軟巖隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分析

張海彬

(中鐵五局集團(tuán) 第四工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512031)

近年來(lái)隨著我國(guó)公路和鐵路的迅速發(fā)展，各種大跨徑隧道越來(lái)越多，在軟弱圍巖體區(qū)修建隧道也屢見(jiàn)不鮮，種種惡性環(huán)境下的隧道施工給研究人員和技術(shù)人員提出了更高的要求。近年在軟弱圍巖隧道的施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不斷出現(xiàn)各種圍巖失穩(wěn)問(wèn)題，對(duì)各種隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變的分析是十分必要的。

20世紀(jì)初，人們普遍運(yùn)用的是經(jīng)典壓力理論來(lái)分析隧道圍巖的穩(wěn)定性，認(rèn)為洞室上覆蓋的壓力全部作用在地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)上。之后又出現(xiàn)了太沙基和普氏的松散理論，認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是塌落松動(dòng)圈范圍內(nèi)的圍巖總量，從而否定了之前認(rèn)為洞室上覆蓋的壓力全部作用在地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)上的觀點(diǎn)。后來(lái)，人們還應(yīng)用過(guò)彈塑性理論和相關(guān)知識(shí)不斷地對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。如今，還在各種理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合各種軟件對(duì)隧道圍巖進(jìn)行模擬和分析，為實(shí)際施工提供指導(dǎo)和依據(jù)［1］。來(lái)弘鵬［2］依據(jù)松散軟弱圍巖底層中側(cè)壓力系數(shù)范圍，選取代表值，建立有效的有限元模型。采用不同加載方式，模擬不同應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算了隧道圍巖沿洞徑方向5條代表性路徑的應(yīng)力和位移，得出了隧道施工過(guò)程中圍巖塑性區(qū)的大小和位置會(huì)隨著側(cè)壓力系數(shù)的改變而改變，并得出不同側(cè)壓力系數(shù)下，隧道圍巖塑性區(qū)的具體位置和大小。但其選取的代表值太分散，是否真的具有代表性還需進(jìn)一步探討。張東等［3］采用大型非線性有限元分析軟件ADINA對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖的開(kāi)挖施工方法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析開(kāi)挖方法對(duì)隧道變形的影響，得到在不同地質(zhì)狀況中隧道變形情況。林才奎［4］采用ADINA大變形非線性有限元軟件，用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則和大位移分析模式，深入探討了隧道施工中的5個(gè)典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)不同位置處的應(yīng)力及位移特征。

本文將對(duì)圍巖洞徑方向5條代表性路徑的應(yīng)力和位移進(jìn)行深入研究，并重點(diǎn)關(guān)注其中3個(gè)斷面的情況。

1 工程概況

1.1 隧道地質(zhì)概況

新建貴陽(yáng)至廣州鐵路貴陽(yáng)至賀州段GGTJ-3標(biāo)段怎冷隧道、千丘榜隧道，位于黔東南州的榕江縣三江鄉(xiāng)，怎冷隧道起訖里程為 D3K188+340—D3K189+660，長(zhǎng)1 320 m。千丘榜隧道起訖里程為 D3K189+749—D3K191+530，長(zhǎng)1 781 m。隧道所經(jīng)區(qū)域?qū)儆诟咴逼虑治g構(gòu)造中低山區(qū)，為云貴高原東側(cè)的梯級(jí)大斜坡地帶，90%以上面積屬于山岳地形，由西北向東南逐漸降低，山巒疊障、溝谷縱橫。山嶺及河谷延伸方向基本與構(gòu)造線一致。所經(jīng)區(qū)域?yàn)榍罢鸬┫蛋逑簻\變質(zhì)巖，包括板巖、千枚巖、片巖、變質(zhì)砂巖等，各種巖性相間分布，出露于地表的巖石多強(qiáng)風(fēng)化。沿線不良地質(zhì)主要有危巖落石、滑坡、順層、膨脹土等。工程地質(zhì)復(fù)雜，不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)多，褶皺與斷層均比較發(fā)育，巖體受構(gòu)造影響極嚴(yán)重，巖體破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，隧道圍巖自穩(wěn)性差。

1.2 總體施工方案

隧道施工采用光面爆破技術(shù)，多功能作業(yè)臺(tái)架配YT28鉆人工鉆眼，噴錨支護(hù)。Ⅲ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖，Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法或大拱腳臺(tái)階法開(kāi)挖，Ⅴ級(jí)圍巖采用大拱腳臺(tái)階法、CD法、CRD法、弧形導(dǎo)坑法開(kāi)挖。采用無(wú)軌運(yùn)輸方式，軟弱圍巖地段仰拱超前，襯砌采用大型模板襯砌臺(tái)車，長(zhǎng)10.5 m;混凝土采用電子計(jì)量拌合站攪拌，罐車運(yùn)輸，泵送入模。兩隧道均采用雙口掘進(jìn)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)納入施工工序。

施工時(shí)為避免隧道拱部垂直壓力過(guò)大，造成隧道拱部下沉過(guò)多，施工按“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、速反饋、緊襯砌”的施工原則施工。盡量采用以控制隧道拱部下沉變形為主的“短臺(tái)階法預(yù)留核心土法”人工開(kāi)挖施工，需要爆破開(kāi)挖施工的采用三臺(tái)階法減振控制爆破。加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)，最大限度地減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減少地面沉降、圍巖變形和保護(hù)圍巖的天然承載力。并采取襯砌緊跟的施工措施。在施工中地表和洞內(nèi)每隔10 m布設(shè)一觀測(cè)斷面，加強(qiáng)量測(cè)工作。

1.3 施工步驟

計(jì)算分析采用上下臺(tái)階法，開(kāi)挖后假定洞周圍巖釋放60%應(yīng)力，初襯后，再釋放40%應(yīng)力。具體施工步驟為:上臺(tái)階開(kāi)挖→上臺(tái)階支護(hù)→下臺(tái)階開(kāi)挖→下臺(tái)階支護(hù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 材料計(jì)算

本文有限元數(shù)值分析中，不考慮地下水的影響，隧道圍巖材料特性假設(shè)為各向同性均質(zhì)彈性體，材料力學(xué)特性假定遵循Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，當(dāng)材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由塑性理論中的增量法求解。巖體材料物理力學(xué)參數(shù)按公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中Ⅴ級(jí)圍巖的參數(shù)選取。襯砌材料因其力學(xué)特性遠(yuǎn)較Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖好，計(jì)算中視為彈性體。

通過(guò)多次試驗(yàn)，確定現(xiàn)場(chǎng)采集的圍巖的基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 側(cè)壓力系數(shù)K的確定

在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，工程上通常用以下方法取 K 的值:①標(biāo)準(zhǔn)值法［5］，K=0.015H+0.25，埋深H≤50 m;K=1.0，埋深 H ＞50 m。②運(yùn)用 Jaky公式［6］K=1－sinφ，其中 φ為內(nèi)摩擦角。需要指出的是，這里的側(cè)壓力系數(shù)僅是為計(jì)算不同初始應(yīng)力場(chǎng)而引入的參數(shù)，它并非各點(diǎn)真實(shí)的側(cè)向壓力系數(shù)。采用這一計(jì)算參數(shù)能大致反映出初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)效應(yīng)。實(shí)際上隧道圍巖側(cè)壓力系數(shù)(各點(diǎn)水平壓力與垂直壓力之比)是逐點(diǎn)而異的，本文中K值是根據(jù)以往軟弱地層中K值大約在0.5到1.5之間的經(jīng)驗(yàn)確定的。在有限元模型中，Y方向加載 Py=110 MPa，Px的值根據(jù) K與 Py的乘積而定，本文模擬計(jì)算取 K值為0.8。

2.2.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型中，采用4節(jié)點(diǎn)等參平面實(shí)體單元(PLANE42)模擬圍巖。采用2節(jié)點(diǎn)等參平面梁?jiǎn)卧?BEAM3)模擬初次襯砌，用4節(jié)點(diǎn)等參平面實(shí)體單元(PLANE42)模擬二次襯砌。本次模擬計(jì)算未考慮鋼拱架的作用，錨桿的作用參照常用的方法處理，即視錨桿對(duì)圍巖的加固作用與施工擾動(dòng)對(duì)圍巖的破壞相抵。(具體計(jì)算模型如圖1所示)

圖1 隧道有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖的應(yīng)力和變形分析

本文選擇模型中隧道圍巖沿洞徑方向5條代表性路徑的應(yīng)力和位移的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，沿洞徑方向的代表性斷面見(jiàn)圖2所示。

圖2 沿洞徑方向代表性分析路徑

3.2 隧道圍巖的應(yīng)力分析

在隧道開(kāi)挖以前，地下巖體處于初始地應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)中，但是隨著隧道的開(kāi)挖，圍巖內(nèi)原始平衡系統(tǒng)就被破壞，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重新分布。圍巖各代表性路徑上切向應(yīng)力σθ明顯增加，而且越靠近開(kāi)挖面切向應(yīng)力σθ增加幅度越大;徑向應(yīng)力σr則明顯減小，而且越靠近開(kāi)挖面減小幅度越大。這樣應(yīng)力重新分布后，使得圍巖在接近開(kāi)挖面處的應(yīng)力差(σθ－σr)大幅增大，于是圍巖在開(kāi)挖面處由雙軸受力轉(zhuǎn)變?yōu)榻朴趩屋S受力的情況。眾所周知，巖體單軸受壓強(qiáng)度是低于雙軸受壓的，于是就惡化了這部分圍巖的受力狀況。但通過(guò)襯砌的施作，使得圍巖徑向應(yīng)力σr增大，切向應(yīng)力σθ比未施作襯砌時(shí)減小，從而應(yīng)力差(σθ－σr)明顯減小，實(shí)質(zhì)上就是在圍巖靠近開(kāi)挖面處由一維受力又變成了二維受力，這樣就提高了圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 隧道圍巖的變形分析［7-8］

圖3為隧道開(kāi)挖完成時(shí)，拱上10 m水平面圍巖的豎向位移。由圖中可以看出，圍巖的豎向位移在水平面上呈“漏斗”狀，即位移隨著與拱頂水平距離的增大，而逐漸減小。

圖3 開(kāi)挖后拱上10 m水平面圍巖豎向位移

圖4為隧道開(kāi)挖完成時(shí)，拱頂圍巖豎向位移。由圖中可以看出，拱頂?shù)淖冃魏芸炀瓦M(jìn)入塑性階段，必須盡早施作支護(hù)。

圖4 開(kāi)挖后拱頂圍巖豎向位移

圖5為隧道開(kāi)挖完成時(shí)，拱肩處圍巖的豎向位移。該處的水平位移既受開(kāi)挖面臨空的影響，也受上部圍巖向下位移所導(dǎo)致的側(cè)向變形的影響。

圖5 開(kāi)挖后拱肩處圍巖豎向位移

圖6為隧道開(kāi)挖完成時(shí)，仰拱底圍巖的豎向位移。由圖6中可以看出，圍巖豎向位移均為正值，即仰拱底圍巖出現(xiàn)向上隆起的趨勢(shì)，且距開(kāi)挖面越近隆起程度越明顯。從不同應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果來(lái)看，與拱上中心線圍巖豎向變形規(guī)律相似，即位移隨著側(cè)壓力系數(shù)的減小，明顯增大。

圖6 開(kāi)挖后仰拱底圍巖豎向位移

4 結(jié)論

1)隧道開(kāi)挖破壞了圍巖的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道周圍較大范圍的圍巖都受到影響，隧道拱頂徑向應(yīng)力明顯增大，拱腰的切應(yīng)力明顯增大，洞底形成拱突起。

2)可以發(fā)現(xiàn)軟弱圍巖從彈性變形到塑性變形的時(shí)間很短，所以在軟弱圍巖段施工要迅速施作支護(hù)。

3)當(dāng)隧道具有較大的直墻面時(shí)，隧道圍巖在較大的軸向壓力作用下，會(huì)引起圍巖的側(cè)向膨脹而產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象。

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