軟弱地層下某隧道圍巖及支護結構穩定性數值模擬研究

2023-12-29 00:00:00零漢能

西部交通科技 2023年6期

作者簡介：零漢能（1977—），工程師，研究方向：公路工程。

摘要：為研究在軟弱地層下開挖單洞隧道時二次襯砌對隧道圍巖穩定性的影響，文章以某單洞鐵路隧道為依托，采取三維有限元軟件對軟弱地層下隧道施加二次襯砌后圍巖穩定性進行了數值模擬分析，結果表明：（1）在施加二次襯砌后，地層的水平應力整體呈條帶狀分布，開挖擾動對地層水平應力的影響較小；（2）當施加二次襯砌后，單洞隧道圍巖的應力集中程度顯著減小，圍巖的整體穩定性顯著提高；（3）當施加二次襯砌后，隧道所處的地層整體變形量均顯著減小，巖體表層的沉降量為0.04 mm，其沉降量可以忽略不計；（4）當隧道進行二次襯砌加固后，圍巖的整體水平變形量均較小，滿足相關的工程設計要求。

關鍵詞：數值模擬；單洞隧道；圍巖變形；二次襯砌；隧道支護

中圖分類號：U456.3A461603

0 引言

隨著我國經濟發展水平的提高和日常運輸需求的不斷增長，高速鐵路隧道建設數量在交通基建中的占比逐年提高^［1^］。而在軟弱地層下進行隧道工程的施工極易造成圍巖失穩，甚至會導致地面產生不均勻沉降，最終影響地下工程的施工安全^［²^］。因此在軟弱地層下進行隧道工程的施工需要采取相應的支護措施以保障圍巖的穩定性，而研究軟弱地層中隧道工程施工時圍巖與支護結構的穩定性對保障地下工程安全施工具有重要的工程價值^［³^］。

由此，國內外眾多學者對軟弱地層下隧道圍巖的穩定性開展了相關研究并得出大量成果^［4^］。姚勇等^［⁵^］提出隧道的間距對地下工程特定位置的溫度場具有一定的影響，并通過數值模擬的手段研究了不同極限間距下隧道的溫度場，通過約束條件與邊界條件確定了寒區隧道的最佳間距。陳秋南等^［⁶^］引入了偏壓率，得出了硬巖隧道的穩定性與偏壓率之間的關系，研究了不同偏壓率情況下隧道的最優尺寸。厲廣廣^［⁷^］利用有限單元法研究了隧道臺階法開挖過程中圍巖的應力場、位移場以及塑性區。李松等^［⁸^］研究結果表明，隨著偏壓率與隧道間距的增大，巖柱上方的沉降量與塑性區最大，

并提出在隧道施工過程中應該優先加固中間夾巖。張帥帥^［9^］研究了縱向開挖程度對圍巖穩定性的影響，從而確定了隧道的最優施工進尺。本文以某單洞鐵路隧道為工程背景，采用FLAC 3D軟件對隧道施加二次襯砌后，圍巖的應力與變形分布情況進行了研究。

1 工程概況與模型的建立

1.1 工程概況

本文以某單洞鐵路隧道為工程背景，各單線隧道列車的設計時速為160 km/h，各線隧道全長均為2 230 m，隧道的最大埋深為86 m。隧道洞身地層的巖性為泥巖與泥砂巖夾層。隧道附近的地表水與地下水均不發育，圍巖的地下水均為孔隙水。隧道圍巖級別為Ⅳ級～Ⅴ級圍巖（見表1）。本隧道所處地質條件較差，大部分為Ⅴ級圍巖，自穩性較弱，對初期支護的要求較高。隧道襯砌根據工程水文地質條件確定，洞門采用25^#鋼筋混凝土模筑襯砌，洞身采用曲墻復合式襯砌并根據具體情況采用錨噴網措施。二次襯砌拱部為預制塊，邊墻、拱腳和仰拱線為模筑混凝土現澆結構，防滲等級為P8。

由于圍巖穩定性較差，所以不能一次開挖，根據工程情況采用上下臺階開挖的方法。在開挖過程中，先開挖兩隧道

拱頂部分，再開挖下側，待初期支護完成后，持續觀測圍巖變形量，在合適的時候進行二次襯砌。這樣既可以保證充分發揮圍巖自承能力，又能減輕二次襯砌圍巖壓力。

1.2 隧道計算模型的建立

隧道洞身輪廓與襯砌結構如圖1所示，其中單洞隧道的襯砌結構的力學參數如表2所示。單洞隧道的輪廓面由三心圓組成，單線隧道的凈高為8 m，凈寬為12 m，其襯砌厚度為50 cm，其初期噴射混凝土厚度與二次襯砌混凝土厚度均為25 cm。本文采用FLAC 3D軟件進行模擬，單洞隧道的圍巖模型長、寬、高三個方向的長度分別為1 m、140 m、64 m。輸入的材料參數列于表2中。圍巖和加固圈采用摩爾-庫侖模型模擬，初期支護和二次襯砌采用彈性模型模擬，圍巖和加固圈和二次襯砌采用實體單元模擬，初期支護采用殼單元模擬。圖2為隧道數值模擬模型圖。

2 隧道二次襯砌穩定性數值模擬結果分析

2.1 二次襯砌后隧道水平應力、應變分布規律

在地下工程施工過程中，開挖卸荷會導致圍巖發生失穩現象，因此需要施加二次襯砌來提高圍巖的穩定性。圖3為施加二次襯砌后圍巖的水平位移云圖，圖4為施加二次襯砌后圍巖的水平應力云圖。

圖3為隧道下臺階開挖后左側隧洞二次襯砌后圍巖的水平位移云圖。由圖3可知，此時隧道二次襯砌后，左右洞圍巖的水平位移規律相似。同時，由圖3可以發現，當施加二次襯砌之后，隧道所處的地層整體變形量均顯著減小，巖體表層的沉降量為0.02 mm，其沉降量可以忽略不計。而施加二次襯砌之后，單洞隧道圍巖的最大水平位移為0.4 mm，均出現在隧道的拱肩處，且距離隧道輪廓面越遠，圍巖的變形量越小。

由圖4可以發現，在距離隧道拱頂與拱底10 m處，地層的水平應力整體呈條帶狀分布，表明此時圍巖基本相對穩定，由于二次襯砌的施加，開挖擾動對地層水平應力的影響較小。由圖4還可以看出，當施加二次襯砌后，在隧道的拱底部分出現了拉應力，且最大拉應力為2 701 Pa；在隧道的拱肩部分出現了最大壓應力，其最大值為0.61 MPa。由上述分析可知，當施加二次襯砌之后，單洞隧道圍巖的應力集中程度顯著減小，圍巖的整體穩定性顯著提高。

2.2 二次襯砌后圍巖塑性區分布規律

單線隧道開挖擾動后會使圍巖與地層發生不均勻沉降，從而導致圍巖發生破壞。而當施加二次襯砌后，襯砌結構會約束圍巖的變形，提高地下工程的穩定性^［10^］。圖5為上臺階開挖后未施加支護結構時圍巖的塑性區云圖，圖6為當隧道開挖后及時施加上臺階支護與二次襯砌后圍巖的塑性區云圖。

由圖5～6可以看出，當上臺階開挖后未進行及時支護時，在隧道輪廓面附近出現了一圈塑性區，在隧道的拱頂部分出現了剪破壞區域，在隧道的拱底與拱腰部分出現了大面積的受壓區域；在進行二次襯砌后，在隧道的其他部分圍巖均未生破壞。當隧道進行二次襯砌加固后，圍巖的整體穩定性均顯著提高，滿足相關的工程設計要求，僅在隧道的拱底部分出現了壓破壞。在實際工程中，可以采用施加仰拱等措施，提高該區域的穩定性。

表3為不同計算步下，單洞隧道支護與未支護情況下的圍巖塑性區面積變化情況。由表3可以看出，隨著開挖后應力的調整，即計算步越大，圍巖的塑性區面積也就越大，當計算步為100步時，圍巖塑性區面積僅僅為4.15 m²，而當計算步增加到2 000步時，圍巖塑性區面積增加到了17.24 m²。在未支護的情況下，圍巖塑性區面積顯著大于支護后圍巖塑性區的面積，當計算步為100步時，未支護情況下的圍巖塑性區面積為4.15 m²，而在施加二次襯砌后，圍巖塑性區面積僅為0.24 m²。

3 結語

本文以某單洞鐵路隧道為工程背景，采取FLAC 3D軟件對軟弱地層下隧道施加二次襯砌后圍巖的穩定性進行了數值模擬分析，得到了如下結論：

（1）在距離隧道拱頂與拱底10 m處，地層的水平應力整體呈條帶狀分布，表明此時圍巖基本相對穩定。

（2）當施加二次襯砌后，在隧道的拱底部分出現了拉應力，且最大拉應力為3 601 Pa；在隧道的拱肩部分出現了最大壓應力，其最大值為0.8 MPa。

（3）施加二次襯砌后，單洞隧道圍巖的最大水平位移為1.6 mm，均出現在隧道的作用拱肩處，且距離隧道輪廓面越遠，圍巖的變形量越小。

（4）在進行二次襯砌后，除隧道的拱底部分出現了部分受拉破壞，在隧道其他部分的圍巖均未發生破壞。

參考文獻

［1］葉飛，姜同虎，張金龍，等.山嶺公路隧道施工技術綜合分析［J］.筑路機械與施工機械化，2011，28（10）：22-29.

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［3］陳文輝，秦峰，陳貴華.小凈距隧道、連拱隧道、普通分離式隧道造價對比分析［J］.公路交通技術，2005（6）：120-122.

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［5］姚勇，何川，謝卓雄.雙線小凈距隧道中巖墻力學特征及加固措施研究［J］.巖土力學，2007（9）：1 883-1 888.