偏壓隧道大變形對巖石力學參數敏感性分析

鄒 浩

(湖北省地質局第三地質大隊，湖北 黃岡 438000)

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隧道工程

偏壓隧道大變形對巖石力學參數敏感性分析

鄒 浩

(湖北省地質局第三地質大隊，湖北 黃岡 438000)

片巖偏壓隧道開挖過程中產生大量大變形問題，嚴重影響工程進度。為了給隧道圍巖穩定性分析及支護設計提供必要的圍巖力學參數選取依據，采用數值模擬方法，研究了隧道變形對圍巖力學參數(彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角)的敏感性。

片巖；隧道偏壓；大變形；敏感性分析

1 引 言

大變形是隧道工程開挖中常見問題之一。鄂西地區武當群片巖廣泛分布，由于片巖各向異性特性明顯，力學性質較差，且山體起伏程度較大，這樣的片巖偏壓隧道中大變形問題尤為突出。因此，有必要深入研究變質軟巖隧道大變形機理。

受試驗條件及試驗成本等因素的制約，室內物理模型試驗、現場原位試驗等方法均具有較大的局限性。數值模擬方法具有簡便易行的特點，在隧道工程穩定性分析中得到了廣泛的應用。然而，數值模擬方法也受到一些因素的制約，如：巖體材料力學參數準確與否直接決定了數值計算結果的好壞，室內或現場試驗得到的力學參數可能存在誤差，這種誤差直接導致計算結果嚴重失真。因此，有必要對變形影響因子進行敏感性分析，找出敏感因子，以提高數值分析的可靠性。

針對圍巖變形影響因素敏感性分析，許多學者開展了研究。侯哲生等利用有限元法研究了某礦巷道變形對圍巖力學參數的敏感性；黃書嶺等針對巖體力學參數敏感性分析單指標方法的局限性，提出了基于敏感度熵權的屬性識別綜合評價模型，對錦屏二級水電站引水隧洞變形進行了圍巖力學參數敏感性分析；夏元友采用人工神經網絡方法研究了邊坡穩定性影響因素的敏感性；王者超在室內三軸試驗的基礎上，通過數值模擬方法研究了花崗巖地層大型不襯砌地下水封石油洞庫圍巖完整性參數的敏感性；王長柏等采用解析法對南水北調西線1期工程3#引水隧道圍巖及襯砌的力學參數開展了動應力集中系數敏感性分析；劉寧等；杜玉東等采用Monte-Carlo隨機有限元理論研究了圍巖力學參數對變形收斂的影響程度；許建聰等采用層次分析法，結合工程實踐經驗，對影響水下隧道裂隙圍巖滲流控制的主要因素進行了敏感性分析。

綜上，目前針對地下工程巖體力學參數對變形的敏感性分析主要集中在采礦巷道、水電工程地下洞室等工程，而對軟巖隧道大變形對圍巖力學參數的敏感性研究較少。本文以鄂西十房高速通省隧道為例，采用數值模擬方法研究隧道大變形對圍巖力學參數的敏感性，為工程設計和施工提供參考和指導。

2 工程概況

在建的十房高速位于鄂西北地區，在區域上處于秦嶺、南陽盆地、大巴山三大地貌之間，跨越武當山山系。隧道區域主要發育有元古界武當群(Pt2w)片巖。根據野外地質調查跟鉆孔資料可以看出，武當群片巖主要為深灰色，成巖礦物以石英、云母為主，各向異性明顯。具體表現為，沿片理面方向，巖石的工程性質較差，強度低，易與水等外界因素發生共同作用使得巖石軟化、泥化。并且受到這些不穩定因素的影響，在整個隧道的工程建設過程中，隧道圍巖都不同程度的出現了大變形、支護失穩等現象，不僅影響了工程進度，導致項目無法按照既定時間竣工，而且造成了重大經濟損失跟人員傷亡，應當加以重視。

3 參數敏感性數值計算

3.1 模型及參數

本文采用FLAC-3D軟件進行數值模擬計算。隧道為雙洞分離式隧道，洞室軸距48.6 m，左右兩側洞室埋深分別為109 m、122 m。為減小邊界效應的影響，水平方向距離取260.0 m。對X=0以及X=260 m邊界上約束水平方向位移，模型底部為固定約束，地表為自由邊界。

圖1 數值模型

本構模型采用摩爾庫倫模型，材料參數見表1。

表1 材料物理力學參數

3.2 計算方案

為分析彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角等圍巖力學參數對隧道圍巖變形的影響程度大小，分別令各力學參數在一定范圍內變化，保持其他參數保持不變，計算各工況下洞室頂部位移及大變形一側洞腰位移，進而得到各參數對圍巖變形的敏感性程度。各力學參數的變化范圍見表2。

表2 力學參數變化范圍

根據數值模擬結果，各工況下隧道大變形主要發生在洞頂和各洞左側邊墻，因此主要監測兩個隧道洞頂和左側邊墻的位移。

4 計算結果分析

4.1 彈性模量

彈性模量E在1 000～10 000 MPa之間由小到大變化時，各監測點位移與彈性模量之間的關系見圖2。

圖2 監測點位移與E關系

由圖2可知，隨著彈性模量E增大，各監測點的垂直位移和水平位移均呈負指數減小，且E在1GPa～3GPa之間變化時相應的位移增量變化幅度較大，當E>3GPa時，位移變化幅度不明顯。整體而言，位移對彈性模量的敏感程度較高，且垂直、水平位移對彈性模量的敏感程度十分接近。

4.2 泊松比

泊松比μ在0.25～0.45之間由小到大變化時，各監測點位移位移與泊松比之間的關系見圖3。

由圖3可知，隨著泊松比μ增大，各監測點的垂直位移呈拋物線型逐漸減小，水平位移呈直線型逐漸增大。可見，泊松比的變化對隧道斷面垂直方向和水平方向位移的影響截然不同。整體而言，垂直位移對泊松比的敏感性較低，水平位移對泊松比的敏感性較高。

圖3 監測點位移與μ關系

4.3 內聚力

內聚力c在0.2～0.5 MPa之間由小到大變化時，各監測點位移與內聚力之間的關系見圖4。

由圖4可知，隨著內聚力c增大，各監測點位移近似線性減小。可見，內聚力的變化對隧道斷面垂直方向和水平方向位移的影響基本一致。整體而言，隧道圍巖變形對內聚力的敏感度較低。

圖4 監測點位移與c關系

4.4 內摩擦角

內摩擦角φ在20～40°之間由小到大變化時，各監測點位移與內摩擦角之間的關系見圖5。

圖5 監測點位移與φ關系

由圖4可知，隨著內摩擦角φ增大，各監測點的位移變化無明顯規律。其中，左洞腰垂直位移隨內摩擦角增大而呈拋物線形增大，右洞頂水平位移隨內摩擦角增大而先增大后減小，其他情況下位移均無明顯變化。可見，僅右側洞腰的垂直位移和右側洞頂的水平位移對內摩擦角的變化較敏感。

4.5 力學參數敏感性評價

針對變量進行的敏感性分析過程實質上就是求解敏感系數η的過程。敏感系數可以定義為輸出結果的變化率跟輸入參數變化率的比值，即為：

(1)

式中：X是輸入的初始值；XL,R是后續輸入的變化值；而F(x)是所輸入初始值在對應模型中計算得到的輸出值；F(XL,R)是后續輸入的變化值在對應模型中計算得到的輸出值。

根據公式(1)，分別計算彈性模量、泊松比、內聚力、摩擦角的敏感參數η的大小，結果見表3。

表3 圍巖參數敏感系數

由上述分析可以得到以下認識：

(1) 整體而言，隧道位移對圍巖力學參數的敏感性由高到低依次為：泊松比>摩擦角>彈性模量>內聚力。但某些局部表現出不同的規律，如右洞頂水平方向位移及右洞左腰垂直位移對內摩擦角的敏感性明顯大于泊松比。

(2) 圍巖變形對泊松比的敏感性與變形位置及變形方向有較大相關性。如：右洞左腰的水平位移對泊松比敏感性最高，敏感系數為3.48；左洞左腰水平位移次之，為2.00；再次是右洞頂，敏感系數為1.03；其余敏感系數均小于1。可見，隧洞左腰的水平位移對泊松比最為敏感。大體上，在同一位置，水平位移對泊松比的敏感系數要遠高于垂直位移。

(3) 右洞頂水平位移對內摩擦角的敏感性最高，敏感系數為2.5；其次是右洞左腰，敏感系數為1.62；其余各部位變形對內摩擦角的敏感系數均小于1。整體而言，右側隧洞位移對內摩擦角的敏感性要高于左洞；洞頂水平位移對內摩擦角的敏感性遠高于垂直位移，洞腰垂直位移對內摩擦角的敏感性要遠高于水平位移。

(4) 所有監測點位移對彈性模量的敏感性較低，且敏感系數較為一致，都接近于0.1。所有監測點位移對內聚力的敏感性較低，敏感系數不超過0.13。

5 結 論

(1)整體而言，隧道變形對圍巖力學參數的敏感性由大到小依次為：泊松比>摩擦角>彈性模量>內聚力。

(2)圍巖變形對泊松比的敏感性與變形位置及變形方向有較大相關性；相對而言，隧洞左腰的水平位移對泊松比最為敏感；大體上，在同一位置，水平位移對泊松比的敏感性遠高于垂直位移。

(3)右側隧洞位移對內摩擦角的敏感性要高于左洞，洞頂水平位移對內摩擦角的敏感性遠高于垂直位移，對洞腰垂直位移的敏感性要遠高于水平位移。

(4)隧道隧道變形對片巖力學參數的敏感性表現出各向異性特性的主要原因是，片巖屬于典型的層狀巖體，力學性質具有各向異性特征；且隧道圍巖賦存于偏壓的應力環境中，這種不對稱的應力導致圍巖變形表現出非對稱的特點。

[1] 侯哲生,李曉, 王思敬, 等. 金川二礦某巷道圍巖力學參數對變形的敏感性分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(3):406-410.

[2] 章光, 朱維申. 參數敏感性分析與試驗方案優化[J]. 巖土力學, 1993,14(1):51-58.

[3] 朱維申, 何滿潮. 復雜條件下圍巖穩定性與巖體動態施工力學[M]. 北京: 科學出版社, 1996.

[4] 張繼勛, 姜弘道,任旭華. 巖體參數對隧洞圍巖穩定性影響的敏感性分析[J]. 采礦與安全工程學報, 2006,23(2):169-172.

Sensitivity analysis of large deformation of bias chist tunnel to rock mechanical parameters

ZOU Hao

(Third Geological Team of Hubei Geological Bureau, Huanggang, Hubei 438000，China)

There is varies large deformation phenomenon during excavation in bias tunnel, which may seriously affect the progress of project. In order to provide mechanical parameters selecting evidence for stability analysis and reinforcement design, the sensitivity that tunnel deformation to mechanical parameters (elastic modulus, Poisson ratio, cohesion and friction) of surrounding rock mass is analyzed by numerical simulation.

schist; bias tunnel; large deformation; sensitivity analysis

2015-12-07

鄒浩(1983-)，男，湖北公安人，研究方向：巖土體穩定性評價與防治。

U451

C

1008-3383(2016)07-0139-03