斜穿過砂卵石層地質構造隧道開挖的三維數值模擬分析

巨建民，任小惠

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

砂卵石地層一般由粘性土或砂卵石、粗砂、卵石等組成，偶遇巨石塊.大多數砂卵石地層結構松散，分布不勻，具有強烈的離散特性，砂卵石層的這種特性，在隧道開挖過程中，由于擾動破壞了原有巖層的平衡狀態，洞室附近的應力重新分配，當遇到砂卵石層地質時，砂卵石的粘聚力比較小，在掌子面一定高度范圍內的砂卵石產生過度的松弛變形，形成松動區，產生較大的位移，出現隧道塌方現象.這里針對斜穿過砂卵石層地質構造隧道開挖的工程實例來分析這種不利情況下的隧道整體性態，同時考慮隧道實際開挖工序下的支護結構情況.

1 工程概況

某地鐵隧道設計路線為單線，斷面近似橢圓形隧道，計算選取隧道的埋深為14.55 m，設計采用淺埋暗挖全斷面開挖施工方法開挖，跨度10.9 m，高8.45 m.初期支護襯砌的厚度為0.29 m，二期支護襯砌厚度為0.71 m.該地質結構比較復雜，主要地層為:粉質粘土層、砂卵石層、弱風化層、中風化泥巖層.錨桿采用圓形截面，鋼拱架采用工字型截面.隧道開挖時，土層和支護參數如附表.

附表 土層和支護參數

2 計算模型及條件

2.1 計算模型

模型以水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，以隧道長度方向為Z軸.根據隧道開挖影響范圍的大小，參照巖石力學和隧道力學計算結果，計算模型范圍取為60 m×35 m×50 m.隧道的開挖和支護通過控制單元生死進行模擬，隧道分十一步開挖，1～9步每步開挖3.5 m，第10步開挖2.1 m，最后一步開挖1.4 m.為了更好仿真實際地質情況，采用彈塑性本構關系，圍巖和支護采用DP材料模擬.該隧道屬于淺埋段，采用自重應力場分析，模型上部為自由邊界面，其它面為垂直于各面的約束.圍巖、初期支護、二期支護采用塊體單元，錨桿采用桿單元，鋼拱架采用梁單元.為了控制計算模型并同時達到較好的計算精度，在劃分網格模型的時候，采用了不同精度的網格劃分，在計算關心的隧道體附近對網格進行加密.計算模型地層分布如圖1所示.

圖1 地層分布圖示意圖

2.2 模擬開挖、支護的施工方案

探討錨桿和二次襯砌在砂卵石層中的作用，本文分三種工況進行了隧道開挖、支護施工方案的模擬:

Ⅰ隧道開挖完一步，進行錨桿、鋼拱架、初期襯砌支護，接著循環下一步開挖、支護;

Ⅱ隧道開挖完一步，進行鋼拱架、初期襯砌支護，接著循環下一步開挖、支護;

Ⅲ隧道開挖完35 m后，進行二次襯砌.

3 計算機模擬分析

3.1Ⅰ、Ⅱ兩種工況位移場、應力場和塑性區的分析

3.1.1 位移場分析

第Ⅰ種工況地鐵隧道圍巖的初始總位移場云圖如圖2(a)所示，在弱風化巖和中風化巖層處位移基本上為0 mm.砂卵石層最厚處圍巖出現最大位移2.5 mm，這驗證了砂卵石層結構分布不均、結構松散，粘聚力較小造成的.

第一次開挖完成后，由于隧道開挖造成卸載作用，在砂卵石層厚度最大處，圍巖急劇發生了較大位移，最大位移為99.75 mm，如圖2(b)所示.在第一步開挖之后的位移變化不大并趨于穩定.隧道拱頂局部受拉，隧道拱頂上部的土向兩邊滑移，最后在隧道圍巖的兩側發生了較大的位移，如圖2(c)所示.有限元軟件建模模擬分析結果表明，第Ⅱ種工況和第Ⅰ種工況位移大小變化基本一致，開挖完第二步后圍巖部位的位移趨于穩定.隨著施工步數的變化，圍巖部位最大位移變化情況如圖3所示.

圖2 不同工況下位移云圖

圖3 有無錨桿最大位移變化情況

3.1.2 應力場分析

(1)拱頂上部徑向應力σy分析 隧道圍巖開挖前，整體性比較好，第一步開挖后，因土體原有的三向應力平衡狀態破壞，應力重新分布，周圍土體發生位移和變形，上部圍巖處于臨空狀態，內部應力大量釋放，最大徑向壓應力為0.265 MPa.隧道拱頂一定范圍內最大徑向應力在有、無錨桿的情況下，如圖4所示.分析結果顯示在有錨桿的情況下比無錨桿情況下徑向應力小.錨桿受力后，在周圍一定范圍內形成壓縮區，地層間相互擠壓，層間摩阻力增大，內應力減小.錨桿的減跨作用也使得圍巖的彎曲應力減小.開挖隧道時，在砂卵石層處及時支護錨桿可有效減小圍巖的徑向力，防止圍巖由于受力過大造成隧道塌方.隧道側墻處的徑向應力隨著開挖步步數的增大而增大，全部開挖后有錨桿時最大徑向應力為2.73 MPa(如圖5)，無錨桿時最大徑向應力為3.07 MPa.隨著開挖長度的增長，隧道臨空面增大，拱腳處出現應力集中且承受壓應力逐漸增大.

(2)剪應力τxy分析 在隧道開挖過程中，隧道頂部受力復雜，頂部以上區域變形較大，顆粒滑移.如圖6所示，在拱腰的上半部分出現了最大的剪應力，且隨著開挖進尺逐漸增大，剪應力也逐漸向前移動并增大，這部分是剪切破壞的主要形式，如果長期不支護，可能會出現流動現象，發生剪切破壞，造成隧道失穩.隧道拱頂上部圍巖在開挖過程中的剪應力變化如圖7所示，從圖中可以看出有錨桿XY方向的切向徑力比無錨桿XY方向的切向徑力大.這說明在錨桿的作用下，由于錨桿的約束作用，臨空面附近穩定性較弱的巖體與深部穩定性較好的巖體通過錨桿連接在一起，增強了巖體結構的整體穩定性.

(3)塑性區分析 隧洞開挖前，巖體是保持平衡的，沒有出現塑性區.隧洞開挖后，原有的平衡狀態遭到破壞，洞室附近的應力重新分配，造成環向應力集中，使巖體向臨空面產生位移，當洞壁一定范圍內圍巖應力超過極限強度時，該范圍內的巖體呈塑性狀態，形成塑性區或松弛區，在此范圍之外巖體仍為彈性體.第一步開挖后，在弱風化巖層和砂卵石層接觸處，由于應力集中，出現了少量的塑性區.待開挖到第五步時，掌子面上部全為砂卵石層，砂卵石粘聚力小，強度低，砂卵石面處出現大量的塑性區，如果產生無限發展很大的塑性變形和位移，隧道將會產生塌方，砂卵石層處產生的塑性區如8圖所示.

圖8 塑性區示意圖

隧道全部開挖完后，有錨桿和無錨桿情況下，在隧道面發生塑性區的位置是一致的，且沒有錨桿情況下塑性區處的位移相比較小.

3.2 第Ⅲ種工況分析

初期支護達到一定強度時進行二期支護，最大位移為101.42 mm.無錨桿情況下的XY方向的最大剪應力為2.57 MPa，第一主應力最大為1.11 MPa，比初期支護完最大剪應力減少76.84%，第一主應力減少66.26%，如圖9所示.

圖9 應力云圖

3.3 鋼拱架受力分析

鋼拱架在隧道中是主要的受力結構，對控制隧道圍巖變形起著重要作用.分析結果表明，在無錨桿作用時，鋼拱架受力較小.無錨桿作用時全部開挖完后鋼拱架在隧道中以壓力為主，最大壓力發生在拱腰上半部分，只有拱腰下半部分出現少量的受拉部位，大部分鋼拱架受軸壓力在112.85～189.69 kN之間，最大壓力為650.8 kN，最大軸拉力為40.85 kN.

4 結論

本文針對某地鐵隧道施工過程中圍巖位移、應力和塑性區運用數值模擬方法進行了分析，得出以下結論.

(1)砂卵石的粘聚力小，強度低，在隧道開挖過程中，第一步開挖后圍巖位移比較小，但在第二步開挖過程中位移急劇變化，在砂卵石層最厚處圍巖產生了最大位移，在后面的開挖過程中，圍巖處的位移逐漸趨于穩定;

(2)砂卵石結構松散，分布不均，對有錨桿和無錨桿情況下的位移、應力、塑性區進行了對比，經分析對比得，錨桿在隧道中提高了圍巖的整體性能，使隧道拱頂上部一定范圍內的圍巖徑向應力降低，圍巖的強度和承載力提高了.開挖隧道時，在砂卵石層處及時支護錨桿可有效減小圍巖的徑向力，防止圍巖由于受力過大造成隧道塌方;

(3)在隧道開挖過程中，由于結構扁平，拱腰部位形成了一定應力力集中，在此部位剪應力比較大.在圍巖自重力作用下，拱頂形成了拉應力.如果超過了砂卵石所能承受的范圍，容易造成剪切和拉裂破壞.施工過程中初期支護強度達到一定程度時應及時施做二期襯砌，可有效的使隧道受力大大減小，提高隧道使用的安全性.弱風化巖層和砂卵石層接觸處容易出現塑性區，且在開挖到砂卵石層處時，掌子面出現大片塑性區.

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