大跨度四線鐵路隧道的圍巖穩(wěn)定性分析

章慧健，仇文革，趙 斌，卿偉宸

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，土木工程學(xué)院，成都 610031;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

大跨度四線鐵路隧道的圍巖穩(wěn)定性分析

章慧健1，仇文革1，趙 斌1，卿偉宸2

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，土木工程學(xué)院，成都 610031;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

采用理論分析和數(shù)值模擬手段，開展跨度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。結(jié)果表明，在開挖后僅出現(xiàn)彈性二次應(yīng)力狀態(tài)條件下，單純的增加隧道開挖跨度而不改變斷面形狀對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響不大，但若開挖后形成塑性區(qū)，則即使不改變斷面形狀，單純加大開挖跨度也會(huì)大大增加塑性區(qū)半徑，影響圍巖穩(wěn)定。通過對(duì)烏蒙山2號(hào)四線鐵路隧道深、淺埋工況毛洞破壞模式的對(duì)比分析，建議淺埋工況支護(hù)以剛度要求為主，減小釋放，控制沉降，深埋工況支護(hù)以強(qiáng)度要求為主，適當(dāng)釋放，變形可控。

鐵路隧道;開挖跨度;圍巖穩(wěn)定性;數(shù)值模擬;四線鐵路隧道;破壞模式

1 概述

隧道開挖的圍巖穩(wěn)定性分析(或開挖力學(xué)特征)是地下工程設(shè)計(jì)、施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響著工程的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。四線鐵路隧道必然帶來大跨度，而大跨度又會(huì)對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性帶來多大挑戰(zhàn)呢?如果按以往“荷載-結(jié)構(gòu)”模式對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，跨度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響是顯著的，一方面荷載在加大，另一方面結(jié)構(gòu)跨度也在加大，兩者都會(huì)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)力。這與地面結(jié)構(gòu)的計(jì)算是類似的，如橋梁、房建中的梁、樓板等。但是地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)不同，地下工程的支護(hù)由圍巖和結(jié)構(gòu)共同組成。文獻(xiàn)［1］指出“單純地加大開挖斷面面積(或跨度)而不改變斷面形狀(如圓形)，洞室穩(wěn)定性不會(huì)發(fā)生改變”。文獻(xiàn)［2］也有類似描述“單純地增大開挖斷面對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性影響不大”等。這與實(shí)際設(shè)計(jì)大跨度隧道支護(hù)參數(shù)的情況是不相吻合的，即使不改變洞室形狀，增加開挖跨度也會(huì)或多或少地需要加強(qiáng)支護(hù)措施。

為說明上述問題，本文首先分析跨度對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響，同時(shí)由于四線車站隧道一般建于隧道出入口，埋深經(jīng)歷了從淺埋到深埋的變化，因此通過對(duì)依托工程烏蒙山2號(hào)隧道四線車站段的毛洞穩(wěn)定性分析，重在考察不同埋深條件下的可能破壞模式，為開挖工法和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

2 跨度對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響

2.1 理論分析

隧道開挖后周圍巖體中的應(yīng)力、位移，視圍巖強(qiáng)度可分為2種情況［3-4］:一種是開挖后的圍巖仍處在彈性狀態(tài);一種是開挖后的應(yīng)力狀態(tài)超過圍巖強(qiáng)度，一部分圍巖處于塑性甚至松弛狀態(tài)，將產(chǎn)生塑性滑移、松弛或破壞。以圓形隧道為例，分析2種情況下的應(yīng)力解析解。

(1)開挖后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)

如圖1所示，根據(jù)半無限體中孔洞問題的彈性理論解，可得圍巖中的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力以及剪切應(yīng)力的計(jì)算公式［3-4］如下

圖1 圍巖應(yīng)力計(jì)算簡圖

分析上式可以看出:隧道周壁的應(yīng)力大小與隧道直徑的大小無關(guān)，而離開隧道周壁其他各點(diǎn)的應(yīng)力大小與隧道直徑和該點(diǎn)離開隧道中心距離的比值有關(guān)。也就是說，對(duì)于圓形隧道開挖后處于彈性狀態(tài)的，單純地加大開挖斷面面積而不改變斷面的形狀，對(duì)洞室周圍的應(yīng)力分布狀態(tài)影響不大，洞室穩(wěn)定性基本不會(huì)改變。

(2)開挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài)

如果隧道所處的原巖應(yīng)力場為靜水應(yīng)力狀態(tài)，即側(cè)壓力系數(shù)λ=1，則塑性區(qū)形狀也是一個(gè)圓形，推導(dǎo)塑性區(qū)半徑 R0為［3-4］

上式指出，隧道開挖尺寸直接影響塑性區(qū)邊界R0，隨著隧道的開挖跨度的不斷增大，塑性區(qū)域也隨之增大。因此，對(duì)于開挖后出現(xiàn)塑性區(qū)的情況，即使單純地加大開挖斷面面積而不改變斷面的形狀，塑性區(qū)也會(huì)隨開挖跨度成倍增加，洞室穩(wěn)定性問題愈顯突出。

2.2 數(shù)值模擬分析

上述理論解析解是在一定假定下進(jìn)行的，其中一個(gè)假定就是“隧道位于一定深度，簡化為無限體中的孔洞問題”，而目前大量的大跨度隧道出現(xiàn)在淺埋條件下，如洞口段的車站隧道，城市淺埋隧道等。此時(shí)，上述理論解假定邊界應(yīng)力均勻分布不再適用，而需考慮重力場的梯度分布影響?；诖?，采用位移邊界條件，利用有限元方法生成自重應(yīng)力場(初始應(yīng)力場)，重點(diǎn)分析淺埋條件下的洞跨影響。

分別對(duì)洞徑為 5，10，15，20，25，30 m 的圓形洞室進(jìn)行彈性和彈塑性平面應(yīng)變計(jì)算，計(jì)算簡圖如圖2所示，覆土厚均取20 m，圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值如下:γ=23 kN/m3、E=6 GPa、ν=0.3，考慮塑性時(shí)取 c=0.1 MPa、φ=30°。

圖2 有限元計(jì)算簡圖

(1)當(dāng)僅按彈性計(jì)算時(shí)，考察點(diǎn)A，B，C(圖3)的切向應(yīng)力集中系數(shù)隨洞徑變化關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出:隧道開挖引起的頂、底部(A、C點(diǎn))切向應(yīng)力相對(duì)于初始地應(yīng)力(水平應(yīng)力)有所減小，即應(yīng)力集中系數(shù)小于1。隨著洞徑增大，A、C點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)變化規(guī)律一致，在洞徑大于20 m后，有一個(gè)減小過程，但變化幅度不明顯。隧道中部(B點(diǎn))切向應(yīng)力集中系數(shù)在2～2.5，且隨著洞徑增大，B點(diǎn)切向應(yīng)力集中系數(shù)增幅不明顯。

因此，可以認(rèn)為彈性應(yīng)力狀態(tài)下洞徑變化對(duì)隧道周壁應(yīng)力狀態(tài)影響不顯著。

圖3 考察點(diǎn)示意

圖4 考察點(diǎn)切向應(yīng)力集中系數(shù)隨洞徑的變化(彈性計(jì)算)

(2)按彈塑性計(jì)算時(shí)，塑性區(qū)深度隨洞徑變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 塑性區(qū)深度隨洞徑的變化

從圖5可以看出，塑性區(qū)深度隨洞徑(開挖跨度)的增大而增大，且從趨勢上看，呈非線性快速增長，洞徑越大，增幅越大，這給大跨大斷面隧道的支護(hù)體系帶來了較大的挑戰(zhàn)。因此，在彈塑性狀態(tài)下，洞徑(開挖跨度)的變化對(duì)開挖后塑性區(qū)深度是較為敏感的，單純加大跨度也會(huì)極大惡化洞室穩(wěn)定性。

綜合理論分析和數(shù)值模擬分析，認(rèn)為開挖后僅出現(xiàn)彈性二次應(yīng)力狀態(tài)條件下(硬巖)，單純地增加隧道開挖跨度而不改變斷面形狀對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響不大;但若開挖后形成塑性區(qū)(軟巖)，則即使不改變斷面形狀，單純加大開挖跨度也會(huì)大大增加塑性區(qū)半徑，影響圍巖穩(wěn)定。

以下對(duì)某一軟巖四線鐵路隧道的毛洞穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 四線鐵路隧道的毛洞穩(wěn)定性分析

依托工程烏蒙山2號(hào)隧道出口四線車站段通過以泥巖、頁巖夾砂巖為主的的軟巖地層，在設(shè)計(jì)文件中將其定為Ⅴ級(jí)圍巖［5］。因此，確保四線鐵路隧道的穩(wěn)定性顯得尤為重要，而毛洞破壞形態(tài)的分析可為確定支護(hù)形式提供思路。

3.1 Terzaghi理論

按照Terzaghi理論，淺埋隧道的破壞模式一般是沿著破裂角整體滑塌，直至地表，如圖6所示。隨著埋深的增加，由于平衡拱作用，破壞不可能一直無限制的發(fā)展到地表，理論上存在一個(gè)臨界深度，超過臨界深度后，即發(fā)生典型的深埋破壞模式，見圖7。臨界深度的確定存在一定困難，主要與圍巖性質(zhì)、洞室形狀和大小等因素有關(guān)，另文討論。本文根據(jù)依托工程的具體情況，分別對(duì)埋深為20 m和120 m兩種工況進(jìn)行毛洞穩(wěn)定性分析，重在討論不同埋深條件下的破壞形態(tài)。

圖6 淺埋破壞模式

圖7 深埋破壞模式

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 計(jì)算說明

數(shù)值計(jì)算模型如圖8所示。計(jì)算范圍:隧道中線左、右各取150 m(5D以上，D為開挖跨度，本工程取24.66 m);仰拱下取至100 m(3D以上);拱頂以上覆土厚:淺埋取為20 m，深埋取120 m計(jì)算;縱向取一個(gè)單位長度。邊界約束為左、右、前、后、下邊界施加相應(yīng)方向的法向約束，上邊界為自由面。圍巖單元采用服從Mohr-Columb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型。只考慮重力場作用。

圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示［6］。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖8 數(shù)值模型(單位:m)

經(jīng)過計(jì)算，由于隧道跨度大、圍巖差，盡管FLAC3D有較優(yōu)秀的大變形計(jì)算能力［7］，但最終以出現(xiàn)單元畸變而無法繼續(xù)計(jì)算，好在無論計(jì)算能否收斂，F(xiàn)LAC3D都能給出當(dāng)前的計(jì)算值。以下對(duì)出現(xiàn)單元畸變前一步(淺、深埋工況分別為54 377、59 657迭代步)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

深、淺埋的拱頂沉降隨計(jì)算迭代步變化曲線如圖9所示。從曲線形態(tài)上看，兩曲線均未見有收斂趨勢，且洞室變形的量級(jí)都在1 m以上，完全可以判斷在沒有支護(hù)的情況下，該隧道勢必失穩(wěn)。

圖9 毛洞拱頂沉降隨計(jì)算迭代步變化

再對(duì)圍巖剪切應(yīng)變進(jìn)行分析。如圖10所示，淺埋工況在破裂角以內(nèi)均有較大剪切應(yīng)變(拱頂?shù)纳钌珔^(qū)域主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變)，且發(fā)展至地表，一旦塌方，有整體坍塌至地表的危險(xiǎn);深埋工況兩條剪切帶沿近似弧線上升，直至近似豎直，拱頂以上一定范圍內(nèi)(圖10(b)中約為2.5D，D為開挖跨度)的巖體有較大的剪切應(yīng)變。

圖10 圍巖剪切應(yīng)變分布

正因?yàn)闇\埋隧道開挖對(duì)地表有較大影響，可能出現(xiàn)隧道本身尚未失穩(wěn)(即強(qiáng)度滿足要求，下同)，而地表變形已經(jīng)超限，因此，建議淺埋隧道支護(hù)以剛度要求為主，減小釋放，控制沉降;而深埋隧道開挖對(duì)地表影響要弱得多，只要隧道本身保持穩(wěn)定，則地表無明顯變形，即使隧道本身失穩(wěn)，也會(huì)最終形成塌落拱，不致波及地表，且由于允許洞室發(fā)生適當(dāng)變形，支護(hù)阻力可減小，因此建議深埋隧道支護(hù)以強(qiáng)度要求為主，適當(dāng)釋放，變形可控。

4 結(jié)論

(1)開挖后僅出現(xiàn)彈性二次應(yīng)力狀態(tài)條件下(硬巖)，單純的增加隧道開挖跨度而不改變斷面形狀(以圓形洞室為例)對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響不顯著，也即不會(huì)對(duì)隧道穩(wěn)定性帶來大的挑戰(zhàn)。北歐無支護(hù)、輕支護(hù)的硬巖大洞室就是成功的案例。

(2)開挖后形成塑性區(qū)的條件下(軟巖)，即使不改變斷面形狀，單純加大開挖跨度也會(huì)大大增加塑性區(qū)半徑，影響圍巖穩(wěn)定。對(duì)于長線狀的交通隧道，往往不可避免地要穿越軟巖地層，因此從雙線隧道到多線隧道，簡單的借鑒設(shè)計(jì)參數(shù)是不合理的，需要充分考慮跨度帶來的不利影響。

(3)通過對(duì)某四線鐵路隧道的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了Terzaghi理論的深、淺埋破壞模式?；谏鲜霾煌茐哪Ｊ?，建議淺埋工況下，支護(hù)以剛度要求為主，減小釋放，控制沉降;深埋工況下，支護(hù)以強(qiáng)度要求為主，適當(dāng)釋放，變形可控。

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Analysis on Surrounding Rock Stability of Large-span Four-track Railway Tunnel

ZHANG Hui-Jian1，QIU Wen-Ge1，ZHAO Bin1，QING Wei-Chen2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University;School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.China railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China)

By means of theoretical analysis and numerical simulation，the influence of the span length on the surrounding rock stability was researched.The results indicate that if only the elastic secondary stresses occurred after the excavation，the influence on the surrounding rock stress state would be little by merely increasing the tunnel span length without changing the section shape.But if the plastic zone occurred after the excavation，and even if the section shape were not changed，the radius of the plastic zone would be increased by merely increasing the excavation span length，and consequently the surrounding rock stability would be weakened.Moreover，based on the example of Wumengshan No.2 railway four-track tunnel，the comparative analysis of the failure modes of unlined tunnels was conducted between the deeply-buried case and the shallow-buried case.The result suggests that for the shallowly-buried case，the support system should be dominated by the rigidity requirements，so as to reduce the release and control the settlement;while for the deeply-buried case，the support system should be dominated by the strength requirement，with the appropriate releasing and controllable deformation.

railway tunnel;excavation span length;stability of surrounding rock;numerical simulation;four-track railway tunnel;failure mode

U451+.2

A

1004-2954(2013)10-0093-04

2013-03-13;

2013-04-14

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G016-H);國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51208437);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(SWJTU11ZT33);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT0955)

章慧健(1982—)，男，講師，E-mail:huijianz@163.com。