淺埋偏壓軟巖隧道數(shù)值模擬及方案比選

程旭東,秦鵬舉

(中國石油大學(xué)〈華東〉儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555)

淺埋偏壓軟巖隧道數(shù)值模擬及方案比選

程旭東,秦鵬舉

(中國石油大學(xué)〈華東〉儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555)

圍巖的應(yīng)力應(yīng)變是分析隧道開挖中圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)。目前比較成熟的隧道施工力學(xué)方法主要是對隧道開挖過程進行數(shù)值模擬。通過大型有限元軟件ANSYS,計算了不同埋深、不同坡度角、不同覆蓋層厚度條件下,馬鞍形淺埋偏壓軟巖隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變,分析其規(guī)律并進行方案比選,確定了此類隧道比較合理的設(shè)計方案。分析結(jié)果表明:以2倍洞徑的埋深作為偏壓隧道深埋或淺埋的判斷依據(jù)是合理的;在保證圍巖穩(wěn)定不發(fā)生片幫冒頂?shù)那疤嵯?減小埋深和覆蓋層厚度是比較合理的;隧道內(nèi)壁各點的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律可以為隧道開挖中支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取提供參考。

淺埋偏壓;軟巖隧道;數(shù)值模擬;方案比選

0 引言

隧道工程建設(shè)中,在隧道洞口或穿越不對稱地形,往往出現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)兩面埋深發(fā)生變化的偏壓現(xiàn)象。如果這種偏壓現(xiàn)象出現(xiàn)在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級的軟巖中,輕則使拱圈發(fā)生不對稱變形,重則會導(dǎo)致隧道塌陷,影響著隧道圍巖的穩(wěn)定性。隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定性還與圍巖的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖石強度、隧道掘進方向與巖層之間關(guān)系、隧道開挖尺寸大小、隧道施工支護等密切相關(guān)[1],其主要分析方法有解析方法和有限元方法。力學(xué)解析方法主要是解橢圓形和圓形隧道在彈性體、粘彈性體等比較理想條件下的解析解,應(yīng)用很有限,并且主要應(yīng)用于求解深埋隧道中的應(yīng)力應(yīng)變,對淺埋隧道分析的較少。由于解析分析方法的局限性,現(xiàn)在很多學(xué)者利用有限元方法對隧道的圍巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬。

本文以馬鞍形隧道為研究對象,用大型通用有限元軟件ANSYS對淺埋偏壓軟巖單孔隧道的圍巖應(yīng)力應(yīng)變進行數(shù)值模擬與方案比選,為隧道設(shè)計和支護結(jié)構(gòu)參數(shù)選取提供依據(jù)。

1 淺埋偏壓軟巖隧道的主要特點

由于線路、地形地貌、地質(zhì)條件等的限制,穿越淺埋偏壓軟弱巖體修建的隧道工程增多。如深圳大梅沙隧道、浙江昱嶺關(guān)隧道和廣東旦架哨隧道等洞口處均是淺埋偏壓軟巖地質(zhì)。以上隧道工程最小覆蓋層不足3 m,而洞徑均在10 m以上。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 70-2004)中深、淺埋隧道分界界限采用2～2.5倍的荷載等效高度[2],以及文獻[3]中采用2倍洞徑埋深作為偏壓隧道深、淺埋界限的判斷標(biāo)準(zhǔn),隧道明顯淺埋,覆土薄;地質(zhì)條件差,靠近地表部分巖體風(fēng)化嚴(yán)重,多呈破碎狀,節(jié)理裂隙發(fā)育,多是砂質(zhì)粘土、碎石粘土等;巖體穩(wěn)定性差,易受施工方法、地下水影響,稍有不慎極易產(chǎn)生坍塌或出現(xiàn)過大的下沉;偏壓影響嚴(yán)重,加大了隧道開挖的難度。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 70-2004)工程地質(zhì)特征和完整性等多種因素對隧道圍巖進行分級,以上隧道工程圍巖主要是Ⅳ、Ⅴ級巖體。開挖前期,通常采用預(yù)先加固的措施,如開挖前注漿、錨桿和管棚等,開挖過程中采用“短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測”等施工技術(shù)措施,保證隧道工程的順利進行[4,6]。

2 建立計算模型

本文以圖1所示偏壓隧道進行數(shù)值模擬,分析不同的隧道埋深H、邊坡的坡度角α、覆蓋層厚度t對隧道開挖中圍巖的應(yīng)力和位移的影響規(guī)律。

圖1 梯形偏壓隧道模型

2.1 模型計算條件及網(wǎng)格劃分

施工中采用全斷面爆破開挖,在程序中采用“生”與“死”單元的功能模擬隧道開挖過程[7],可以達到模擬瞬時開挖的效果,與工程實際開挖過程較為符合。由于隧道長度較長,圍巖模型采用平面應(yīng)變塑性模型,對應(yīng)ANSYS軟件中平面應(yīng)變單元Plane42。模型外形尺寸如圖1所示,隧道寬為11.1 m、高為9.55 m、直邊墻加上圓拱。根據(jù)圣維南原理,兩側(cè)邊的邊界及底邊界≥4倍洞室寬,隧道模型具體尺寸見表1。隧道模型單元的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 測點布置

在以上隧道模型中,為方便分析隧道開挖中應(yīng)力變化規(guī)律設(shè)置觀測點,位置如圖3所示,拱頂及其周圍3個觀測點(點1、2、12),圓拱與側(cè)壁連接處2個觀測點(點3、11),隧道側(cè)壁中間2個觀測點(點4、10)、隧道底部5個觀測點(點5、6、7、8、9)。為方便分析隧道開挖中內(nèi)壁位移變化規(guī)律設(shè)置觀測點,位置如圖4所示。

表1 模型尺寸參數(shù)

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 隧道內(nèi)壁應(yīng)力觀測點布置圖

圖4 隧道內(nèi)壁位移觀測點布置圖

2.3 力學(xué)參數(shù)確定

隧道地質(zhì)條件較差,但是經(jīng)過預(yù)先加固,隧道圍巖可以按Ⅳ級進行模擬,加固圍巖參數(shù)采用等效的方法確定[8],圍巖力學(xué)參數(shù)如表2所示。根據(jù)地質(zhì)條件特點,采用Drucker-Prager屈服模型。對模型兩側(cè)邊界各節(jié)點施加水平方向約束,底側(cè)邊界各節(jié)點施加豎直方向約束,頂面和斜邊均為自由邊界。

表2 模型力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖應(yīng)力分析

3.1.1 埋深H對圍巖應(yīng)力的影響

隧道H20t10a60和H30t10a60的圍巖應(yīng)力云圖分別如圖5、圖6所示。比較2個不同埋深隧道開挖圍巖的應(yīng)力云圖可以看出:隨著埋深增大,拱頂及隧道底部的圍巖壓力增大,拉應(yīng)力范圍擴大;集中應(yīng)力范圍增大,塑性區(qū)范圍亦增大;集中應(yīng)力主要分布于拱頂左側(cè)、右側(cè)壁底部、拱頂和隧道底部處。由兩應(yīng)力云圖還可見,隧道邊坡一側(cè)圍巖應(yīng)力相當(dāng)復(fù)雜,隧道頂部形成的自然拱在邊坡處斷開,說明隧道頂部屬于深埋,而邊坡處則為淺埋。因此,可以通過在隧道頂部及邊坡處均形成自然拱時的埋深和覆蓋層厚度的較小值來判定偏壓隧道的深、淺埋。

圖5 H20t10a60模型應(yīng)力云圖

圖6 H30t10a60模型應(yīng)力云圖

3.1.2 覆蓋層厚度t對圍巖應(yīng)力的影響

隧道H20t10a45和H20t20a45圍巖的應(yīng)力云圖分別如圖7、圖8所示。比較2個不同覆蓋層厚度的隧道開挖圍巖的應(yīng)力云圖可以看出:隨著覆蓋層厚度增大,隧道底部應(yīng)力變小,拱頂及圍巖兩側(cè)壁應(yīng)力急劇增大,右側(cè)塑性區(qū)增大,表明頂部圍巖對隧道壁的應(yīng)力影響增大。由圖8可知,淺埋隧道埋深和覆蓋層厚度基本相同時,拱頂以上圍巖受到較大的拉應(yīng)力,表明此情況拱頂更容易破壞。

圖7 H20t10a45模型應(yīng)力云圖

圖8 H20t20a45模型應(yīng)力云圖

3.1.3 邊坡坡度角α對圍巖應(yīng)力的影響

圖9 H30t20a45模型應(yīng)力云圖

圖10 H30t20a60模型應(yīng)力云圖

隧道H30t20a45和H30t20a60圍巖的應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示。比較2個不同邊坡坡度角隧道圍巖的應(yīng)力云圖可以看出:坡度增大,頂部圍巖松動應(yīng)力增大,圍巖兩側(cè)壁應(yīng)力減小,隧道頂部容易出現(xiàn)塌方;右側(cè)塑性區(qū)減小,表明埋深覆蓋層不變坡度增大時,隧道圍巖所受偏壓影響減小。當(dāng)埋深和覆蓋層厚度較大時隧道圍巖形成自然拱;兩圖圍巖均形成壓力拱,而覆蓋層厚度約為洞徑的2倍。

3.1.4 隧道內(nèi)壁總應(yīng)力變化規(guī)律

以上各模型隧道內(nèi)壁總應(yīng)力如圖11所示。由圖11可知:各模型隧道內(nèi)壁總應(yīng)力變化規(guī)律基本相同,隧道兩側(cè)壁的應(yīng)力較小,隧道底部和拱頂內(nèi)壁應(yīng)力較大,其原因是隧道開挖后拱頂圍巖失去支撐、隧道底部圍巖回彈并抵抗周圍巖體向隧道底部滑移,引起較大拉應(yīng)力;偏壓隧道拱頂右側(cè)總應(yīng)力大于左側(cè),偏壓影響明顯;當(dāng)覆蓋層厚度一定時,隧道埋深減小,拱頂圍巖應(yīng)力減小、隧道底部應(yīng)力增大,表明淺埋隧道隨埋深減小,拱頂坍塌可能性減小,但兩側(cè)巖體發(fā)生滑移的可能性增大;當(dāng)隧道埋深和坡度一定時,覆蓋層增大,拱頂應(yīng)力增大、隧道底部應(yīng)力增大,表明覆蓋層厚度對應(yīng)力起控制作用;比較以上各模型,H20t10a60拱頂應(yīng)力最小且隧道底部應(yīng)力相對較小,是比較合理的設(shè)計方案。

圖11 隧道內(nèi)壁總應(yīng)力圖

3.2 隧道圍巖位移分析

以上各模型隧道內(nèi)壁總位移如圖12所示。由圖12中可知:各種模型分析的隧道內(nèi)壁總位移變化規(guī)律基本相同,隧道兩側(cè)壁的位移較小,隧道底部和拱頂內(nèi)壁位移較大,其原因是隧道開挖后拱頂圍巖失去支撐、隧道底部圍巖回彈并抵抗周圍巖體向隧道底部滑移,引起較大位移;隧道右側(cè)的位移值大于左側(cè),表明隧道偏壓對圍巖位移影響比較大;當(dāng)埋深坡度一定時,隧道覆蓋層厚度越大,隧道底部內(nèi)壁位移越大,拱頂位移越大;當(dāng)隧道覆蓋層和坡度一定時,埋深減小,隧道內(nèi)壁位移減小;比較各模型, H20t10a45隧道拱頂位移最小且底部位移較小,是比較合理的設(shè)計方案。

圖12 隧道內(nèi)壁總位移圖

4 結(jié)論

(1)偏壓隧道開挖后地層中形成自然拱時的埋深和覆蓋層較小者作為深、淺埋臨界深度。以2倍洞徑的埋深作為偏壓隧道深埋或淺埋的判斷依據(jù)是合理的。

(2)通過總應(yīng)力、總位移的計算比較, H20t10a60和H20t10a45設(shè)計方案是比較可行的,這兩種方案模擬表明,在保證隧道圍巖穩(wěn)定的前提下,減小埋深和覆蓋層厚度是比較合理的。

(3)隧道開挖過程中,引起拱頂出現(xiàn)較大位移,要求在開挖結(jié)束后盡早施作初期支護以及二次襯砌,并加強其拱頂部分強度。

(4)圍巖受偏壓的影響,塑性區(qū)除分布在拱頂和隧道底部,還主要分布于拱頂左側(cè)和右側(cè)壁底部,兩處連線基本與坡面垂直。這些區(qū)域需要進行加強,可以根據(jù)具體地質(zhì)條件,采用注漿、管棚等預(yù)先加固措施,保證隧道開挖過程中的穩(wěn)定性。

[1] 朱永全,宋玉香.隧道工程[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2] JTG 70-2004,公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 王立忠,郭東杰.偏壓隧道二次應(yīng)力場分析及應(yīng)用[J].力學(xué)與實踐,2000,22(4):25-28.

[4] 吳煥通,史克臣,劉鳳義.大梅沙隧道洞口段施工技術(shù)[J].世界隧道,1999,(6):36-39.

[5] 周朝長.淺埋偏壓軟弱圍巖連拱隧道穩(wěn)定性研究[D].重慶:重慶大學(xué),2006.

[6] 池楊敏,李長順.淺埋偏壓軟巖大跨隧道進洞施工[J].公路, 2002,(6):6-9.

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[8] 伍振志,傅志鋒,王靜,等.淺埋松軟地層開挖中管棚注漿法的加固機理及效果分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(6): 1025-1029.

Numerical Simulation and Scheme Comparison of Shallow and Unsymmetrical Tunnel in Soft Rock

CHENG Xu-dong,QIN Peng-ju(College of Transport&Storage and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao Shan-dong 266555,China)

Stress-strain of surrounding rock is an important foundation for analyzing the stability of tunnel excavation.The mature tunnelmechanics ismainly to numerically simulate the tunnel excavation at the present.In thispaper,with large fi-nite element software ANSYS,stress-strain of surrounding rock of the saddle-shaped shallow tunnel excavation in soft rock of different depth,slope angle and covering layer thickness are calculated and analyzed,the laws are educed,the schemes is compared and the reasonable scheme is confir med.The results show that:it is reasonable for-times of the tunnel depth as the judgment of deep or shallow unsymmetrical tunnel;it is reasonable to reduce the depth and covering layer thickness on the condition that surrounding rock is stable withoutwall spalling and roof caving.The laws of stress-strain of the sur-rounding rock internalwall in the tunnel excavationmay provide reference to selection of the supporting structure parameter. Key words:shallow and unsymmetrical;soft rock tunnel;numerical simulation;scheme comparison

U45

A

1672-7428(2011)01-0077-04

2010-07-16;

2010-12-13

程旭東(1971-),男(漢族),安徽桐城人,中國石油大學(xué)(華東)副教授,水利工程專業(yè),博士研究生,從事土木工程及油田地面工程結(jié)構(gòu)方面的教學(xué)及科研工作,山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號,chengxd@hdpu.edu.cn。