沖溝走向?qū)Υ罂畿泿r隧道穩(wěn)定性影響研究

劉偉

(陜西省公路局，陜西西安 710068)

0 引言

本文以京新高速公路集寧至呼和浩特段旗下營隧道為研究背景，該隧道區(qū)屬剝蝕丘陵山地地貌，地形起伏較大，進(jìn)出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧道所處工程地質(zhì)情況:隧址區(qū)上覆為第四系更新統(tǒng)坡積成因的粉土、礫砂、粉土及碎石，下伏基巖為上太古界集寧群花崗巖。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，隧道山體沖溝發(fā)育，雨季雨水匯集可產(chǎn)生暫時(shí)性水流。因此在該地區(qū)沖溝對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響較大，有待進(jìn)一步研究。

本文以集呼高速旗下營隧道為依托，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立隧道三維模型，數(shù)值模擬了不同沖溝走向?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，沖溝的存在對(duì)隧道拱頂沉降的影響較大，對(duì)隧道的周邊收斂影響相對(duì)較小。沖溝走向平行隧道軸線方向時(shí)，沖溝對(duì)隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂影響較大。所得結(jié)論可為沖溝密布地區(qū)隧道施工提供理論參考。

1 有限元模型

1.1 隧道開挖支護(hù)工藝

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，隧道采用兩臺(tái)階五步開挖工藝，隧道開挖支護(hù)順序如圖1所示。開挖順序?yàn)?，4，6，8，10;2，3，5，7，9，11為初期支護(hù)，緊跟開挖步施工。上臺(tái)階超前10 m后，上下臺(tái)階按每進(jìn)尺2 m循環(huán)開挖施工。

圖1 隧道開挖支護(hù)工藝（單位：cm）

本文數(shù)值分析時(shí)，上臺(tái)階開挖總進(jìn)尺為40 m，下臺(tái)階開挖總進(jìn)尺為30 m。

1.2 有限元模型及參數(shù)選取

有限元模型采用平面應(yīng)變彈塑性模型，巖體初始應(yīng)力只考慮自重，計(jì)算模型水平方向左右邊界取距隧道左右邊墻50 m，垂直方向邊界取至地表20 m，下邊界取距隧道底面60 m，左右邊界為水平約束，下邊界為垂直約束。

本文就與隧道縱向垂直、與隧道縱向平行兩種沖溝走向進(jìn)行模擬，來分析沖溝走向?qū)λ淼篱_挖后圍巖穩(wěn)定性的影響。圖2給出了橫向沖溝，縱向沖溝，無沖溝隧道的三維模型。模型的縱向長度為40 m。計(jì)算參數(shù)見表1。沖溝是在隧道斷面上部，沖溝上部最大寬度為10 m，深度為15 m。其中與隧道垂直的沖溝所在位置，為溝底距模型開挖進(jìn)口斷面15 m處，與隧道平行沖溝的位置在隧道正上方。

圖2 沖溝不同走向時(shí)網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

本次計(jì)算采用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為:

其中，I1，J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏張量的第二不變量:

α，k分別為與巖土材料內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c有關(guān)的常數(shù)，α，k滿足下列表達(dá)式:

Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則是與Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則準(zhǔn)確匹配的巖土材料塑性屈服準(zhǔn)則，應(yīng)用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則可取得較為精確的結(jié)果。

圍巖初始地應(yīng)力在考慮自重應(yīng)力達(dá)到平衡情況下進(jìn)行開挖模擬。圍巖采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)采用ABAQUS中的具有追蹤功能的單元模擬，錨桿加固區(qū)通過強(qiáng)度等效法進(jìn)行模擬。開挖過程中的應(yīng)力釋放通過強(qiáng)度折減法［1］實(shí)現(xiàn)。

圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1。

2 數(shù)值結(jié)果

2.1 隧道拱頂沉降分析

圖3給出了拱頂沉降沿隧道縱向變化趨勢(shì)圖。由圖3可知，縱向沖溝下的隧道拱頂沉降最大，橫向沖溝下的隧道拱頂沉降最小。

無沖溝情況下，前20 m內(nèi)拱頂沉降值變化不大;由于距掌子面距離的減小，拱頂沉降值隨之降低，特別是22 m處拱頂沉降變化明顯。有橫向沖溝情況下，前14 m內(nèi)拱頂沉降值變化不大，在沖溝位置附近拱頂沉降值顯著降低，而后略有上升。而沿隧道軸線走向的沖溝存在時(shí)隧道拱頂沉降最大，但其沿隧道軸向變化趨勢(shì)與無沖溝情況下基本一致。

圖3 拱頂沉降沿隧道縱向變化趨勢(shì)圖

圖4 水平凈空收斂沿隧道縱向變化趨勢(shì)圖

2.2 隧道周邊收斂分析

圖4給出了水平凈空收斂沿隧道縱向變化趨勢(shì)圖。

由圖4可知，三種情況下，沿隧道軸向邊墻位置收斂值變化趨勢(shì)基本一致，有縱向沖溝時(shí)收斂值最大，橫向沖溝存在時(shí)收斂值最小;邊墻位置水平凈空收斂沿隧道縱向呈階梯形變化。

沿隧道軸向拱腰位置收斂值變化趨勢(shì)亦基本一致，無沖溝時(shí)收斂值最大，縱向沖溝存在時(shí)收斂值最小;拱腰位置收斂值均小于邊墻位置。

3 結(jié)語

本文以集呼高速旗下營隧道為依托，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，數(shù)值模擬了不同沖溝走向?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定性的影響，得到了一些有益結(jié)論。沖溝的存在對(duì)隧道拱頂沉降的影響較大，對(duì)隧道的周邊收斂影響相對(duì)較小。隧道施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)拱頂沉降的監(jiān)控量測(cè)與控制工作。

沖溝走向垂直于隧道走向時(shí)，沖溝對(duì)隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂影響不大。沖溝走向平行隧道軸線方向時(shí)，沖溝對(duì)隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂影響較大。當(dāng)存在平行于隧道軸線方向的沖溝時(shí)需加強(qiáng)圍巖支護(hù)，必要時(shí)可對(duì)沖溝進(jìn)行處理，以保證隧道安全施工。

［1］ 張黎明，鄭穎人，王在泉，等.有限元強(qiáng)度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討［J］.巖土力學(xué)，2007，28(1)：97-106.