基于有限元的隧道圍巖穩(wěn)定性分析

作者簡(jiǎn)介：

林博文（1988—），工程師，主要從事公路橋梁施工監(jiān)理工作。

在隧道工程中，隧道圍巖的穩(wěn)定性至關(guān)重要，影響著隧道勘察、設(shè)計(jì)和施工的整個(gè)階段。為了保證隧道建設(shè)過(guò)程中的安全、經(jīng)濟(jì)及其他問(wèn)題，研究圍巖的穩(wěn)定性有著重要的工程意義。文章以廣西某地隧道工程為依托，運(yùn)用MIDAS/GTS軟件，基于應(yīng)力應(yīng)變假設(shè)條件，對(duì)開(kāi)挖后隧道三維及襯砌二維受力和位移進(jìn)行分析，得出隧道圍巖穩(wěn)定性計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差異性及原因，并提出對(duì)應(yīng)措施進(jìn)行有限元結(jié)果的論證。分析結(jié)果表明：圍巖主應(yīng)力較大，使得拱頂出現(xiàn)較大下沉，拱底區(qū)域出現(xiàn)隆起，最大隆起值為3.7 mm。

隧道工程;圍巖穩(wěn)定性;有限元分析;位移

U451+.2A491754

0 引言

隧道圍巖是指隧道體開(kāi)挖后隧洞周?chē)欢ǚ秶耐粒◣r）體，其對(duì)隧道的穩(wěn)定性有影響。它是主要的承載單元，是圍巖穩(wěn)定性的研究對(duì)象，對(duì)隧道工程的安全起著重要作用。由于地質(zhì)災(zāi)害、隱患工程危害等原因，隧道坍塌事故時(shí)有發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)圍巖穩(wěn)定性研究做了很多探索。

周光裕[1]等基于最小安全穩(wěn)定系數(shù)的方法對(duì)整個(gè)隧道體內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定性測(cè)量分析，基于隨機(jī)力學(xué)理論，考慮第二主應(yīng)力對(duì)整個(gè)隧道體內(nèi)圍巖整體穩(wěn)定性的直接影響，得出在內(nèi)摩擦角發(fā)生變化時(shí)，其產(chǎn)生失效角的概率也是發(fā)生變化的，即隧道圍巖體的穩(wěn)定性也是發(fā)生變化的。王建宗[2]等基于博弈的理論-隧道可行性拓云評(píng)價(jià)模型，得出該評(píng)價(jià)模型中的評(píng)價(jià)結(jié)果與隧道工程實(shí)際情況相當(dāng)，考慮了在傳統(tǒng)隧道經(jīng)典域中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性與時(shí)間隨機(jī)性，避免了指標(biāo)隸屬于但同時(shí)已登記的各種弊端，并通過(guò)計(jì)算得出不同隧道等級(jí)的綜合概率從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)整個(gè)隧道群的穩(wěn)定性。對(duì)于軟弱泥巖基于隧道塑性圍巖的流動(dòng)穩(wěn)定性，武亞遵[3]等基于圍巖強(qiáng)度計(jì)算折減法，得出三四級(jí)臺(tái)階臨時(shí)開(kāi)挖仰角傾拱法對(duì)其穩(wěn)定性的影響系數(shù)較大，塑性圍巖區(qū)流動(dòng)面積較小，為最安全適宜的隧道開(kāi)挖仰拱方法，穩(wěn)定性最好。本文主要結(jié)合筆者和前人研究報(bào)告內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合應(yīng)用有限元分析軟件MIDAS/GTS對(duì)我國(guó)隧道基層圍巖工程穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為我國(guó)相關(guān)隧道工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及施工管理提供重要參考。

1 施工方案

本文隧道工程施工方案采用新奧法施工。新奧法的優(yōu)點(diǎn)在于可以進(jìn)行隧道的全斷面開(kāi)挖以及及時(shí)的“噴混+錨桿”支護(hù)，使得隧道圍巖能快速地與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)穩(wěn)定整體，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使施工過(guò)程更安全，效率更高[4]。

2 應(yīng)力狀態(tài)和參數(shù)

隧道工程開(kāi)挖后的整體應(yīng)力作用狀態(tài)，一般可以分為兩種基本情況：一種情況是指在開(kāi)挖后內(nèi)壁隧道的二次工程應(yīng)力處理狀態(tài)下具有一定彈性，在這種二次應(yīng)力處理狀態(tài)的情況下，除因山體爆破、地質(zhì)活動(dòng)原因和隧道施工處理方法等其他自然因素的干擾下所帶來(lái)的隧道圍巖破裂掉塊，圍巖還必須具備一定的整體性，僅需要采用高壓噴射墻體混凝土施工即可;另一種是內(nèi)壁隧道的二次工程應(yīng)力處理狀態(tài)下只存在一個(gè)塑性支護(hù)區(qū)，施作隧道襯砌后，襯砌不能起到阻止隧道圍巖內(nèi)施作適當(dāng)高度變形的保護(hù)作用，反而可能會(huì)對(duì)隧道襯砌內(nèi)的受力不利，隧道二次應(yīng)力重塑性分布的過(guò)程伴隨隧道圍巖的變形不斷發(fā)展，產(chǎn)生向構(gòu)成隧道外的內(nèi)壁圍巖移動(dòng)的應(yīng)力趨勢(shì)就會(huì)造成內(nèi)壁隧道洞徑減小，使得隧道圍巖內(nèi)的塑性支護(hù)區(qū)位移范圍逐漸變大，而必需的塑性支護(hù)區(qū)間阻力越小。由于隧道塑性支護(hù)區(qū)位移范圍與構(gòu)成隧道內(nèi)壁圍巖洞徑位移高度有關(guān)，因而隧道支護(hù)區(qū)的阻力也必然與圍巖位移有關(guān)[5-6]。

3 建立模型

3.1 計(jì)算假定

建立模型時(shí)，采用以下計(jì)算假定：

（1）巖體變形是各向同性的。

（2）巖體參數(shù)及襯砌認(rèn)為是彈塑性的。

（3）應(yīng)變受力和適應(yīng)變形一般認(rèn)為受力是指在平面上的應(yīng)變能力問(wèn)題。

（4）不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，僅考慮自身自重應(yīng)力場(chǎng)。

3.2 有限元建模

本文以廣西地區(qū)某高速公路路段一側(cè)的隧道開(kāi)掘?yàn)橹饕芯繉?duì)象。隧道最大道路橫斷面深度開(kāi)挖寬度為12.5 m，最大隧道豎向深度開(kāi)挖深度設(shè)計(jì)為7.5 m。選取符合幾何力學(xué)模型的隧道尺寸設(shè)計(jì)為：隧道橫向開(kāi)挖長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為90 m，縱向開(kāi)挖長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為20 m，豎向高度為60 m，采用每根錨桿連接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4 m，共13根，每根采用錨桿之間的連接弧長(zhǎng)為1.8 m。圍巖與巖土支護(hù)隧道結(jié)構(gòu)模型材料設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1及表2，隧道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其屬性材料參數(shù)見(jiàn)表3，建立的隧道有限元結(jié)構(gòu)模型中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示[7-8]。

4 數(shù)值分析

根據(jù)有限元模型得出的隧道位移及變形圖，為更加準(zhǔn)確地研究隧道圍巖的穩(wěn)定性，特對(duì)隧道橫斷面取關(guān)鍵控制點(diǎn)，控制點(diǎn)位置如圖2所示。

4.1 圍巖應(yīng)力分析

由圖3可知，在環(huán)繞隧道主體輪廓的左側(cè)拱腳處再次出現(xiàn)最大應(yīng)力云的集中移動(dòng)現(xiàn)象，在右側(cè)側(cè)拱的主腳拱底處再次出現(xiàn)最大主應(yīng)力大約為1.4 MPa，在左側(cè)拱底處再次出現(xiàn)最小主應(yīng)力大約為0.13 MPa。在隧道施工管理過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道圍巖掌子面支護(hù)施工尚未完成時(shí)，及時(shí)施作隧道噴混及砂漿錨桿應(yīng)力支護(hù)，可減少墻壁應(yīng)力減小帶來(lái)的隧道圍巖向斜及隧道內(nèi)墻壁變形等問(wèn)題。同時(shí)，伴隨著隧道圍巖與錨桿支護(hù)主體結(jié)構(gòu)的變形成拱結(jié)合效應(yīng)，隧道的墻壁應(yīng)力也會(huì)逐漸減小。

4.2 圍巖位移分析

圖4為隧道的位移云圖。

由圖4可知，在拱頂出現(xiàn)最大沉降值3.5 mm，在拱底區(qū)域發(fā)生隆起，最大隆起值為3.7 mm。隨著隧道土體的開(kāi)挖，由于隧道頂部圍巖的脫空，造成一定的變形，而隨著噴混及錨桿支護(hù)的施作，位移逐漸減小，最終伴隨著成拱效應(yīng)，隧道圍巖逐漸穩(wěn)定。

當(dāng)一次開(kāi)挖工作完成后，在二次開(kāi)挖時(shí)斷面頂部和底部均會(huì)出現(xiàn)基層應(yīng)力強(qiáng)度集中狀態(tài)現(xiàn)象，隨著基層噴射鋼筋混凝土及沖壓鋼筋網(wǎng)等襯砌支護(hù)施作措施的陸續(xù)完成，頂部的應(yīng)力強(qiáng)度集中狀態(tài)現(xiàn)象也將得到有效的緩解。當(dāng)整個(gè)開(kāi)挖斷面的二次凝土襯砌支護(hù)施作進(jìn)行完畢后，除底部區(qū)域應(yīng)力較為明顯外，其他部分區(qū)域均仍然處于低強(qiáng)度應(yīng)力集中狀態(tài)，如圖5～6所示。

通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)隧道的變形值進(jìn)行分析，如圖7～8，可知隧道有限元分析的變形值大于實(shí)測(cè)值，大致有以下幾點(diǎn)原因：

（1）測(cè)量滯后的影響，一般情況下，隧道施工過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的必要性，往往在隧道掌子面開(kāi)挖完成后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)量測(cè)工作，這就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有所差距;

（2）參數(shù)的選取，強(qiáng)度準(zhǔn)則的確定對(duì)于圍巖參數(shù)的選擇有很大的影響，不同的準(zhǔn)則帶來(lái)的參數(shù)的不同會(huì)得出不同的分析結(jié)果，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)對(duì)塌方隧道的大量觀測(cè)實(shí)踐理論研究，為有效減小二者觀測(cè)誤差，使觀測(cè)理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛴休^好地吻合，可提供下述幾點(diǎn)參考意見(jiàn)：

（1）在觀測(cè)隧道塌方圍巖的重點(diǎn)區(qū)段落石處，應(yīng)及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)進(jìn)行量化觀測(cè);

（2）及時(shí)查看隧道掌子面塌方圍巖變形狀況，適當(dāng)調(diào)整變形參數(shù)值并進(jìn)行多次材料模擬后的分析與統(tǒng)計(jì)比較;

（3）一般由于未準(zhǔn)確計(jì)入塌方圍巖的隧道開(kāi)挖初始值的變形參數(shù)值，等效值的彈性模量較大，該變形值可直接參照開(kāi)挖終測(cè)時(shí)的相反模量分析觀測(cè)值;

（4）對(duì)于一些隧道塌方圍巖觀測(cè)級(jí)別較差的地段，由于隧道塌方后的落石隨時(shí)都有可能重復(fù)出現(xiàn)，及時(shí)調(diào)整測(cè)量落石點(diǎn)有困難，在進(jìn)行有限元材料模擬時(shí)，觀察隧道圍巖巖層破碎或同時(shí)加入淤泥后的夾渣落石情況以及超前觀測(cè)預(yù)報(bào)落石情況，可根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整選取相關(guān)參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）運(yùn)用MIDAS/GTS軟件，基于應(yīng)力應(yīng)變假設(shè)條件，對(duì)開(kāi)挖后隧道三維及襯砌二維受力和位移進(jìn)行分析，得出隧道圍巖穩(wěn)定性計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差異性并闡述原因，提出對(duì)應(yīng)措施得到有限元結(jié)果的論證，為類(lèi)似隧道工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。

（2）在顯示隧道拱底輪廓的左側(cè)拱腳處底部出現(xiàn)最大應(yīng)力值的集中隆起現(xiàn)象，在右側(cè)主拱的柱腳中央處底部出現(xiàn)最大主應(yīng)力，在隧道拱底中央?yún)^(qū)域底部發(fā)生輕度隆起，最大發(fā)生隆起應(yīng)力值為3.7 mm?？稍谀壳八淼绹鷰r掌子面澆筑施工尚未完成時(shí)，及時(shí)開(kāi)始施作隧道噴混及其他錨桿結(jié)合支護(hù)，減少墻壁應(yīng)力減小帶來(lái)的隧道圍巖向斜及隧道內(nèi)墻壁變形等問(wèn)題。同時(shí)，伴隨著隧道圍巖與錨桿支護(hù)主體結(jié)構(gòu)的變形成拱結(jié)合效應(yīng)，隧道的墻壁應(yīng)力也可能會(huì)逐漸減小。隨著當(dāng)時(shí)隧道頂部土體的持續(xù)開(kāi)挖，由于隧道頂部整體圍巖的持續(xù)脫空，造成一定的位移變形，隨著隧道噴混及隧道錨桿整體支護(hù)的持續(xù)施作，位移逐漸會(huì)減小，最終還是伴隨著土體的成拱效應(yīng)，隧道頂部圍巖逐漸穩(wěn)定。

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