淺埋偏壓軟巖隧道數值模擬及方案比選

程旭東,秦鵬舉

(中國石油大學〈華東〉儲運與建筑工程學院,山東青島 266555)

淺埋偏壓軟巖隧道數值模擬及方案比選

程旭東,秦鵬舉

(中國石油大學〈華東〉儲運與建筑工程學院,山東青島 266555)

圍巖的應力應變是分析隧道開挖中圍巖穩定性的重要依據。目前比較成熟的隧道施工力學方法主要是對隧道開挖過程進行數值模擬。通過大型有限元軟件ANSYS,計算了不同埋深、不同坡度角、不同覆蓋層厚度條件下,馬鞍形淺埋偏壓軟巖隧道圍巖的應力應變,分析其規律并進行方案比選,確定了此類隧道比較合理的設計方案。分析結果表明:以2倍洞徑的埋深作為偏壓隧道深埋或淺埋的判斷依據是合理的;在保證圍巖穩定不發生片幫冒頂的前提下,減小埋深和覆蓋層厚度是比較合理的;隧道內壁各點的應力應變規律可以為隧道開挖中支護結構參數的選取提供參考。

淺埋偏壓;軟巖隧道;數值模擬;方案比選

0 引言

隧道工程建設中,在隧道洞口或穿越不對稱地形,往往出現隧道結構兩面埋深發生變化的偏壓現象。如果這種偏壓現象出現在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級的軟巖中,輕則使拱圈發生不對稱變形,重則會導致隧道塌陷,影響著隧道圍巖的穩定性。隧道施工過程中的圍巖穩定性還與圍巖的地質構造、巖性、巖石強度、隧道掘進方向與巖層之間關系、隧道開挖尺寸大小、隧道施工支護等密切相關[1],其主要分析方法有解析方法和有限元方法。力學解析方法主要是解橢圓形和圓形隧道在彈性體、粘彈性體等比較理想條件下的解析解,應用很有限,并且主要應用于求解深埋隧道中的應力應變,對淺埋隧道分析的較少。由于解析分析方法的局限性,現在很多學者利用有限元方法對隧道的圍巖穩定性進行數值模擬。

本文以馬鞍形隧道為研究對象,用大型通用有限元軟件ANSYS對淺埋偏壓軟巖單孔隧道的圍巖應力應變進行數值模擬與方案比選,為隧道設計和支護結構參數選取提供依據。

1 淺埋偏壓軟巖隧道的主要特點

由于線路、地形地貌、地質條件等的限制,穿越淺埋偏壓軟弱巖體修建的隧道工程增多。如深圳大梅沙隧道、浙江昱嶺關隧道和廣東旦架哨隧道等洞口處均是淺埋偏壓軟巖地質。以上隧道工程最小覆蓋層不足3 m,而洞徑均在10 m以上。根據《公路隧道設計規范》(JTG 70-2004)中深、淺埋隧道分界界限采用2～2.5倍的荷載等效高度[2],以及文獻[3]中采用2倍洞徑埋深作為偏壓隧道深、淺埋界限的判斷標準,隧道明顯淺埋,覆土薄;地質條件差,靠近地表部分巖體風化嚴重,多呈破碎狀,節理裂隙發育,多是砂質粘土、碎石粘土等;巖體穩定性差,易受施工方法、地下水影響,稍有不慎極易產生坍塌或出現過大的下沉;偏壓影響嚴重,加大了隧道開挖的難度。根據《公路隧道設計規范》(JTG 70-2004)工程地質特征和完整性等多種因素對隧道圍巖進行分級,以上隧道工程圍巖主要是Ⅳ、Ⅴ級巖體。開挖前期,通常采用預先加固的措施,如開挖前注漿、錨桿和管棚等,開挖過程中采用“短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測”等施工技術措施,保證隧道工程的順利進行[4,6]。

2 建立計算模型

本文以圖1所示偏壓隧道進行數值模擬,分析不同的隧道埋深H、邊坡的坡度角α、覆蓋層厚度t對隧道開挖中圍巖的應力和位移的影響規律。

圖1 梯形偏壓隧道模型

2.1 模型計算條件及網格劃分

施工中采用全斷面爆破開挖,在程序中采用“生”與“死”單元的功能模擬隧道開挖過程[7],可以達到模擬瞬時開挖的效果,與工程實際開挖過程較為符合。由于隧道長度較長,圍巖模型采用平面應變塑性模型,對應ANSYS軟件中平面應變單元Plane42。模型外形尺寸如圖1所示,隧道寬為11.1 m、高為9.55 m、直邊墻加上圓拱。根據圣維南原理,兩側邊的邊界及底邊界≥4倍洞室寬,隧道模型具體尺寸見表1。隧道模型單元的網格劃分如圖2所示。

2.2 測點布置

在以上隧道模型中,為方便分析隧道開挖中應力變化規律設置觀測點,位置如圖3所示,拱頂及其周圍3個觀測點(點1、2、12),圓拱與側壁連接處2個觀測點(點3、11),隧道側壁中間2個觀測點(點4、10)、隧道底部5個觀測點(點5、6、7、8、9)。為方便分析隧道開挖中內壁位移變化規律設置觀測點,位置如圖4所示。

表1 模型尺寸參數

圖2 網格劃分示意圖

圖3 隧道內壁應力觀測點布置圖

圖4 隧道內壁位移觀測點布置圖

2.3 力學參數確定

隧道地質條件較差,但是經過預先加固,隧道圍巖可以按Ⅳ級進行模擬,加固圍巖參數采用等效的方法確定[8],圍巖力學參數如表2所示。根據地質條件特點,采用Drucker-Prager屈服模型。對模型兩側邊界各節點施加水平方向約束,底側邊界各節點施加豎直方向約束,頂面和斜邊均為自由邊界。

表2 模型力學參數

3 計算結果分析

3.1 隧道圍巖應力分析

3.1.1 埋深H對圍巖應力的影響

隧道H20t10a60和H30t10a60的圍巖應力云圖分別如圖5、圖6所示。比較2個不同埋深隧道開挖圍巖的應力云圖可以看出:隨著埋深增大,拱頂及隧道底部的圍巖壓力增大,拉應力范圍擴大;集中應力范圍增大,塑性區范圍亦增大;集中應力主要分布于拱頂左側、右側壁底部、拱頂和隧道底部處。由兩應力云圖還可見,隧道邊坡一側圍巖應力相當復雜,隧道頂部形成的自然拱在邊坡處斷開,說明隧道頂部屬于深埋,而邊坡處則為淺埋。因此,可以通過在隧道頂部及邊坡處均形成自然拱時的埋深和覆蓋層厚度的較小值來判定偏壓隧道的深、淺埋。

圖5 H20t10a60模型應力云圖

圖6 H30t10a60模型應力云圖

3.1.2 覆蓋層厚度t對圍巖應力的影響

隧道H20t10a45和H20t20a45圍巖的應力云圖分別如圖7、圖8所示。比較2個不同覆蓋層厚度的隧道開挖圍巖的應力云圖可以看出:隨著覆蓋層厚度增大,隧道底部應力變小,拱頂及圍巖兩側壁應力急劇增大,右側塑性區增大,表明頂部圍巖對隧道壁的應力影響增大。由圖8可知,淺埋隧道埋深和覆蓋層厚度基本相同時,拱頂以上圍巖受到較大的拉應力,表明此情況拱頂更容易破壞。

圖7 H20t10a45模型應力云圖

圖8 H20t20a45模型應力云圖

3.1.3 邊坡坡度角α對圍巖應力的影響

圖9 H30t20a45模型應力云圖

圖10 H30t20a60模型應力云圖

隧道H30t20a45和H30t20a60圍巖的應力云圖分別如圖9、圖10所示。比較2個不同邊坡坡度角隧道圍巖的應力云圖可以看出:坡度增大,頂部圍巖松動應力增大,圍巖兩側壁應力減小,隧道頂部容易出現塌方;右側塑性區減小,表明埋深覆蓋層不變坡度增大時,隧道圍巖所受偏壓影響減小。當埋深和覆蓋層厚度較大時隧道圍巖形成自然拱;兩圖圍巖均形成壓力拱,而覆蓋層厚度約為洞徑的2倍。

3.1.4 隧道內壁總應力變化規律

以上各模型隧道內壁總應力如圖11所示。由圖11可知:各模型隧道內壁總應力變化規律基本相同,隧道兩側壁的應力較小,隧道底部和拱頂內壁應力較大,其原因是隧道開挖后拱頂圍巖失去支撐、隧道底部圍巖回彈并抵抗周圍巖體向隧道底部滑移,引起較大拉應力;偏壓隧道拱頂右側總應力大于左側,偏壓影響明顯;當覆蓋層厚度一定時,隧道埋深減小,拱頂圍巖應力減小、隧道底部應力增大,表明淺埋隧道隨埋深減小,拱頂坍塌可能性減小,但兩側巖體發生滑移的可能性增大;當隧道埋深和坡度一定時,覆蓋層增大,拱頂應力增大、隧道底部應力增大,表明覆蓋層厚度對應力起控制作用;比較以上各模型,H20t10a60拱頂應力最小且隧道底部應力相對較小,是比較合理的設計方案。

圖11 隧道內壁總應力圖

3.2 隧道圍巖位移分析

以上各模型隧道內壁總位移如圖12所示。由圖12中可知:各種模型分析的隧道內壁總位移變化規律基本相同,隧道兩側壁的位移較小,隧道底部和拱頂內壁位移較大,其原因是隧道開挖后拱頂圍巖失去支撐、隧道底部圍巖回彈并抵抗周圍巖體向隧道底部滑移,引起較大位移;隧道右側的位移值大于左側,表明隧道偏壓對圍巖位移影響比較大;當埋深坡度一定時,隧道覆蓋層厚度越大,隧道底部內壁位移越大,拱頂位移越大;當隧道覆蓋層和坡度一定時,埋深減小,隧道內壁位移減小;比較各模型, H20t10a45隧道拱頂位移最小且底部位移較小,是比較合理的設計方案。

圖12 隧道內壁總位移圖

4 結論

(1)偏壓隧道開挖后地層中形成自然拱時的埋深和覆蓋層較小者作為深、淺埋臨界深度。以2倍洞徑的埋深作為偏壓隧道深埋或淺埋的判斷依據是合理的。

(2)通過總應力、總位移的計算比較, H20t10a60和H20t10a45設計方案是比較可行的,這兩種方案模擬表明,在保證隧道圍巖穩定的前提下,減小埋深和覆蓋層厚度是比較合理的。

(3)隧道開挖過程中,引起拱頂出現較大位移,要求在開挖結束后盡早施作初期支護以及二次襯砌,并加強其拱頂部分強度。

(4)圍巖受偏壓的影響,塑性區除分布在拱頂和隧道底部,還主要分布于拱頂左側和右側壁底部,兩處連線基本與坡面垂直。這些區域需要進行加強,可以根據具體地質條件,采用注漿、管棚等預先加固措施,保證隧道開挖過程中的穩定性。

[1] 朱永全,宋玉香.隧道工程[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2] JTG 70-2004,公路隧道設計規范[S].

[3] 王立忠,郭東杰.偏壓隧道二次應力場分析及應用[J].力學與實踐,2000,22(4):25-28.

[4] 吳煥通,史克臣,劉鳳義.大梅沙隧道洞口段施工技術[J].世界隧道,1999,(6):36-39.

[5] 周朝長.淺埋偏壓軟弱圍巖連拱隧道穩定性研究[D].重慶:重慶大學,2006.

[6] 池楊敏,李長順.淺埋偏壓軟巖大跨隧道進洞施工[J].公路, 2002,(6):6-9.

[7] 陳先國,高波.重疊隧道的施工力學研究[J].巖石力學與工程學報,2003(4):606-610.

[8] 伍振志,傅志鋒,王靜,等.淺埋松軟地層開挖中管棚注漿法的加固機理及效果分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(6): 1025-1029.

Numerical Simulation and Scheme Comparison of Shallow and Unsymmetrical Tunnel in Soft Rock

CHENG Xu-dong,QIN Peng-ju(College of Transport&Storage and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao Shan-dong 266555,China)

Stress-strain of surrounding rock is an important foundation for analyzing the stability of tunnel excavation.The mature tunnelmechanics ismainly to numerically simulate the tunnel excavation at the present.In thispaper,with large fi-nite element software ANSYS,stress-strain of surrounding rock of the saddle-shaped shallow tunnel excavation in soft rock of different depth,slope angle and covering layer thickness are calculated and analyzed,the laws are educed,the schemes is compared and the reasonable scheme is confir med.The results show that:it is reasonable for-times of the tunnel depth as the judgment of deep or shallow unsymmetrical tunnel;it is reasonable to reduce the depth and covering layer thickness on the condition that surrounding rock is stable withoutwall spalling and roof caving.The laws of stress-strain of the sur-rounding rock internalwall in the tunnel excavationmay provide reference to selection of the supporting structure parameter. Key words:shallow and unsymmetrical;soft rock tunnel;numerical simulation;scheme comparison

U45

A

1672-7428(2011)01-0077-04

2010-07-16;

2010-12-13

程旭東(1971-),男(漢族),安徽桐城人,中國石油大學(華東)副教授,水利工程專業,博士研究生,從事土木工程及油田地面工程結構方面的教學及科研工作,山東省青島市黃島區長江西路66號,chengxd@hdpu.edu.cn。