基于FLAC3D隧道超前孔卸壓影響范圍研究

徐 應(yīng) 中，文 俊，李 超，陳 秉 政

(1.中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072；2、成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

1 概 述

西藏某隧道全長(zhǎng)24.794 km。全隧道共布置兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM，一臺(tái)從隧道中部向上游方向掘進(jìn)，掘進(jìn)長(zhǎng)度約11 km，另一臺(tái)從隧道出口向隧道上游方向掘進(jìn)，掘進(jìn)長(zhǎng)度約13 km。該隧洞施工主要采用雙護(hù)盾TBM獨(dú)頭逆坡掘進(jìn)，開(kāi)挖洞徑為9.13 m，襯砌采用“6+1”型四邊形預(yù)制混凝土管片，管片厚35 cm，襯砌后的隧洞直徑為8.1 m，隧洞為雙車道隧洞，隧洞建筑限界凈寬7 m，凈高4.5 m。

該隧道進(jìn)口高程為3 547 m，出口高程為3 566 m，最大埋深約832 m。隧道圍巖主要為混合片麻巖、花崗片麻巖(表1)，平均抗壓強(qiáng)度為75～90 MPa，石英含量為15%～30%，耐磨性指標(biāo)為4～5.5。

隧道區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，受構(gòu)造擠壓作用，構(gòu)造地應(yīng)力量級(jí)高，最大主應(yīng)力實(shí)測(cè)值為27.2 MPa。

由于高原地區(qū)的巖層地應(yīng)力過(guò)大，將會(huì)給雙護(hù)盾TBM開(kāi)挖造成過(guò)大的擠壓力，因此，我們采用超前鉆孔的方式獲得圍巖應(yīng)力超前預(yù)釋放的效果[1]。超前鉆孔[2]是指在工作面前方一定距離巖體內(nèi)保持有足夠數(shù)量的大直徑鉆孔，用以對(duì)前方圍巖應(yīng)力進(jìn)行釋放。在工作面前方通常有卸壓帶、集中應(yīng)力帶和正常壓力帶[3]。對(duì)于西藏某輸水隧道來(lái)說(shuō)，開(kāi)挖超前孔的目的是為了利用鉆孔卸壓的方式減少TBM盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖的圍巖應(yīng)力。

表1 巖石(體)物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

因此需要研究開(kāi)挖超前孔卸壓的范圍[4]，即應(yīng)力減小的范圍。同時(shí)，數(shù)值模型采用圓柱體，本構(gòu)模型采用蠕變模型(BURGERS黏彈塑性模型)，其材料參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)數(shù)值模型施加的環(huán)向地應(yīng)力為27.2 MPa。

2 超前孔影響范圍的數(shù)值模擬

2.1 超前孔數(shù)值模型

為了研究開(kāi)挖超前孔卸壓的范圍，我們建立了開(kāi)挖半徑為35 mm、外環(huán)圓半徑為開(kāi)挖半徑10倍的數(shù)值模型，以便于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，整個(gè)模型直徑為0.77 m，以此建立蠕變模型用以計(jì)算超前孔卸壓影響的范圍。

2.2 超前孔四周應(yīng)力的對(duì)比

由于需要研究多個(gè)時(shí)間以及多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為了減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，筆者對(duì)超前孔數(shù)值模型進(jìn)行了四周應(yīng)力的對(duì)比(圖1)，然后選擇出一個(gè)應(yīng)力較大的方向?qū)Τ翱仔秹悍秶M(jìn)行研究。

圖1 超前孔四周應(yīng)力對(duì)比圖

由圖1可以看出：所開(kāi)挖的超前孔的四周應(yīng)力基本一致。因此，筆者選擇正Z軸方向的應(yīng)力進(jìn)行開(kāi)挖超前孔卸壓范圍的研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及表1，可以確立FLAC3D中蠕變模型的參數(shù)：Kelvin彈性剪切模量為7.7×1012、Kelvin動(dòng)力黏度為5.5×1011、Maxwell動(dòng)力粘度為3.85×1012、Maxwell彈性剪切模量為8.5×109。在進(jìn)行超前孔數(shù)值模型計(jì)算求解之前，雖然已經(jīng)確定超前孔模型的重要參數(shù)[2]，但還需要確定該超前孔模型的時(shí)間步長(zhǎng)(step)與時(shí)間步(dt)兩個(gè)參數(shù)，因此，還要對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)(step)與時(shí)間步(dt)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行確立。

2.3 超前孔時(shí)間步長(zhǎng)step的選取以及時(shí)間步dt的選取

關(guān)于如何選取時(shí)間步長(zhǎng)step的問(wèn)題[4]，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行選取。先選取真實(shí)的時(shí)間為0.75 d。一系列的真實(shí)時(shí)間組由于采用六套時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行運(yùn)算，必然會(huì)使結(jié)果變成兩組，因此需對(duì)這些真實(shí)時(shí)間組采用同一個(gè)時(shí)間步進(jìn)行運(yùn)算。最終選取了0.75 d作為試驗(yàn)組，并對(duì)該試驗(yàn)組分三組進(jìn)行試驗(yàn)：時(shí)間步長(zhǎng)(step)選取了10 000、50 000步和100 000步，其中時(shí)間步(dt)為：

(1)

對(duì)該試驗(yàn)組進(jìn)行模擬分析得知：對(duì)于該數(shù)值模型，所計(jì)算的真實(shí)時(shí)間為18 h，從計(jì)算模型應(yīng)力的結(jié)果可以看出：三個(gè)組中對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)10 000的圍巖應(yīng)力不能達(dá)到平衡，一直呈波動(dòng)的態(tài)勢(shì)，而時(shí)間步長(zhǎng)50 000以及時(shí)間步長(zhǎng)100 000計(jì)算得到的圍巖應(yīng)力都能達(dá)到平衡。但隨后研究的時(shí)間為3 d，甚至5 d，時(shí)間較長(zhǎng)，因此，可以取step為100 000步，dt由式(1)確定，以此作為超前孔與未開(kāi)挖超前孔應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn)的計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

將超前孔與未開(kāi)挖超前孔的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，以此進(jìn)行超前孔卸壓范圍的研究；因開(kāi)挖半徑為35 mm，為方便數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)，對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)將會(huì)采用開(kāi)挖半徑的倍數(shù)，如35 mm、70 mm、105 mm、140 mm、175 mm、210 mm、245 mm、280 mm、315 mm、350 mm與385 mm。

由圖1可知，四周應(yīng)力基本一致。因此，開(kāi)挖和未開(kāi)挖的監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用沿正Z軸的方向，按上述開(kāi)挖的倍數(shù)布置，以此對(duì)比出超前孔卸壓的范圍。以下為根據(jù)2組不同的時(shí)間：3 d、5 d，由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到的四個(gè)參數(shù)，以及上述確認(rèn)的時(shí)間步長(zhǎng)(step)和由公式(1)所得到的時(shí)間步(dt)計(jì)算得出的結(jié)果見(jiàn)圖2～7。

圖2 3 d開(kāi)挖超前孔與未開(kāi)挖Z軸應(yīng)力的對(duì)比圖

圖3 3 d開(kāi)挖超前孔與未開(kāi)挖X軸應(yīng)力的對(duì)比圖

圖4 3 d開(kāi)挖超前孔與未開(kāi)挖Y軸應(yīng)力的對(duì)比圖

由2.2可知：所開(kāi)挖的超前孔的四周應(yīng)力基本一致，因此，筆者選擇正Z軸方向的應(yīng)力研究開(kāi)挖超前孔的卸壓范圍。根據(jù)2組、6幅圖可以看出：

(1)第一組(3 d)和第二組(5 d)的Z軸、X軸、Y軸方向上的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致；

圖5 5 d開(kāi)挖超前孔與未開(kāi)挖Z軸應(yīng)力的對(duì)比圖

圖6 5 d開(kāi)挖超前孔與未開(kāi)挖X軸應(yīng)力的對(duì)比圖

圖7 5 d開(kāi)挖超前孔與未開(kāi)挖Y軸應(yīng)力的對(duì)比圖

(2)兩組超前鉆孔Z軸方向的應(yīng)力隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)變大而變大，表現(xiàn)為超前鉆孔能夠影響周邊圍巖的應(yīng)力值；

(3)超前鉆孔能夠影響圍巖應(yīng)力的范圍：其影響范圍為超前鉆孔半徑的5～6倍左右，超過(guò)該范圍，雖然超前鉆孔對(duì)圍巖應(yīng)力有影響，但效果不明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)超前鉆孔對(duì)圍巖應(yīng)力的影響呈減小的趨勢(shì)，從而使雙護(hù)盾TBM開(kāi)挖隧道時(shí)其高地應(yīng)力對(duì)其影響能夠減小。

(2)超前鉆孔能夠?qū)鷰r產(chǎn)生影響的范圍為超前鉆孔半徑的5～6倍左右，超過(guò)該范圍雖然超前鉆孔對(duì)圍巖應(yīng)力有影響，但效果不明顯。所取得的數(shù)據(jù)可為今后類似高應(yīng)力、提前釋放部分應(yīng)力、降低高地應(yīng)力參考。