動靜載作用下隧道及周圍巖土體響應分析

閆立來

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

隨著我國經濟社會的發展和鐵路系統規劃布局的完善，越來越多的山嶺地區逐漸開始建設公路隧道.隧道建設當中除面臨復雜的地質與水文條件以外，還潛在承受諸如人工爆破、地震、機械設備開挖等動載作用，威脅隧道安全[1-3].經過長期的研究發現，隧道在動載作用下拱頂和拱底的水平應力將會增加，隧道圍巖塑性區也將顯著增大并且之前巖土體的應力狀態將明顯得到改變，極易引起隧道整體或局部失穩破壞[4-6].高富強等[7]通過運用FLAC數值模擬軟件對深部巷道的圍巖動態響應進行了分析，得出了動載會擴大巷道圍巖塑性區及增大底板應力以至達到極高應力狀態.唐益群等[8]基于有限元軟件，對隧道周圍巖土體在振動荷載下的變形進行分析，并結合實測數據為預測沉降和地鐵安全運營提供參考，等等.

云湖2號隧道地處四川地區，長期承受地質災害等作用，研究該隧道在動靜載作用下的響應特性對于分析隧道的安全具有重要意義.本文主要利用FLAC3D數值模擬軟件并重點對隧道在動靜載作用下的位移和塑性區進行分析，探討動靜載作用下隧道圍巖的變形和穩定性特點，可為同等或相似條件下隧道工程的設計和施工提供參考和借鑒.

1 數值模型

1.1 模型建立及參數選取

云湖2號隧道穿越通過綿遠河左岸山體，山脊走向近于南北向，地形陡峭，地形上是一沿著綿遠河走向的山體.隧道進出口處下段地形較陡，地形坡度45°～55°，為巖質陡坡，局部接近于直立，上段地形坡度相對較緩，坡度35°～45°.由于受到構造作用影響，導致山脊高聳.隧道穿越山脊頂部最高高程為1973.9m，嶺谷相對高差達1153.9m，隧道進口綿遠河河床高程820m，屬于典型的中山構造剝蝕地貌特征.圖1所示為隧道縱斷面圖.

圖1 隧道縱斷面圖

本文以云湖2號隧道為標準模型進行建模，該隧道斷面由圓弧和橢圓弧組成，其內部斷面高度最大為8.3m，寬度最大為10.6m，詳見圖2.如圖3所示，考慮到地下工程的一般開挖影響范圍為3～5b(b為洞室內徑)，故在實際建模過程中尺寸取60m(x軸)×60m(y軸)×40m(z軸)，以消除開挖影響.隧道建設區位于映秀至北川主干斷裂帶，加上受5.12大地震影響，地質構造作用強烈且巖體破碎，本文以K14+310斷面為研究截面，該段巖性為Ⅴ級圍巖，具體巖體物理力學參數如表1所示.

表1 巖體的物理力學指標

表2 噴射混凝土和錨桿的力學參數

該隧道在施工過程中，采用錨桿、鋼筋網和鋼拱架及二襯聯合支護形式，噴射混凝土采用C20標號，拱墻噴射厚度為24cm，仰拱噴射厚度為45cm.施工過程中采用φ25mm注漿錨桿，錨桿采用梅花形布置，間距為750mm(環向)×1000mm(縱向)；鋼筋網直徑為φ8mm，網格尺寸為200mm×200mm，單層布置；鋼拱架選用I18，縱向間距為1000mm，實際模擬中將鋼筋網和鋼拱架的彈性模量折算到混凝土中，混凝土與圍巖之間設置有接觸面.由于本文主要模擬隧道在動載作用下的響應，故對靜載下的建模做了簡化處理.表2為噴射混凝土和錨桿的力學參數.

1.2 模型邊界條件

模型建立考慮到上覆巖層的垂直應力影響，在模型上邊界施加有3.0MPa的垂直應力，其他邊界均采用位移約束，且整個模型采用mohr-coulomb本構模型.遠處動力源產生的沖擊波在傳播的過程中會逐漸衰減成壓縮波，最后變成平面波.在該模型中，為了模擬遠處動力源產生的動載對隧道的影響，參照文獻[7]在模型底部施加平面波，具體如圖4所示.與此同時，為了真實地模擬模型中的應力波的傳播，除模型底部邊界外，其他邊界均設置為粘滯吸收邊界.

圖4 應力波時程曲線

2 靜載作用下響應分析

地下工程在施工的過程中，一般會在關鍵位置布設相應數目的監測設備，主要包括位移監控和應力監控，以此來準確把握和解決施工過程中的緊急問題.如圖2所示，云湖2號隧道施工過程中，對隧道拱頂位移和兩側拱墻水平收斂位移進行監測，通過收集、處理和分析數據并采用相應措施保證隧道施工整個過程安全進行.

圖5 現場監測位移時程曲線

如圖5所示，為云湖隧道現場監測時間-位移時程曲線，整個監測過程持續40天，每個測點收集到20組監測數據.由圖可知，在初期位移近似線性增長，之后逐漸緩慢增長并最終保持相對穩定.以拱頂沉降為例，在0～7天沉降基本保持2.6mm/d的速率，從第8天開始位移變化逐漸緩慢，并在20天前后基本趨于穩定，最終拱頂沉降和水平收斂位移分別為24.78mm和16.43mm.將數值模擬監測到的位移導出，得到如圖6所示，位移曲線所表現的規律與現場監測基本一致，且由表3可知，兩者最終穩定位移值誤差均控制在4.0%以內，說明數值模擬過程的準確性和可靠性.

圖6 數值模擬位移時程曲線

表3 各測點數據對比

3 動載作用下響應分析

3.1 動載作用下位移變化

隧道拱頂及拱底位移變化對分析隧道的穩定性具有重要意義，如圖7所示，將隧道拱頂及拱底的位移提取出來，取向隧道中心方向為正，反之為負.由圖可知，動載作用下拱底向上隆起，且在0～50ms內增長迅速，這是因為平面波在該時間段內穿過隧道底部，對隧道底部產生沖擊作用.觀察拱頂位移可以發現，靜載時拱底和拱頂位移分別為27.94mm和25.12mm，在動載作用下拱頂位移開始向上走動，這是由于隧道內襯砌形成拱效應，在平面波沖擊隧道底部仰拱時，同時對拱墻形成沖擊，造成拱頂位移回縮.最終拱底和拱頂位移分別為90.12mm和5.26mm，相對于靜載時分別增大和減小了2.26倍和0.79倍，說明動載對隧道的位移尤其是對拱底位移產生較大影響，隧道的安全受到威脅，故在設計和使用時應該考慮動載所產生的影響，保證隧道在動載作用下的穩定性.

圖7 動載作用下位移時程曲線

3.2 動載作用下隧道周圍塑性區變化

(a)靜態 (b)10ms

(c)38ms (d)40ms

(e)50ms (f)60ms

分析動載作用下隧道周圍巖體的塑性區變化有利于掌握其受力情況及變化規律，判斷隧道的穩定性及安全性.模型整個計算時長為200ms，在60ms時塑性區基本達到穩定，如圖8所示，分別提取了靜態和動載10ms、38ms、40ms、50ms以及60ms的塑性區圖進行分析.由圖8(a)可知，靜態時，除隧道周圍局部區域受剪外，其他區域均未受力；在10ms時，隧道仰拱下部出現新的受剪區域，但變化不明顯，說明巖體整體穩定性仍較好；在38ms時，仰拱下部剪切屈服區不斷擴大，說明此時應力波已逐漸靠近拱底；在40ms時，塑性區較40ms時繼續向上走動，此時仰拱下部開始出現拉剪區域，原先拱底正下方未擾動的區域均開始產生拉剪屈服；隨著時間的推移，由8(e)可知，50ms時除拱頂上側巖體以外，整個隧道周圍拉剪屈服和剪切屈服范圍均得到擴大，并不斷出現新的拉剪區；60ms時，巖體塑性區基本維持穩定，但從分布來看，隧道巖體周圍3.5m范圍內已發生大面積不同程度的屈服，尤其在仰拱下方更為明顯，這對隧道的穩定性來說是及其不利的，也說明動載對隧道穩定性的影響應給予充分重視.

4 結論

利用FLAC3D數值模擬方法，建立了云湖2號隧道在動載作用下的模型，并基于現場監測數據，分析了其在動靜載作用下的位移及塑性區變化規律，得到以下結論：

(1)由數值模擬監測結果與工程現場監測結果對比分析可知，數值模擬與現場監測結果相近，說明該模擬正確可靠.

(2)動載下隧道拱底和拱頂位移變化明顯，分別為90.12mm和5.26mm，相對于靜載時分別增大和減小2.26倍和0.79倍，對隧道穩定產生不利影響.

(3)動載對隧道圍巖塑性區影響顯著，隨著動荷的傳遞，隧道周圍3.5m范圍內逐漸出現新的剪切破壞和拉剪破壞，并主要發生在拱底下部位置，隧道的穩定性受到威脅.