膨脹土隧道變形破壞的數(shù)值模擬

孫柏林 王壽治 路 為

(1.保宜高速公路建設(shè)指揮部，湖北宜昌 444200;2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南 250063)

膨脹性土是一種具有明顯脹縮性和多裂隙的黏土，其對含水量十分敏感。具有遇水膨脹且失水收縮的顯著特點，因此，膨脹性土對工程建設(shè)造成惡劣的影響，且具有反復(fù)性和長期潛伏性。在膨脹性土地區(qū)進(jìn)行隧道工程建設(shè)是工程界公認(rèn)的世界性難題，并且已經(jīng)引起施工和科研單位的廣泛重視。膨脹性土普遍分布在華北、華南等地區(qū)［1］。而這些地區(qū)又處于工程建設(shè)的繁榮期，由此引發(fā)的工程災(zāi)害給工程建設(shè)已經(jīng)造成了難以估計的嚴(yán)重?fù)p失。由于膨脹性土存在多變性和復(fù)雜性，造成的工程建設(shè)災(zāi)害表現(xiàn)形式也復(fù)雜多變，因此膨脹性土災(zāi)害問題至今尚未根本性解決。在高原區(qū)修建隧道工程的過程中，不可避免的遇到膨脹性土。如何更好地預(yù)防并且治理膨脹性土帶來的災(zāi)害，成為亟需解決的科研問題和施工問題［2］。膨脹性土是典型非連續(xù)介質(zhì)的一種。通常采用模擬連續(xù)介質(zhì)的有限元或有限差分法等對膨脹土的變形演化進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬效果不理想，無法直接的呈現(xiàn)非連續(xù)介質(zhì)的變形演化［3］。本文采用離散單元法商用計算軟件UDEC能很好的模擬膨脹土土質(zhì)隧道變形失穩(wěn)破壞全過程［4］，能夠直觀的呈現(xiàn)膨脹性土作為非連續(xù)介質(zhì)的變形規(guī)律。

1 UDEC簡介

離散元數(shù)值分析軟件UDEC(Universal Distinct Element Code)是美國ITASCA公司基于離散單元法開發(fā)的大型商業(yè)數(shù)值分析軟件。利用顯式差分法，成為結(jié)構(gòu)工程、巖土工程等提供科學(xué)高效的數(shù)值分析處理工具。UDEC能夠應(yīng)用于邊坡的失穩(wěn)破壞、巖土裂隙節(jié)理發(fā)育和地質(zhì)構(gòu)造斷層等各個巖土工程及地下工程領(lǐng)域［5］。作為基于離散元方法的數(shù)值模擬工具，UDEC是一種理想的數(shù)值模擬軟件，它可以在二維空間內(nèi)科學(xué)詳細(xì)、直觀地描述表現(xiàn)離散非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)變形特征［6］，且也可以用于研究顆粒狀物質(zhì)的細(xì)微破裂、裂隙擴(kuò)展破壞等微觀和細(xì)觀巖體力學(xué)問題［7］。運用UDEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的具體流程見圖1。

2 模型建立與參數(shù)選取

根據(jù)某典型膨脹性土質(zhì)隧道地質(zhì)情況資料及山體前期塌方斷面的揭示，研究發(fā)現(xiàn)該膨脹性土隧道所處的山體主要存在3組結(jié)構(gòu)性節(jié)理，并且埋深越淺，表面節(jié)理越發(fā)育。因此，使用JSET命令，在隧道圍巖內(nèi)隨機(jī)生成3組節(jié)理，其具體參數(shù)參見表1。根據(jù)前期的地質(zhì)勘查資料，隧道開挖穿過的地層包含大量膨脹性土，其力學(xué)參數(shù)見表2。模擬中用到的節(jié)理裂隙參數(shù)和裂隙面的參數(shù)(徑向剛度、法向剛度、粘聚力、裂隙寬度等)無法通過現(xiàn)有實驗獲得，依據(jù)工程經(jīng)驗及工程類比進(jìn)行賦值分析。數(shù)值模型所使用的節(jié)理裂隙參數(shù)主要參考相關(guān)文獻(xiàn)［9］，具體參數(shù)見表3。該隧道洞內(nèi)使用C25噴射混凝土，采用Ⅰ20b型鋼，相關(guān)參數(shù)見表4。

圖1 UDEC的數(shù)值模擬計算過程

表1 節(jié)理參數(shù)表

表2 數(shù)值模擬巖層材料力學(xué)參數(shù)

表3 數(shù)值模型的巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)

表4 C25噴射混凝土與Ⅰ20b型鋼參數(shù)

主要模擬膨脹土隧道在開挖釋放荷載作用下，受到鄰邊坡失穩(wěn)滑移的嚴(yán)重影響，從而對圍巖產(chǎn)生額外荷載，導(dǎo)致隧道發(fā)生變形坍塌這一過程。隧道圍巖的本構(gòu)模型采用摩爾—庫侖模型，節(jié)理的本構(gòu)模型采用庫侖滑動模型。選取DK75+230斷面參數(shù)作為數(shù)值模型的初始邊界條件。模型底邊邊界、側(cè)向邊界添加法向約束，上表面處理為自由邊界。按自重應(yīng)力場添加地應(yīng)力，側(cè)向壓力系數(shù)取0.295。模型尺寸為115 m×113 m。

3 計算結(jié)果分析

UDEC進(jìn)行數(shù)值模擬膨脹性土質(zhì)隧道計算時，由于圍巖中節(jié)理裂隙的存在，基于非連續(xù)介質(zhì)的膨脹性土模擬計算結(jié)果，因此與基于有限元的數(shù)值模擬軟件和基于連續(xù)介質(zhì)模擬進(jìn)行的數(shù)值計算差別顯著。如圖2所示初始地應(yīng)力平衡之后，模型的豎向地應(yīng)力syy的大小分布，并不是像有限元計算軟件所給出的嚴(yán)格的隨深度而規(guī)律性變化，而是局部呈現(xiàn)跳躍間斷變化。

在計算變形失穩(wěn)破壞、隧道塌方時，塊體間相互運動分開。在不平衡力下，軟件無法控制坍塌效果的顯示。因此通過穩(wěn)態(tài)計算，即人工設(shè)置計算時步，控制整個計算過程。圖3是隧道模型計算step 50 000步隧道穩(wěn)定后效果圖。

圖2 初始豎向地應(yīng)力syy大小分布

圖3 隧道失穩(wěn)塌方模擬結(jié)果

由圖3可以看出，開挖結(jié)束后，鄰近邊坡的滑移作用，對淺埋隧道施加了很大的額外荷載。并且荷載進(jìn)一步作用在隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上，從而造成型鋼屈曲變形。數(shù)值模擬結(jié)果表明:隧道頂部襯砌變形量達(dá)到1.2 m，并出現(xiàn)局部掉塊，向凈空方向發(fā)生較大變形。由此引起的進(jìn)一步失穩(wěn)破壞，進(jìn)而影響到地表沉降，使得上部圍巖在受自重和額外荷載擠壓共同作用后，垂直陷落入隧道開挖的凈空區(qū)域，進(jìn)而掩埋初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。黑框部分為原隧道位置，局部放大如圖3所示。

在考慮開挖應(yīng)力釋放的因素下，隧道圍巖天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致開挖區(qū)域附近應(yīng)力重分布。隧道頂部和底部豎向應(yīng)力值下降幅度最大。隧道開挖、邊坡滑移影響，頂部山體擠壓塌方區(qū)域內(nèi)山體，向右滑動，沿滑動方向出現(xiàn)大范圍Y方向位移。位移過大從而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞，山體沿豎直方向陷入隧道。具體的數(shù)值模擬結(jié)果的豎向位移矢量、分布見圖4，圖5。上覆圍巖中局部塊體最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力均變?yōu)榱悖砻髂M的單元塊體之間已失去相互作用，即分離開來，洞室處于大體積坍塌滑落狀態(tài)。邊坡滑移對隧道圍巖產(chǎn)生額外荷載，導(dǎo)致圍巖荷載超過型鋼極限抗壓強(qiáng)度，型鋼結(jié)構(gòu)屈曲變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞失去效果，從而造成隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞。隧道圍巖產(chǎn)生過大的Y方向位移，頂部圍巖垂直下落。受邊坡向右滑移的影響，隧道內(nèi)部左側(cè)墻體最先受到荷載沖擊作用，邊墻與拱頂交接處出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫密集增多、寬度增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞失效，上覆圍巖在自重和額外荷載的雙重作用下，發(fā)生較大豎直方向位移。

綜上所述，通過運用UDEC軟件對特定剖面隧道變形演化的數(shù)值模擬分析，本文得出以下結(jié)論:1)隧道的開挖活動導(dǎo)致附近區(qū)域圍巖天然應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，開挖區(qū)域附近應(yīng)力場重分布。2)當(dāng)荷載超過圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限后，圍巖變形得不到有效的約束控制，進(jìn)而出現(xiàn)失穩(wěn)破壞、變形過大等現(xiàn)象。3)膨脹性土質(zhì)隧道出現(xiàn)坍塌的重要原因是:邊坡滑移產(chǎn)生的額外荷載，然后作用在下部隧道圍巖體上，擠壓鋼拱架等初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致型鋼屈曲變形破壞，圍巖整體出現(xiàn)較大的Y方向位移，進(jìn)而造成隧道內(nèi)部及山體表面產(chǎn)生大范圍裂縫。

圖4 洞室坍塌位移矢量分布

圖5 隧道失穩(wěn)破壞豎向位移分布

4 結(jié)語

本文通過運用UDEC軟件，針對膨脹性土質(zhì)隧道變形破壞，模擬了在鄰近山體發(fā)生滑移失穩(wěn)情況的隧道圍巖坍塌破壞過程，并做出詳細(xì)的數(shù)值模擬分析，從而研究分析出其破壞的原因，得出結(jié)論。通過對特定選取隧道斷面的變形失穩(wěn)過程的模擬，反演了整個隧道變形破壞過程，表明隧道開挖建設(shè)期隧道極易受到鄰近邊坡滑移影響。由于邊坡山體滑移產(chǎn)生的額外荷載，然后額外荷載作用在隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)上，擠壓型鋼及支護(hù)結(jié)構(gòu)屈曲變形，洞室內(nèi)部及地表出現(xiàn)大范圍裂縫甚至坍塌等失穩(wěn)破壞災(zāi)害。通過對膨脹性土質(zhì)隧道變形失穩(wěn)破壞整個過程的數(shù)值模擬分析研究，為避免類似地質(zhì)條件下膨脹性土質(zhì)隧道受鄰近邊坡滑移誘發(fā)大體積坍塌災(zāi)害的發(fā)生，本文給出以下施工建議:1)淺埋段隧道頂部區(qū)域必須回填密實，頂部地表盡可能的卸載反壓，避免兩側(cè)土體對隧道初期支護(hù)及二襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不對稱的外荷載［8］。2)膨脹性土質(zhì)隧道鄰近邊坡出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，在變形可控范圍，應(yīng)立即封閉加固地表山體裂縫以及襯砌貫通裂縫。隧道掌子面前方增加適量的剛性支撐，并與初支結(jié)構(gòu)形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)［9］，控制圍巖變形在合理范圍內(nèi)，確保隧道的穩(wěn)定性。3)施工時出現(xiàn)此類災(zāi)害，建議地表徑向進(jìn)行密實注漿，隧道內(nèi)部采用對穿注漿錨索，以加固隧道內(nèi)拱部以上地層，由下而上，跳孔間隔注漿，防止大體積塌方的發(fā)生。4)加強(qiáng)隧道的初期支護(hù)，減小型鋼排距，采用早高強(qiáng)噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)的噴錨，從而提供足夠支護(hù)能力抵抗可能發(fā)生的圍巖變形。

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