隧道軟弱夾層段開挖變形與圍巖應(yīng)力分析

摘要：通過數(shù)值模擬研究隧道建設(shè)推進過程中，軟弱夾層地表的變形規(guī)律和圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，結(jié)果表明：地表橫向沉降位移變化呈“W”形狀，每個階段右線地表沉降小于左線，其中階段III掌子面支撐作用降低；地表縱向沉降位移為最終沉降值的30%左右，當(dāng)監(jiān)測點與掌子面的距離增加至洞寬的1.5倍，地表沉降會趨于穩(wěn)定；模型隧道在開挖后，隧道拱頂應(yīng)力釋放，中夾巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力應(yīng)力集中；拱腰和拱腳的最大和最小主應(yīng)力右側(cè)均大于左測。

關(guān)鍵詞：隧道工程；軟弱夾層；變形規(guī)律；應(yīng)力分析；數(shù)值模擬

0" "引言

鐵路公路建設(shè)不斷發(fā)展，導(dǎo)致隧道工程建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)越來越大，環(huán)境因素、地質(zhì)調(diào)節(jié)都是影響施工的阻礙。為能夠更好的做好預(yù)防措施，許多專家學(xué)者針對該問題開展相關(guān)研究。

田大鵬[1]基于公路隧道軟弱巖層變形開裂問題，推導(dǎo)出圓形隧道支撐作用時效性規(guī)律，并應(yīng)用于實際工程中，通過對公路實際檢測，推導(dǎo)圍巖變形公式，從而預(yù)測圍巖變形規(guī)律。吳佳俊等人[2]基于高原地區(qū)某隧道工程為研究背景，通過數(shù)值模擬對隧道在開挖過程中的位移變化、應(yīng)力因素等情況進行分析，得出開挖階段圍巖的變化規(guī)律。熊鵬等人[3]基于向量理論，構(gòu)建軟巖隧道數(shù)值模型，依托工程實例對模型理論變形和實際變形進行對比分析，并最終得出隧道變形特點。

向?qū)毶降热薣4]基于實際工況，探究松散堆積體隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進行預(yù)防和加固措施，建立數(shù)值模型，對比模型與實際隧道的變化規(guī)律，并依據(jù)模型隧道提出適宜的圍巖加固措施應(yīng)用于實際工況。陳春玲等人[5]以某隧道為研究背景，基于數(shù)值模擬研究不同直徑以及距離下的隧道穩(wěn)定性，得出隧道涌水安全距離為6m，且隧道主要以豎向變形為主要變形方式。王銳等人[6]基于輸水隧道圍巖存在蝕變現(xiàn)象，通過室外試驗探究巖體的基本物理力學(xué)特性以及花崗巖的分布情況，為實際工況提供理論依據(jù)。

本研究以實際工況為研究背景，基于數(shù)值模擬，研究隧道掌子面開挖軟弱夾層時，開挖變形導(dǎo)致的地表沉降和圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，為后續(xù)工程提供參考。

1" "工程概況

本項目全線位于上饒市境內(nèi)，沿線經(jīng)過信州區(qū)、廣豐區(qū)，總體走向為自西北向東南。起點位于沙溪鎮(zhèn)白石村（起點樁號K0+432.086），與德上高速對接并改造現(xiàn)有上饒東樞紐互通，向東南經(jīng)青巖村至東風(fēng)村依次上跨浙贛鐵路、老G320、信江至秦峰鎮(zhèn)管家村設(shè)信州互通，經(jīng)五爪山至路底村后上跨滬昆高鐵隧道沿新G320及山邊布線，跨新G320后至朝陽鎮(zhèn)青石村上跨吳楚大道，經(jīng)紅星水庫西至青金村，設(shè)隧道下穿青金山進入廣豐區(qū)蘆林街道上呈村，經(jīng)苗山村（洋口鎮(zhèn)）至五里居委設(shè)廣豐互通。本文以該處隧道為研究對象。

2" "模型建立

2.1" " 模型及參數(shù)

本文基于數(shù)值模擬軟件對隧道進行開挖特性研究，該模型開挖跨度12m，高度10m。模型上表面取至地表面，長和寬分別為120m和110m。隧道左右橫向距離為15m，橫向邊界距隧道外側(cè)36m，下邊界到洞底跨度為30m。模型軟弱夾層厚度超過1m，軟弱夾層與隧道斷面位置情況如圖1所示。模型建立部分結(jié)構(gòu)采取單元加密形式，模型超過30萬個單元和6萬多個節(jié)點。

由于本研究主要研究隧道軟弱夾層淺埋段的開挖變形情況和圍巖應(yīng)力規(guī)律，模型相關(guān)參數(shù)以勘探結(jié)果和力學(xué)設(shè)計規(guī)范為依據(jù)選用，圍巖物理參數(shù)如表1所示。

隧道模型采用C20濕噴混凝土，由于模型的錨桿和鋼架支護作用，以提升巖土的彈性模量來實現(xiàn)，因此本研究支護選用長度為3m的錨桿，間距150cm×150m，鋼拱架采用工字鋼，間距0.5m。

錨固后圍巖彈性模量一方面受到圍巖影響，另一方面受到錨桿影響，其彈性模量可表示為：

（1）

式中，E'、E以及E1分別為錨固后圍巖、圍巖以及錨桿的彈性模量；S1和S2分別為錨桿的排距和間距；r為錨桿半徑。而鋼架與混凝土支護的彈性模量為：

（2）

式中，Eα、E'α以及Eb分別為混凝土、鋼架與混凝土支護以及鋼架的彈性模量；S3和d分別為鋼架排距和混凝土厚度；A和l分別為鋼架截面面積和錨桿長度。結(jié)合兩種彈性模量，以及勘探資料和設(shè)計規(guī)范，支護后錨桿內(nèi)圍巖的彈性模量為：

（3）

2.2" " 工況應(yīng)用

模型結(jié)合實際工況，以隧道出口端為起點，進口端為終點開挖。模型開挖方式為臺階法，先行洞和后行洞掌子面間距超過20m，上下臺階高分別為6.5m和3.3m，間隔15m。本文主要對先行洞時最淺斷面圍巖變形以及后行洞開挖對先行洞圍巖的影響進行研究，基于此工程實況，模型分段計算，各階段掌子面布置情況如圖1所示，詳細描述如下。

階段I掌子面：先行洞開挖1.5m處，后行洞距離先行洞25m 處。

階段II掌子面：先行洞開挖3m、后行洞開挖3m。

階段III掌子面：先行洞開挖25m、后行洞開挖25m，但后行洞開挖斷面需要經(jīng)過最淺斷面。

該模型通過縱向測線監(jiān)測先行洞圍巖開挖時地表變形和圍巖應(yīng)力情況，其斷面與測線交點位置如圖2所示。

3" "試驗結(jié)果分析

3.1" " 地表沉降變形分析

模型模擬最淺斷面地表橫向沉降位移和縱向沉降位移，對3個階段掌子面位移變化情況進行分析，具體情況如圖3和圖4所示。

由圖3可知，橫向沉降位移變化總體呈現(xiàn)“W”字母形狀。受到軟弱夾層影響，導(dǎo)致左側(cè)沉降值大于右側(cè)，且左線最大沉降偏向于右側(cè)。無論階段I、階段II以及階段III，每個階段右線地表沉降較小，且都小于左線。

由于埋深方面左線相較于右線較淺，只占右線的66%，因此左線斷面含有軟弱夾層3個階段所占比例分別為84%，79%以及92%。其中階段I和階段II的沉降值變化趨勢大致相同，但階段III則明顯不同于階段I和階段II，階段III在開挖后，左線和右線都發(fā)生了較大變化。當(dāng)掌子面穿過最淺斷面時，由于掌子面模擬支撐的作用開始降低，導(dǎo)致左右線增加量占總沉降的60%和 61%。

由圖4可見，階段I和階段II在模型開挖后，其掌子面之前的地表出現(xiàn)一樣的沉降變化，其地表沉降值為掌子面之前拱頂沉降值的90%左右。通過對比分析圖4的階段I、階段II以及階段III可知，地表沉降值為最終沉降值的30%左右。隨著模型掌子面的推進，掌子面的后方出現(xiàn)更大范圍的沉降。當(dāng)監(jiān)測點與掌子面的距離增加，逐漸超過洞寬的1.5倍時，掌子面約束作用會開始減弱，地表沉降也會因此趨于穩(wěn)定范圍。

3.2" " 圍巖應(yīng)力分析

模型掌子面推進過程中，由于巖體情況是不同的，軟弱程度不一，導(dǎo)致隧道圍巖的應(yīng)力變化也有較大差異。本研究以最淺斷面特征點巖體最大和最小主應(yīng)力為對象，分析模型隨掌子面開挖過程中的變化規(guī)律，具體情況如表2和表3所示。

由表2和表3可知，模型隧道在開挖后，隧道拱頂應(yīng)力由未開挖時的149kPa和433kPa，到階段III的257kPa和2kPa，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均大幅減小，屬于應(yīng)力釋放。而中夾巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力明顯增加，屬于應(yīng)力集中。

模型拱腰和拱腳的最大和最小主應(yīng)力都是右側(cè)大于左測，這是由于掌子面推進過程中圍巖切應(yīng)力變大，模型拱腰和拱腳處應(yīng)力集中，隧道右側(cè)應(yīng)力集中更加明顯。隨著模型掌子面的推進，模型拱腰和拱腳的最大主應(yīng)力在逐漸變大，而其最小主應(yīng)力則在逐漸變小。最大主應(yīng)力中，拱腳的應(yīng)力增大幅度遠大于拱腰，但最小主應(yīng)力中，拱腳的應(yīng)力減小幅度則小于拱腰。

4" "結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬并結(jié)合實際工況，研究隧道經(jīng)過軟弱夾層時，地表沉降和圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

地表橫向沉降位移變化呈“W”字母形狀，每個階段右線地表沉降小于左線。開挖階段I和階段II的沉降值變化趨勢大致相同，但階段III在開挖后，掌子面支撐作用降低，左、右線增加量占總沉降的60%和61%。

地表縱向沉降位移變化中，地表沉降值為最終沉降值的30%左右，掌子面的后方出現(xiàn)更大范圍的沉降。當(dāng)監(jiān)測點與掌子面的距離增加到一定值時，地表沉降會趨于穩(wěn)定。

模型隧道在開挖后，隧道拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力均大幅減小，應(yīng)力釋放。而中夾巖的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力明顯增加，屬于應(yīng)力集中。

模型拱腰和拱腳的最大和最小主應(yīng)力都為右側(cè)大于左測，掌子面推進，拱腰和拱腳最大主應(yīng)力在逐漸變大，最小主應(yīng)力會逐漸變小。

參考文獻

[1] 田大鵬.楊林隧道圍巖支護相互作用時效性規(guī)律研究[J].地下空間與工程學(xué)報， 2021，17：616-622.

[2] 吳佳俊，胡祖棟.基于FLAC3D的隧道施工數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測分析[J].工程建設(shè)， 2021，53（11）：66-72.

[3] 熊鵬，饒軍應(yīng)，孔德禹等.基于支持向量機的軟巖隧道大變形預(yù)測模型及應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計， 2021（12）：140-148.

[4] 向?qū)毶剑瑓氰守罚尊?松散堆積體隧道圍巖變形特征及圍巖加固技術(shù)研究[J].公路，2021，12（12）：403-409.

[5] 陳春玲，許培.基于數(shù)值模擬的頂部巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].土工基礎(chǔ)， 2021，35（6）：723-736.

[6] 王銳，胡坤生，張延倉，等.羅田-鐵崗輸水隧洞圍巖蝕變花崗巖特性[J].人民長江，2021，52（6）：79-82.