)上方45°時(shí)，應(yīng)力開始不均勻分布，拱頂開始出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，溶洞與隧道拱腳之間的拉應(yīng)力明顯增大，隧道與溶洞相鄰的薄弱部分加劇了應(yīng)力集中。左側(cè)墻腳應(yīng)力集中區(qū)域增大，應(yīng)力集中系數(shù)為2倍～4倍，拉應(yīng)力平面擴(kuò)展范圍為－55°～65°。

5)溶洞位于隧道側(cè)下方45°時(shí)，水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力不均勻分布，有偏壓現(xiàn)象。此時(shí)拱腳處水平應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，與墻腰不同，拉應(yīng)力向右側(cè)延伸。墻腳與溶洞連接部位拉應(yīng)力較大。垂直應(yīng)力主要表現(xiàn)為溶洞兩側(cè)應(yīng)力集中嚴(yán)重，應(yīng)力集中系數(shù)為4倍～5倍，拉應(yīng)力平面擴(kuò)展范圍為－35°～45°。此時(shí)連接部位極容易被拉壞，應(yīng)加強(qiáng)拱腳處支護(hù)。必要時(shí)可以采取穿孔注漿對溶洞進(jìn)行填充加固。

4 結(jié)語

在隧道開挖過程中，為了預(yù)測巖溶分布對圍巖穩(wěn)定性的影響，本文嘗試了簡化溶洞截面，考慮各種溶洞位置的可能性，建立二維有限元模型對隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，經(jīng)過分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)在溶洞大小及與隧道距離固定的情況下，溶洞所處位置的不同對隧道的應(yīng)力產(chǎn)生不同程度的影響。溶洞的存在將使隧道的水平位移超前釋放，并在局部位置產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，對隧道的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

2)當(dāng)隧道與溶洞中心連線與最大主應(yīng)力方向正交的時(shí)候，圍巖中應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。反之，應(yīng)力集中程度降低。因此在相同條件下，側(cè)溶洞周邊的應(yīng)力集中程度最高，底部溶洞次之，頂部溶洞最小。

3)由于重力場作用，高度越大圍巖應(yīng)力越大，圍巖愈易破壞。因此在相同距離的前提下位于隧道頂部的溶洞比底部溶洞對圍巖應(yīng)力影響小。溶洞距離隧道較近且應(yīng)力集中程度較強(qiáng)時(shí)，為防止發(fā)生貫穿破壞，應(yīng)提前采取加固措施，采用局部注漿或加長錨桿加強(qiáng)襯砌。

[1]蔣樹屏.我國公路隧道工程技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].交通世界，2003(S1):21-26.

[2]張學(xué)言，閆澍旺.巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2004.

[3]樸春德，楊子榮，韓寶杰.有限元法在圍巖穩(wěn)定性分析中應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22(S1):23-24.

[4]TB 10003-2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]蘇 中.宜萬鐵路魯竹壩2號隧道巖溶水文地質(zhì)分析[J].山西建筑，2010，36(18):297-298.