肖擁軍，肖 慧，雷隆賢

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南湘潭市 411201)

隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程圍巖變形機(jī)理的數(shù)值分析

肖擁軍1，2，肖 慧1，雷隆賢1

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南湘潭市 411201)

對(duì)育王嶺隧道出口段建立了三維工程地質(zhì)模型，選取工程巖體力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D軟件分析了四級(jí)圍巖隨著開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的變化特征，模擬結(jié)果表明圍巖的分步支護(hù)過(guò)程對(duì)圍巖應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生了調(diào)節(jié)作用，其中二次襯砌和仰拱施工對(duì)于圍巖應(yīng)力調(diào)整作用明顯，施工后隧洞底部圍巖由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，最大拉應(yīng)力分布區(qū)域轉(zhuǎn)移到了仰拱處，有利于隧道穩(wěn)定。

隧道支護(hù)；圍巖；變形機(jī)理；數(shù)值模擬

0 引 言

隧道建設(shè)場(chǎng)地有比較復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，隧道施工的安全性問(wèn)題從而越顯關(guān)鍵。但隧道施工過(guò)程難以用室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)模擬，因此運(yùn)用數(shù)值模擬的手段來(lái)研究隧道施工成為重要方法。張勇針對(duì)金坪引水隧洞圍巖變形穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)隧洞在大埋深環(huán)境下的圍巖應(yīng)力分布特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[1]；宿文姬等應(yīng)用二維彈塑性有限元分析方法對(duì)阿娜隧道小凈距隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究[2]；張敏等通過(guò)數(shù)值模擬分析研究了淺埋偏壓隧道出口變形機(jī)理[3]；韓健等對(duì)石龍山隧道洞口軟弱泥巖圍巖段動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[4]；唐劍等以忠墊高速公路明月山隧道為例，對(duì)公路隧道開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程中的下圍巖塑性區(qū)的分布進(jìn)行了研究[5]；石堅(jiān)等應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)安徽省六潛隧道的開(kāi)挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了分步開(kāi)挖下圍巖的位移、應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律，支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布及內(nèi)力值分布情況[6]；左清軍運(yùn)用數(shù)值模擬手段對(duì)宜萬(wàn)鐵路堡鎮(zhèn)隧道圍巖在高地應(yīng)力條件下的變形特征及其影響因素進(jìn)行了分析[7]；邵珠山等運(yùn)用ABAQUS軟件，結(jié)合實(shí)際隧道工藝建立了三維有限元模型，數(shù)值分析了隧道開(kāi)挖后拱頂及周邊位移的變化趨勢(shì)，研究了圍巖力學(xué)性能參數(shù)對(duì)隧道變形以及圍巖穩(wěn)定性的影響[8]；張王杰對(duì)關(guān)虎沖隧道工程施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，著重分析了隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形狀態(tài)[9]；侯俊敏等以貴州省晴隆-興義高速公路登攀隧道為工程依托，對(duì)洞口段圍巖變形展開(kāi)研究，研究結(jié)果表明隧道開(kāi)挖引起圍巖變形具有明顯的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)[10]。本文以寧波育王嶺隧道出口段為例，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，研究了隧道開(kāi)挖后支護(hù)過(guò)程圍巖應(yīng)力應(yīng)變的變化特征。

1 工程概況

育王嶺隧道是寧波第一條采用新奧法施工的輕軌隧道，連接北侖區(qū)和鄞州區(qū)，隧道進(jìn)口里程為右K30＋730.000，出口里程為K32＋110.000，隧道全長(zhǎng)1380 m，其中進(jìn)出口各20 m明洞，暗洞1340 m?？缍?1 m，高度9.5 m。隧道出口段圍巖主要有中風(fēng)化流紋斑巖及中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。隧道最大埋深為137 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用超前支護(hù)和復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，鉆爆法施工，實(shí)際施工時(shí)采用了全斷面開(kāi)挖。在隧道爆破出渣通風(fēng)后，立即采用錨噴和噴射混凝土，Ⅳ級(jí)圍巖還需鋪設(shè)鋼拱架和鋼筋網(wǎng)等，對(duì)圍巖作初期支護(hù)。

2 隧道建模

論文選取育王嶺隧道出口段80 m(K32＋40～K32＋120)進(jìn)行建模分析，勘察資料表明K32＋40～K32＋075段圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，主要由中風(fēng)化流紋巖組成；K32＋075～K32＋110段圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，主要由中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r組成；K32＋110～K32＋120為隧洞出口外10 m。為保證計(jì)算消除邊界效應(yīng)的影響，隧道地質(zhì)模型以隧道為中心各向左右50 m，寬到80 m，模型底部平面高程為零。模型長(zhǎng)寬高分別為80，100，70 m，模型底面設(shè)置為固定支座，模型豎向四周限制為對(duì)應(yīng)方向的限制鉸支座。

本文運(yùn)用AutoCAD，Sufer等軟件對(duì)出口段附近建立三維模型[11]，根據(jù)圍巖等級(jí)及隧道施工工序利用ANSYS軟件進(jìn)行工程巖組劃分(見(jiàn)圖1)，分為四級(jí)圍巖、五級(jí)圍巖、加固后四級(jí)圍巖、加固后五級(jí)圍巖、初期支護(hù)、二襯支護(hù)、仰拱等體單元。差分后導(dǎo)入FLAC3D軟件中進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 育王嶺隧道出口段三維工程模型

3 隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程圍巖變形機(jī)理

在三維模型中施加重力得到天然應(yīng)力場(chǎng)后，開(kāi)挖隧道空間得到圍巖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)；根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)圍巖錨噴加固并初期支護(hù)后分析得到圍巖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化；下一步在二襯及仰拱施工后，也模擬分析得到了圍巖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)特征，四級(jí)圍巖選擇K32＋50斷面進(jìn)行分析。

3.1 應(yīng)力場(chǎng)變化特征

四級(jí)圍巖開(kāi)挖未進(jìn)行支護(hù)時(shí)，模擬得到斷面最大主應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖2)，表明在隧洞底部和頂部的一部分形成由應(yīng)力釋放產(chǎn)生的拉應(yīng)力集中區(qū)，而在隧洞的兩側(cè)下部出現(xiàn)了最大壓應(yīng)力集中區(qū)。拉應(yīng)力集中區(qū)、壓應(yīng)力集中區(qū)并不完全對(duì)稱(chēng)，這與隧道地表地形變化有關(guān)。

圖2 四級(jí)圍巖支護(hù)前最大主應(yīng)力云圖

在進(jìn)行圍巖錨噴加固及初期支護(hù)后，隧洞周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)發(fā)生了變化(見(jiàn)圖3)，在隧道開(kāi)挖后頂部產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)消失了，隧洞兩側(cè)下部最大壓應(yīng)力集中區(qū)分布有所縮小，隧洞周?chē)膽?yīng)力變化相對(duì)均勻，說(shuō)明初期支護(hù)工程對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布起了調(diào)節(jié)作用。在初期支護(hù)過(guò)后，可以發(fā)現(xiàn)雖然拉應(yīng)力和壓應(yīng)力有一定程度上的降低，但在底部的壓應(yīng)力集中區(qū)并未得到解決，說(shuō)明需要進(jìn)一步支護(hù)。

圖3 四級(jí)圍巖初期支護(hù)后最大主應(yīng)力云圖

在模擬完成二次襯砌和仰拱之后可以發(fā)現(xiàn)，四級(jí)圍巖應(yīng)力集中的現(xiàn)象大大減少(見(jiàn)圖4)，原本在兩側(cè)底部的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，整體上圍巖所受的最大壓應(yīng)力值得到了減小，隧洞底部圍巖處由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)最大拉應(yīng)力分布區(qū)域轉(zhuǎn)移到了仰拱處。

圖4 四級(jí)圍巖二襯及仰拱后最大主應(yīng)力云圖

3.2 位移場(chǎng)變化特征

模擬分析結(jié)果表明，四級(jí)圍巖開(kāi)挖后隧道變形以垂直方向?yàn)橹?，在隧道開(kāi)挖后未進(jìn)行支護(hù)時(shí)拱頂處豎向最大位移可以到達(dá)0.65 mm，在底部產(chǎn)生的底鼓最大位移將達(dá)到0.87 mm。在經(jīng)過(guò)初期支護(hù)以后可以發(fā)現(xiàn)在四級(jí)圍巖處拱頂最大變形發(fā)生了增長(zhǎng)，達(dá)到了1.12 mm，但產(chǎn)生較大變形的區(qū)域相對(duì)未進(jìn)行初期支護(hù)時(shí)減少了，在底部發(fā)現(xiàn)雖然變形區(qū)域并未發(fā)生改變，但是最大位移減小到0.78 mm，說(shuō)明初期支護(hù)后圍巖應(yīng)力分布發(fā)生了調(diào)整，變形集中到了拱頂處。在經(jīng)過(guò)二次襯砌和添加仰拱之后，可以發(fā)現(xiàn)拱頂?shù)奈灰拼蟠鬁p小到只有0.34 mm，而在底部的底鼓現(xiàn)象也減弱。由應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)仰拱承擔(dān)了較大的應(yīng)力作用，但是由于其強(qiáng)度高抵抗變形能力強(qiáng)，因此最終產(chǎn)生的變形相對(duì)較小。模擬分析得到的變形數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。

4 結(jié) 論

本文利用AutoCAD、Sufer、ANSYS、FLAC3D軟件對(duì)育王嶺隧道出口段建立了三維工程地質(zhì)模型，模擬隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程，并分析了圍巖應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化特征。結(jié)果表明四級(jí)圍巖開(kāi)挖未進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍巖中分布有拉應(yīng)力集中區(qū)、壓應(yīng)力集中區(qū)。初期支護(hù)工程對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布起了調(diào)節(jié)作用。在完成二次襯砌和仰拱之后，四級(jí)圍巖應(yīng)力集中的現(xiàn)象大大減少，隧洞底部圍巖處由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)最大拉應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到了仰拱處，研究結(jié)果對(duì)隧道施工有一定的指導(dǎo)意義。

[1]張 勇，聶德新.金坪引水隧洞圍巖變形穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005，13(4):461-464.

[2]宿文姬，朱仙華，潘 健.小凈距公路隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(2):253-256.

[3]張 敏，黃潤(rùn)秋，巨能攀.淺埋偏壓隧道出口變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(4):482-488.

[4]韓 健，劉山洪，常彬彬.石龍山隧道洞口施工過(guò)程的數(shù)值模擬研究[J].公路隧道，2008(1):14-17.

[5]唐 劍，付 洵，莫陽(yáng)春.明月山隧道施工力學(xué)響應(yīng)FLAC3D數(shù)值模擬[J].路基工程，2008(2):86-88.

[6]石 堅(jiān)，丁 偉，趙 寶.隧道開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬與分析[J].鐵道建筑，2010(02):21-24.

[7]左清軍，吳 立，張良剛，等.隧道圍巖變形特征及其影響因素的數(shù)值模擬[J].鐵道建筑，2012(8):58-60.

[8]邵珠山，李曉照，陳福成，等.大跨軟巖公路隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8(6):1221-1227.

[9]張王杰.關(guān)虎沖隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬與分析[J].采礦技術(shù)，2014，14(1):82-84.

[10]侯俊敏，董 輝.山嶺隧道洞口段圍巖變形特征分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，10(4):818-822.

[11]楊昌才，肖擁軍，鄧 敏.基于放樣和切割的FLAC3D復(fù)雜滑坡建模[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，27(4): 49-54.

[12]中華人民共和國(guó)交通部.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JDG D70-2014)[S].北京:人民交通出版社，2014.

[13]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010-2010)[S].北京:中國(guó)建設(shè)工業(yè)出版社，2011.

2016-03-11)

肖擁軍(1974-)，男，湖南祁東人，博士，副教授，主要從事工程地質(zhì)教學(xué)科研工作，Email:yongjunxiao2002@ 126.com。