基于泥質(zhì)砂巖地層隧道施工的數(shù)值模擬分析

收稿日期：2024-01-24

作者簡介：宋玉良（1995—），男，本科，助理工程師，從事隧道及地下工程施工管理方面的工作。

摘要 隧道施工涉及多種地質(zhì)條件和環(huán)境因素。泥質(zhì)砂巖是一種常見隧道圍巖類型，其風(fēng)化程度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要影響。文章以泥質(zhì)砂巖地層為背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬深入分析了風(fēng)化程度對(duì)鐵路隧道施工的影響。研究結(jié)論表明：（1）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的圍巖變形、結(jié)構(gòu)受力敏感性較強(qiáng)，中風(fēng)化次之，弱風(fēng)化最小。（2）圍巖變形對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角的敏感度與風(fēng)化程度成正比。（3）初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力與黏聚力、內(nèi)摩擦角成反比，風(fēng)化程度越高，變化幅度越大。

關(guān)鍵詞 鐵路隧道項(xiàng)目；風(fēng)化泥質(zhì)砂巖；風(fēng)化程度；圍巖變形；敏感度分析

中圖分類號(hào) TU45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0111-03

0 引言

特殊地質(zhì)條件下，隧道施工可能引發(fā)災(zāi)害性后果。泥質(zhì)砂巖含較多黏土礦物，遇水或長期外露易軟化，造成隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。因此，研究泥質(zhì)砂巖地層的特性及其對(duì)隧道施工的影響，對(duì)于優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)和施工方案，防止隧道事故的發(fā)生，具有重要意義。該文通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析隧道結(jié)構(gòu)受力、圍巖變形對(duì)泥質(zhì)砂巖地層風(fēng)化程度的敏感性，為泥質(zhì)砂巖地層隧道施工提供參考[1]。

1 工程概況

某鐵路隧道工程位于低山丘陵區(qū)，地勢(shì)復(fù)雜，植被茂盛，降水量較大，全長2 261.3 m，最大埋深254 m，隧道斷面為雙線圓形，采用臺(tái)階法開挖，拱部采用直徑22 mm的組合中空錨桿支護(hù)，仰拱、側(cè)墻采用噴射混凝土支護(hù)，二襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]。工程主要穿越泥質(zhì)砂巖地層，屬于Ⅴ級(jí)圍巖，基本承載力為450～800 kPa，厚度為42～55 m，親水礦物含量較高，遇水易軟化崩解，可能引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，施工時(shí)曾多次出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

利用FLAC3D軟件對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析泥質(zhì)砂巖的風(fēng)化程度對(duì)其的影響，采用有限差分法處理非線性、大變形問題，描述圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，如圖1所示，為數(shù)值計(jì)算模型的形狀、邊界條件[3]。

圖1 計(jì)算模型圖

模型尺寸為240 m×180 m×240 m，頂部為自由邊界，四周、底部為固定邊界。模型包含178 132個(gè)單元、183 256個(gè)節(jié)點(diǎn)。隧道尺寸為7.87 m×9.8 m，埋深為55.0 m，考慮三種風(fēng)化程度，即強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和弱風(fēng)化，對(duì)應(yīng)不同的物理力學(xué)參數(shù)[4]，如表1所示，參數(shù)依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定，對(duì)比各種風(fēng)化程度下的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性，研究泥質(zhì)砂巖的風(fēng)化程度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響[5]。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算參數(shù)取值

以室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參考，組合黏聚力、內(nèi)摩擦角得到多種工況。該文考慮三種風(fēng)化程度，每種風(fēng)化程度下有20個(gè)工況，總共是60個(gè)工況。計(jì)算參數(shù)的取值如表2所示，對(duì)比不同計(jì)算工況下的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性，分析風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的敏感度。

3.2 結(jié)果及分析

圍巖變形：如圖2所示，為圍巖變形隨黏聚力變化曲線，可以看出圍巖變形與黏聚力成反比，降低速度越來越慢，黏聚力從15.9 kPa提高到27.9 kPa時(shí)，拱頂沉降、仰拱隆起、水平位移的變化分別為?11.6%、?11.7%、?12.9%。對(duì)于中風(fēng)化地層，黏聚力從13.8 kPa提高到21.8 kPa時(shí)，這三個(gè)變形指標(biāo)的變化分別為?20.1%、?19.8%、?21.4%。對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化地層，黏聚力從3.3 kPa提高到7.3 kPa時(shí)，這三個(gè)變形指標(biāo)的變化分別為?31.7%、?32.2%和?31.4%。說明風(fēng)化程度對(duì)圍巖變形的影響很大，風(fēng)化程度越高，圍巖變形對(duì)黏聚力的敏感度越高，變形量越大[6-8]。

采用數(shù)值模擬方法模擬不同風(fēng)化程度（弱、中、強(qiáng)）、不同內(nèi)摩擦角（26 °～60 °）下的圍巖變形情況。由圖2圍巖變形隨黏聚力變化曲線表明：圍巖變形與內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)，即內(nèi)摩擦角越大，圍巖變形越小。同時(shí)圍巖變形與風(fēng)化程度呈正相關(guān)，即風(fēng)化程度越高，圍巖變形越大。此外風(fēng)化程度越高，圍巖變形對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感度越高，即內(nèi)摩擦角的變化對(duì)圍巖變形的影響越大。不同內(nèi)摩擦角對(duì)圍巖變形曲線的影響如圖3所示。內(nèi)摩擦角越大，圍巖變形越小，這一規(guī)律在不同風(fēng)化程度的地層中均有體現(xiàn)。變形曲線包括拱頂下沉、仰拱隆起、水平位移三個(gè)指標(biāo)。內(nèi)摩擦角增加時(shí)，三個(gè)指標(biāo)都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。例如，內(nèi)摩擦角從45 °增加到60 °時(shí)，弱風(fēng)化地層的拱頂下沉、仰拱隆起、水平位移分別降低了8.5%、9.2%和9.2%，說明內(nèi)摩擦角對(duì)圍巖變形有顯著影響，可作為圍巖穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)[9]。

結(jié)構(gòu)受力：數(shù)值模擬計(jì)算不同參數(shù)組合下的初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力。分析結(jié)果顯示初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力均與黏聚力、內(nèi)摩擦角成反比。風(fēng)化程度越高，初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力的變化幅度越大。如圖4～5所示，分別為不同風(fēng)化程度下的初期支護(hù)的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力變化曲線。從圖中可明顯看出上述規(guī)律。當(dāng)黏聚力從0.2 MPa增加到0.4 MPa時(shí)，不同風(fēng)化程度下的初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力分別減小12.9%、20.8%、30.4%；內(nèi)摩擦角26 °～35 °變化時(shí)，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力分別減小34.9%、31.2%、40.8%。

敏感度大小：是指不同工況下的圍巖變形、結(jié)構(gòu)受力對(duì)泥質(zhì)砂巖的物理力學(xué)變化敏感度。分析了不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)砂巖的敏感度，包括強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和弱風(fēng)化[10]，結(jié)果表明：敏感度與風(fēng)化程度呈負(fù)相關(guān)，即風(fēng)化程度越高，敏感度越大，物理力學(xué)變化越明顯。弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的物理力學(xué)變化主要取決于內(nèi)摩擦角，而中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的物理力學(xué)變化主要取決于黏聚力。

4 結(jié)語

綜上所述，該文通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了泥質(zhì)砂巖地層風(fēng)化程度對(duì)鐵路隧道施工的影響。結(jié)果表明，風(fēng)化程度越高，圍巖變形越大，對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的敏感度增加。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖最為敏感，中風(fēng)化次之，弱風(fēng)化最小。結(jié)構(gòu)受力方面，初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力與黏聚力、內(nèi)摩擦角成反比。

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