基于能量法的隧道圍巖松動圈范圍分析

以大梁峁公路隧道和西南某鐵路隧道為依托，使用離散元軟件開展數(shù)值研究，對比分析了通過最小主應(yīng)力分布、最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則、塑性區(qū)分布以及能量法判斷的松動圈深度與規(guī)范建議值的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不論是在層狀軟弱圍巖還是深埋硬巖隧道中，通過能量法判斷的松動圈范圍均與規(guī)范建議值最為接近。

層狀巖體隧道； 硬巖隧道； 圍巖松動圈； 能量法； 離散元

U451+.2A

［定稿日期］2023-05-09

［作者簡介］榮忠樂（1998—），男，本科，研究方向為隧道與地下工程。

0 引言

截至2020年底，我國投入運營的公路、鐵路隧道總里程已達(dá)41 629.3 km，根據(jù)我國重大基礎(chǔ)工程規(guī)劃，當(dāng)前仍有大量的山嶺公路、鐵路隧道在建或代建。我國當(dāng)前山嶺隧道建設(shè)的設(shè)計與施工方法仍以新奧法為主，其主要思想是“巖承理論”。新奧法認(rèn)為隧道開挖時，受到擾動的圍巖會發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生圍巖松動圈，松動圈的大小對圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)的難易程度有重要影響。

當(dāng)前，確定隧道松動圈的方法主要有現(xiàn)場測試、理論分析和數(shù)值模擬。現(xiàn)場測試主要借助地球物理勘探手段實現(xiàn)，但其測試范圍有限，測試結(jié)果僅代表取樣點附近巖體特性，代表性低，測試成本較高；理論分析主要借助彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等，對圍巖塑性區(qū)半徑進(jìn)行推導(dǎo)，但其力學(xué)模型常進(jìn)行了簡化，導(dǎo)致推導(dǎo)結(jié)果與實際存在差異；而數(shù)值模擬法盡管與理論分析方法類似，但具有快捷、簡便的優(yōu)勢，且隨著巖土工程計算程序的發(fā)展，該方法對隧道施工過程的模擬越來越真實，已廣泛應(yīng)用于松動圈研究中。

當(dāng)前，確定隧道松動圈的方法主要有現(xiàn)場測試、理論分析［1］和數(shù)值模擬。現(xiàn)場測試主要借助地球物理勘探手段實現(xiàn)，但其測試范圍有限，測試結(jié)果僅代表取樣點附近巖體特性，代表性低，測試成本較高［2］；理論分析主要借助彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等，對圍巖塑性區(qū)半徑進(jìn)行推導(dǎo)，但其力學(xué)模型常進(jìn)行了簡化，導(dǎo)致推導(dǎo)結(jié)果與實際存在差異［3］；而數(shù)值模擬法盡管與理論分析方法類似，但具有快捷、簡便的優(yōu)勢，且隨著巖土工程計算程序的發(fā)展，該方法對隧道施工過程的模擬越來越真實，已廣泛應(yīng)用于松動圈研究中。

1 層狀軟巖隧道松動圈分析

1.1 工程概況

國內(nèi)某公路隧道單洞長4 300 m，系山嶺雙洞單向直墻分離式隧道，隧道最大埋深為284 m，開挖跨度12.0 m，隧道圍巖主要為Ⅳ級。隧道洞身段為白堊系下統(tǒng)環(huán)河華池組泥砂巖互層，圍巖為中風(fēng)化砂巖，褐紅色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀或中薄層狀，水平層理發(fā)育，鈣質(zhì)膠結(jié)，多與泥巖呈互層產(chǎn)狀，巖體較完整。

1.2 模型建立

本研究取該隧道某埋深為126 m段為研究對象，使用離散元程序建立模型，研究水平層理下公路隧道穩(wěn)定性。根據(jù)圣偉南原理，建立尺寸為80 m×80 m×10 m（寬×高×長）的隧道模型（圖1），隧道斷面簡化為直墻拱，寬12 m，高8.5 m，巖層厚度為0.5 m。模型上邊界自由，下部為固定邊界，將隧道研究段上部巖石等效荷載2.07 MPa作為模型頂部壓力σ1；模型前后左右邊界受位移約束，并施加水平應(yīng)力σ2=σ3于模型前后左右邊界，設(shè)側(cè)壓力系數(shù)為0.3（即σ2=σ3=0.3σ1）。

隧道圍巖采用摩爾-庫倫模型（change cons=2）進(jìn)行計算，巖層節(jié)理模型采用庫倫滑動模型（change jcons=1），巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示，節(jié)理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

1.3 計算結(jié)果與分析

當(dāng)前確定隧道圍巖松動圈范圍的數(shù)值研究可以通過以下方式開展：（1）確定最小主應(yīng)力明顯小于初始應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域，進(jìn)而確定圍巖屈服區(qū)域；（2）巖石在承載過程中應(yīng)變超過極限拉應(yīng)變的區(qū)域為松動圈，即最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則；（3）通過觀察圍巖塑性區(qū)確定松動圈范圍。

為驗證基于能量原理的隧道圍巖松動圈范圍確定方法的可靠性與優(yōu)越性，通過二次開發(fā)編譯圍巖的彈性應(yīng)變能，獲得圍巖的彈性應(yīng)變能密度分布云圖，并與最小主應(yīng)力分布云圖、拉應(yīng)變分布云圖及圍巖塑性區(qū)分布對比，結(jié)果如圖2～圖5所示。

由圖2可知，隧道拱頂、拱肩及底板附近圍巖最小主應(yīng)力約為0.75 MPa，拱頂與底板后方局部圍巖最小主應(yīng)力逐漸增加，較小的最小主應(yīng)力大致呈三角形分布，隧道邊墻處最小主應(yīng)力約為2.0 MPa，邊墻后放圍巖呈最小主應(yīng)力先增加后減小的變化趨勢。對比可以發(fā)現(xiàn)隧道圍巖的最小主應(yīng)力較小值主要分布于拱頂、拱肩及底板位置，即塑性屈服區(qū)域主要在隧道拱頂、拱肩和底板位置。

由圖3可知，隧道輪廓面周圍巖體均有超過0.001的拉應(yīng)變，其中在拉應(yīng)變極大值在隧道拱頂、拱肩及底板位置分布較廣；結(jié)合拉應(yīng)變的分布云圖可以確定，隧道拱頂正上方、底板正下方損傷區(qū)域較深，向兩側(cè)損傷區(qū)域面積明顯減小，隧道左右拱肩、邊墻損傷范圍較廣，自拱肩至墻腳處損傷區(qū)域面積逐漸減小。

由圖4可知，隧道拱頂與底板后方存在呈三角形分布的受拉、受剪破壞區(qū)，隧道拱肩與邊墻處存在由拱肩向兩側(cè)面積遞減的拉剪破壞區(qū)，且該區(qū)域圍巖仍在承受剪應(yīng)力。

由圖5可知，隧道拱頂、拱肩及底板處巖體能量釋放量較高，其彈性應(yīng)變能密度大致處于0～200 J/m2的范圍，拱頂與底板后方巖體能量釋放區(qū)域大致呈三角形分布；自拱肩至墻腳處，隧道圍巖的彈性應(yīng)變能逐漸上升，拱肩與邊墻處彈性應(yīng)變能處于200～600 J/m2的范圍內(nèi)，但仍遠(yuǎn)小于邊墻后方巖體所儲存的彈性應(yīng)變能，邊墻后方巖體彈性應(yīng)變能最大值已超過了1 000 J/m2。

2 結(jié)論

本文基于能量原理，提出了確定隧道圍巖松動圈范圍的能量方法，并使用三維離散元軟件開展數(shù)值研究，驗證了能量法的可靠性。主要結(jié)論如下：隧道開挖應(yīng)力重分布形成松動圈的過程中，松動圈內(nèi)的圍巖將發(fā)生塑性屈服或破壞，并在該過程中釋放能量，因此可通過觀察圍巖彈性應(yīng)變能較初始狀態(tài)的變化情況確定圍巖松動圈的范圍。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉剛， 肖勇卓， 朱俊福， 等. 圍巖松動圈理論計算方法的評述與展望［J］.煤炭學(xué)報， 2021， 46（1）： 46-56.

［2］ 郭延輝， 侯克鵬. 基于圍巖松動圈測試的軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，39（3）：20-24+42.

［3］ Xia H B ， Ying X ， Zhang Y J . Numerical Simulation and Experimental Analysis of Roadway Surrounding Rock Loose Circle under Blasting Vibration［C］// Fourth International Conference on Digital Manufacturing amp; Automation. 2013.