基于離散元理論的風積沙隧道無加固措施時隧洞破損狀態模擬

劉 寧，姚冠兵

(青海省公路科研勘測設計院，青海 西寧 810000)

隧道工程

基于離散元理論的風積沙隧道無加固措施時隧洞破損狀態模擬

劉 寧，姚冠兵

(青海省公路科研勘測設計院，青海 西寧 810000)

依托青海省茶卡至格爾木段公路改擴建工程脫土山隧道工程，利用離散元軟件UDEC對無任何加固措施下風積沙地層中開挖隧道后圍巖的變形、破壞狀態進行模擬。

風積沙隧道；離散元理論；圍巖變形

1 離散元法基本理論

離散元法假設介質是離散塊體的集合，因此單個塊體不會受到相鄰塊體變形協調的約束作用，而只需滿足單個塊體的平衡方程。如圖1所示，若塊體受到四周相接觸的單元作用的一組力Fxi，Fyi(i=1-5，未考慮重力)。然后將單元所受到的力移動到重心處通過計算就得到合力矩M和合力F，根據F=ma和M=Iθ″在該組力的作用下塊體開始運動，同時在運動過程中相鄰塊體還不斷作用給該塊體新的作用力。

圖1 塊體上的集合及作用在部分塊體上的力

假設塊體相互間的法向力與法向“疊合”成正比，即

Fn=knun

(1)

式中：kn為法向剛度系數。

圖2 離散單元之間的作用力

在“疊合”的基礎上再乘以上比例系數便得到法向力。在兩個離散塊體的邊界“疊合”時(上圖b)，有兩個角點在邊界上接觸，則可用界面兩端的力替換該邊界上的力。

2 工程概況

茶卡至格爾木段公路改擴建工程脫土山隧道為直線短隧道，隧道沿線圍巖質量總體較差，圍巖級別為Ⅳ～Ⅵ級，且左線進口、左右線出口為風積沙，洞頂風積沙覆蓋層厚度為4～26 m不等，且左線出口段150 m范圍內洞底也為風積沙，洞口處洞底風積沙厚度達25 m。

根據脫土山隧道的相關地勘資料以及初步設計資料，結合其他地區類似的工程經驗和《巖土工程勘察設計手冊》選取數值計算的材料參數如表1～表2。

表1 地層力學參數

表2 C25噴射混凝土力學參數

3 風積沙隧道施工模擬

3.1 計算模型

選取左線出口ZK2476+730處斷面計算斷面，根據地質資料建立如圖3所示的數值計算模型，為二維的平面應變模型，尺寸為80 m×60 m，隧道埋深10 m，洞壁距離模型邊界約4倍隧洞跨度。如圖中所示，模型上部的風積沙地層用間距0.5 m、傾角±45°的貫通節理形成的密集變形塊體模擬；下部為地層性質較好的石英片巖混合地層。

圖3 風積沙隧道計算模型圖

3.2 結果分析

(1)毛洞狀態

采用二臺階法施工，在形成地應力平衡狀態后進行開挖并暫不施作支護，觀察洞周的變形特征。考慮到無加固措施下風積沙地層開挖洞室后應力釋放較快，因此僅計算上臺階開挖后的圍巖變形響應。

圖4為上臺階開挖后不同計算時步下毛洞的變形特征，圖中節理呈藍色時表示該節理所受剪切力已超過其抗剪強度，即節理開始滑移，節理呈紅色時表示該處節理的法向力等于0，即節理已經張開，塊體開始脫落分離。由圖中可看出上臺階開挖后不久(僅200時步)洞壁附近塊體便開始滑移，并向上擴展，延伸至地面，引起洞頂上方整個地層向下塌落，無法形成塌落拱。洞壁掉塊始于拱頂和拱肩處，也是塊體擠壓最嚴重的部位。

圖4 毛洞狀態下圍巖隨時間的變形特征

從圖5中的拱頂和拱肩豎向位移曲線圖也可知從開挖到整個洞室坍塌，圍巖不僅未曾穩定，其位移速率還逐漸增大，直至洞室最終坍塌。

圖5 毛洞狀態下拱頂、拱肩的豎向位移曲線

(2)施作初期支護

由3.2.1節分析可知，風積沙地層中隧道開挖后洞室完全沒有自穩能力，無法成洞，為此本節將探討在支護作用下洞室的穩定情況。

分別采用10%、20%、30%、40%的應力釋放率后，施作30 cm厚C25噴射混凝土，計算之后發現，不論在何時施作支護，支護結構最終都將隨圍巖一起變形并破壞，隧洞仍然無法成形，且各應力釋放率下的破壞狀態基本一致，此處僅部分工況計算到一定時步時的洞室狀態圖(圖6)，可看出二臺階法下隧道主要會從左側或者右側拱肩部位開始破壞，直到整個拱部圍巖坍塌。

由于本節采用的襯砌結構單元只能發生屈服而不能產生斷裂破壞，因此實際工程中的圍巖及結構破壞應比此次數值模擬中的更加嚴重。

圖6 不同應力釋放率下支護后隧道破壞狀態

4 結 論

(1)離散元理論軟件UDEC對風積沙地層結構松散、粘聚力低等特點的模擬效果較好，通過計算可以直觀、準確地模擬出風積沙地層中開挖隧道后圍巖的變形狀態。

(2)在風積沙地層中采用二臺階法開挖隧道時，上臺階開挖后不久洞壁附近塊體便開始滑移，并向上擴展，延伸至地面，引起洞頂上方整個地層向下塌落，無法形成塌落拱。洞壁掉塊始于拱頂和拱肩處，也是塊體擠壓最嚴重的部位。

(3)在無任何加固措施下，即使在開挖后立即施作支護仍然不能控制圍巖的變形，最終形成坍塌，因此在風積沙地層開挖隧道必須考慮預加固措施。

[1] 牟獻友, 谷攀. 國內風積沙工程特性研究綜述[J]. 內蒙古農業大學學報:自然科學版, 2010, 31(1):307-310.

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2016-12-11

U451

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