隧道埋深對(duì)開挖穩(wěn)定性影響分析①

韓 倩

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

0 引言

由于現(xiàn)階段我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、鐵路交通事業(yè)、城市軌道交通事業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是隧道工程技術(shù)的發(fā)展，使得我國(guó)的隧道事業(yè)迅猛發(fā)展.

雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究，并且總結(jié)出來了許多方法，比如說經(jīng)驗(yàn)公式法，反分析預(yù)測(cè)法、模型試驗(yàn)法等，但是隨著隧道的形式越來越復(fù)雜，現(xiàn)有理論很難滿足其建設(shè)的需求.另一方面，開挖過程對(duì)隧道受力變形也有一定影響，更待研究［1－4］.

隧道的埋深越淺，圍巖通常強(qiáng)度較低，在開挖后易產(chǎn)生滑動(dòng)面，出現(xiàn)塑性變形，所以埋深在隧道在開挖過程中的受力變形分析尤為重要.本文運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行建模分析，其采用混合離散法來模擬材料的塑性破壞和塑性流動(dòng)，另外即使模擬的是靜態(tài)系統(tǒng)，也會(huì)采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，使得模擬不穩(wěn)定過程更準(zhǔn)確［5－6］.其主要分析了四種不同埋深模型在其開挖過程中的塑性區(qū)、豎直方向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、豎向位移的變化.

1 工程概況

趙家溝隧道為分離式隧道，其為單洞設(shè)計(jì)，凈寬14.0m，洞凈高 5.0m，長(zhǎng) 252m，最大埋深 69m;右線長(zhǎng)335m，最大埋深58m，圍巖級(jí)別為Ⅴ～Ⅳ級(jí).隧址區(qū)屬于基本穩(wěn)定區(qū)，適宜修建隧道.

隧道進(jìn)、出口溝谷內(nèi)沒有看見有水涌出，鉆孔后也沒有發(fā)現(xiàn)地下水.擬修建隧道的進(jìn)出口處地勢(shì)平緩，沒有明顯的偏壓.

2 數(shù)值建模

2.1 力學(xué)模型

隧道的計(jì)算模型的建立也較復(fù)雜，首先要事先將研究的對(duì)象的幾何形狀、開挖和支護(hù)情況、巖體的力學(xué)特性、初始地應(yīng)力、支護(hù)的力學(xué)特性轉(zhuǎn)變?yōu)榱W(xué)模型，現(xiàn)在的計(jì)算模型主要分為兩類:第一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)為承載，圍巖為荷載;第二類是以圍巖為承載，支護(hù)結(jié)構(gòu)約束和限制圍巖的變形.本論文著重討論軟件建立模型，對(duì)力學(xué)模型的建立不做詳細(xì)分析，只是提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)了解，便于對(duì)數(shù)值模擬模型有更深的認(rèn)識(shí)［7］

圖1 實(shí)體模型

2.2 FLAC3D 模型建立

本文采用通用軟件FLAC3D進(jìn)行有限差分分析.其中根據(jù)所建的實(shí)體的特點(diǎn)用到了三種本構(gòu)模型，包括庫(kù)侖摩爾模型(圍巖)、彈性模型(襯砌)、空模型(隧道)［6］.

下面取埋深為50m的模型為例說明其建模過程，如圖1所示，該模型取隧道掘進(jìn)方向50m范圍為研究對(duì)象，并且取隧道初始橫斷面中軸和上下兩部分隧道的交面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，隧道上下兩部分交面與初始橫斷面的交線為X軸，橫斷面上豎直方向?yàn)閆軸，隧道掘進(jìn)方向?yàn)閅軸.

隧道實(shí)體模型由于對(duì)稱，取一半為研究對(duì)象，模型分成三部分:

1.圍巖部分，隧道X方向取50m米長(zhǎng)，Y方向即隧道長(zhǎng)度，取趙家溝隧道中間的一段50m長(zhǎng)的隧道，Z方向取100米，其中模型高50m.

2.隧道部分模型，隧道的高根據(jù)實(shí)際情況，隧道頂部到原點(diǎn)取為9.2m，仰拱為2.0m，隧道寬取14m，半個(gè)寬度7m.隧道分為了上下兩部分，模型稍簡(jiǎn)化.

3.襯砌部分厚 0.5m.實(shí)體模型共劃分了14500個(gè)單元，16014個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，隧道開挖分為每3m為一個(gè)開挖步，循環(huán)開挖.其它幾個(gè)模型的建立過程類似:

(1)模型1為埋深35m的，Z方向的坐標(biāo)為從－40～35m;

(2)模型2為埋深40m的，Z方向坐標(biāo)為從－40～40m;

(3)模型3為埋深45m的，Z方向坐標(biāo)為從－50～45m;

(4)模型4為埋深50m，Z方向坐標(biāo)為從－50～50m.

除了模型的埋深不同，隧道的尺寸大小都相同，模型的X方向和Y方向的尺寸都相同.

2.3 模型的計(jì)算參數(shù)

模型的計(jì)算參數(shù)的選取參照表1至表2

圖2 模型4塑性區(qū)變化

表1 模型的圍巖參數(shù)

表2 模型的噴漿和襯砌參數(shù)

圖3 隧道開挖中豎向應(yīng)力變化

圖4 最大豎向拉應(yīng)力

3 結(jié)果分析

3.1 塑性變形分析

在開挖過程中模型由于開挖擾動(dòng)受力情況發(fā)生改變，會(huì)產(chǎn)生不同的塑性變形，塑性變形是巖體受力產(chǎn)生的變形，其變形在力卸除后不能恢復(fù).四個(gè)模型的襯砌設(shè)置為彈性模型，塑性區(qū)較少，隨著隧道埋深的增加，塑性區(qū)在增加.對(duì)于每一個(gè)隧道的開挖過程中，其塑性區(qū)也是在不斷變化的，可以由模型4的塑性區(qū)的變化來分析，將在圖2中介紹.

圖5 最大豎向壓應(yīng)力

在圖2中，從模型4的塑性區(qū)的變化可以看出，在隨著開挖步數(shù)的逐漸增加，塑性區(qū)也在不斷增加.塑性區(qū)的存在說明開挖過程中圍巖的變形較大.開挖的第4步即第12m時(shí)，在隧道的拱頂，未開挖的隧道部分和仰拱上部都不同程度出現(xiàn)過剪切破壞，現(xiàn)在處在彈性狀態(tài)，其中在仰拱上部未開挖的隧道部分還正在出現(xiàn)張拉破壞.在開挖到第8步即第24m時(shí)，其中主要是仰拱上部未開挖區(qū)出現(xiàn)不同程度的剪切和張拉破壞，并且拱頂曾出現(xiàn)剪切變形并且現(xiàn)在仍然處于剪切破壞狀態(tài)，上部隧道和圍巖接觸的部分也曾出現(xiàn)剪切破壞.第12步開挖塑性區(qū)的出現(xiàn)基本類似，在第16步開挖結(jié)束后加上了襯砌支護(hù)，所以從圖2中看塑性區(qū)很少只出現(xiàn)在拱頂?shù)牟糠值貐^(qū)和仰拱下部的圍巖區(qū)域.

圖6 開挖過程剪應(yīng)力變化

圖7 最大負(fù)剪應(yīng)力變化

圖8 最大正剪應(yīng)力變化

3.2 豎向應(yīng)力分析

下圖是一個(gè)模型在開挖過程中的豎向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的應(yīng)力云圖結(jié)果:

將各個(gè)模型在開挖過程中的豎向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，繪制成圖表，如下:

圖9 模型3開挖過程豎向位移變化

圖10 最大沉降位移

在圖3中可以看出，隨著隧道開挖過程中卸載，在隧道的頂部也出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域，這是因?yàn)樵诠暗缀凸绊敵霈F(xiàn)的主要為受拉破壞，隧道拱腰主要為受壓破壞.開挖中圍巖的最大豎向壓應(yīng)力出現(xiàn)在隧道側(cè)壁，拱腰部分，隨著開挖的進(jìn)行其最大壓應(yīng)力區(qū)域沿著隧道開挖方向漸漸擴(kuò)大.圍巖的最大豎向拉應(yīng)力出現(xiàn)在了隧道的拱頂部分和隧道未開挖的下半臺(tái)階圍巖，仰拱以上部分，隧道底部隨著開挖的進(jìn)行，其隧道底部的圍巖應(yīng)力在增大.在隧道的頂部和底部極易出現(xiàn)張拉破壞.隧道開挖過程中的最大正負(fù)應(yīng)力也都在增加.

圖11 最大上升位移

從圖4、圖5中的埋深不同的四個(gè)模型對(duì)比中，可以看出，埋深越深，最大應(yīng)力值越大.

3.3 剪切應(yīng)力分析

下面是一個(gè)模型在開挖過程中的豎向剪應(yīng)力的應(yīng)力云圖結(jié)果:

將各個(gè)模型在開挖過程中的豎向剪應(yīng)力的數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，繪制成圖表，如下:

在圖6中看出，隧道開挖過程中會(huì)出現(xiàn)剪應(yīng)力，其中最大負(fù)剪應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱腳下部處部分，最大正剪應(yīng)力出現(xiàn)在隧道側(cè)壁部分，伴隨著開挖的進(jìn)行，隧道側(cè)壁和拱腳下部處的最大剪應(yīng)力的范圍沿著掘進(jìn)方向蔓延，所以推測(cè)在隧道側(cè)壁和拱腳下部處很有可能出現(xiàn)剪切破壞.并且從圖7、圖8中的各個(gè)模型的數(shù)據(jù)對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，隧道的埋深越深，剪應(yīng)力值越大.

3.4 豎向位移分析

下面是模型3在開挖過程中的豎向位移的應(yīng)力云圖結(jié)果:

將各個(gè)模型在開挖過程中的豎向位移的數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制成圖表，如下:

在圖9中看出，隧道的沉降主要出現(xiàn)在隧道上部圍巖，推測(cè)是由于開挖后上部圍巖失去支撐造成，而在隧道下部圍巖出現(xiàn)了豎直向上的位移，推測(cè)可能是由于開挖卸荷引起.在開挖過程中，適當(dāng)?shù)蒯尫乓恍﹪鷰r變形，可以減小其作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞.從圖10、圖11的對(duì)比中，可以看出不同埋深的隧道隨著埋深越大，位移增加越大.

4 結(jié)論

本論文運(yùn)用FLAC3D軟件，采用三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行了不同模型的隧道開挖過程中的豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力、豎向位移分析.得到以下結(jié)論:

1、最大豎向壓應(yīng)力出現(xiàn)在隧道側(cè)壁，拱腰部分，隨著隧道開挖最大壓應(yīng)力沿著開挖方向擴(kuò)大.而豎向最大拉應(yīng)力則出現(xiàn)在了隧道的拱頂部和隧道底部，隧道的頂部和底部極易出現(xiàn)張拉破壞.從各個(gè)模型的對(duì)比圖和采集的數(shù)據(jù)分析中，推斷隧道的埋深越大，豎向應(yīng)力越大.

2、隧道的沉降位移主要出現(xiàn)在隧道上部圍巖，推測(cè)是由于開挖后上部圍巖失去支撐造成，而在隧道下部圍巖出現(xiàn)了豎直向上的位移，這是由于開挖卸荷引起.適當(dāng)?shù)蒯尫乓恍﹪鷰r變形，可以減小其作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，避免支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞.從各個(gè)模型的對(duì)比圖和采集的數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)隧道埋深越大，位移(包括正負(fù)位移)增加越大.

3、開挖中，隧道最大負(fù)剪應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱腳下部處，最大正剪應(yīng)力出現(xiàn)在隧道側(cè)壁部分，推測(cè)在隧道側(cè)壁和拱腳下部處很有可能出現(xiàn)剪切破壞.從各個(gè)模型的對(duì)比圖和采集的數(shù)據(jù)分析中，對(duì)比隧道埋深越大，剪應(yīng)力越大.

通過建立不同埋深的隧道，對(duì)其進(jìn)行開挖全過程的模擬監(jiān)測(cè)分析，掌握了其應(yīng)力的變化規(guī)律，其沉降特點(diǎn)，及可能出現(xiàn)的破壞的形式，加深了對(duì)隧道開挖進(jìn)程的了解，為了更安全有效的隧道設(shè)計(jì)和施工，提供了有利的參考.

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