某隧道進口段開挖的力學(xué)響應(yīng)分析

齊得旭，傅榮華

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

某隧道進口段開挖的力學(xué)響應(yīng)分析

齊得旭，傅榮華

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

在隧道開挖施工過程中，巖土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，應(yīng)力也會發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，將引起隧道周圍巖土體產(chǎn)生變形或者發(fā)生破壞.以雙向雙洞公路單拱長隧道為例，利用COMSOL有限元軟件，對隧道進口段一處剖面建立二維的有限元模型，研究在上覆層為軟巖的情況下，截面尺寸為半圓拱型隧道進口段開挖期間的巖體力學(xué)響應(yīng)情況.在隧道開挖過程中，臨近開挖區(qū)的應(yīng)力和變形范圍是進行隧道加固預(yù)測的重要參數(shù)，為隧道進口段開挖和支護給出了一定的依據(jù)以指導(dǎo)工程施工.

隧道開挖;圍巖;力學(xué)響應(yīng);數(shù)值模擬;COMSOL

0 引言

在隧道開挖施工過程中，原本的巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，巖土體的應(yīng)力也會發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，此將引起隧道周圍巖土體產(chǎn)生變形或者發(fā)生破壞.為了防止變形過大或者發(fā)生破壞，需要在恰當(dāng)?shù)臅r機對圍巖進行支護.雖然隧道的施工方法有很多，但幾乎都是混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)物與圍巖共同作用來實現(xiàn)隧道的穩(wěn)定.目前，在進行隧道等地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，一般需要結(jié)合工程實施階段的施工與檢測同時進行，其目的就是實時了解其應(yīng)力和應(yīng)變狀況.因此，圍巖的應(yīng)力變化在隧道施工的各個階段都至關(guān)重要.對此，本研究以某一隧道工程為實例，采用基于有限單元法的軟件來研究隧道巖土體開挖后的力學(xué)響應(yīng)情況.

1 工程概況

作為研究對象的隧道為雙向雙洞公路單拱長隧道，其軸線方位124°轉(zhuǎn)91°，隧道截面尺寸為半圓拱型，洞跨15.00 m，洞高7.00 m.左線隧道長度為2 920 m，路面設(shè)計縱坡坡度1.25% ～1.384%，設(shè)計隧道路面高程洞進口處388.08 m，出口處373.93 m，最大埋深約340 m;右線隧道長約2 960 m，路面設(shè)計縱坡坡度1.324% ～1.415%.設(shè)計隧道路面高程洞進口處379.59 m，出口處368.70 m，最大埋深354.00 m.

2 進口段工程地質(zhì)條件

2.1 進口段地形條件

左線隧道進洞口地面高程為388.08 m，設(shè)計路面標(biāo)高379.70 m，洞口中心開挖深度8.38 m，自然斜坡坡度約7°～27°，局部約25°，自然斜坡較平緩;右線隧道進洞口地面高程為381.17 m，設(shè)計路面標(biāo)高378.40 m，洞口中心開挖深度2.77 m，自然斜坡坡度約7°～27°，局部約25°，自然斜坡較平緩.

2.2 進口段工程地質(zhì)條件

左、右線隧道進口段地表大部分基巖裸露，為侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組(J2xs)的泥質(zhì)粉砂巖.泥質(zhì)粉砂巖為泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造.強風(fēng)化層厚度6.20 m，巖體較破碎，完整性差，風(fēng)化裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差;中風(fēng)化帶巖體較完整，層理較發(fā)育.

左、右線隧道進口均位于背斜的北西翼，巖層呈單斜狀產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為302°∠52°.巖體中構(gòu)造裂隙發(fā)育，主要可見2組:①241°∠70°～78°;②138 °∠40 °～62°，間距為0.30～1.50 m，延伸3.00～10.00 m，閉合～微張，局部少量泥質(zhì)充填.

2.3 進口段圍巖分級

左、右線隧道進口均大面積基巖裸露，為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部覆蓋0.20～0.50 m可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土.根據(jù)巖石飽和單軸抗壓強度值按巖石等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，隧道進口段出露強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬極軟巖類，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬軟巖類.

3 進口段開挖的數(shù)值分析

3.1 計算模型和參數(shù)

本研究根據(jù)隧道進口段的鉆孔CZK1得出如圖1的地層狀況，并建立其A－A剖面的力學(xué)模型，進行了二維的數(shù)值分析.圖1為A-A處的剖面圖.

圖1 A-A剖面示意圖

根據(jù)鉆孔CZK1的結(jié)果可知，該處上層主要為強風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(0.00～12.5 m)，中間為中風(fēng)化砂巖(12.50～15.30 m)及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(15.30～21.20 m)，下層主要為中風(fēng)化砂巖(12.50～32.15 m).

根據(jù)巖石飽和單軸抗壓強度值按巖石等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，隧道進口段出露強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬極軟巖類，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬軟巖類.隧道進口圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值見表1.

表1 隧道進洞口圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值

表1中，Ⅰ類為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，Ⅱ類為中風(fēng)化砂巖.

圖2為在COMSOL分析軟件中根據(jù)A-A剖面建立的二維平面模型網(wǎng)格劃分圖.為提高計算精度，在隧道開挖處加密網(wǎng)格.本模型在計算時采用了2個計算步驟:首先，計算未開挖前的巖體在重力作用下的應(yīng)力狀態(tài);然后，計算隧道開挖之后土體的彈塑性力學(xué)行為，并將第一步計算的應(yīng)力場作為第二步計算的初值.

3.2 模擬分析

通常，在原始情況下巖體的初始應(yīng)力主要由兩部分構(gòu)成，即巖體自重應(yīng)力和巖體構(gòu)造應(yīng)力.此隧道由自重應(yīng)力構(gòu)成其初始應(yīng)力.

巖體自重應(yīng)力，即由單元體上覆巖體的重力產(chǎn)生，

式中，γ為上覆巖體的重度(kN/m3);H為巖體單元的深度(m).

式中，μ為泊松比.

圖3為隧道開挖前圍巖土體在自重條件下初始的mises應(yīng)力云圖.

圖3 開挖前土體的mises應(yīng)力云圖

從圖3可以看出，隧道開挖前在圍巖土體自重的條件下，應(yīng)力隨著深度的增加而增大，與深度H正相關(guān).

圖4為隧道開挖后隧道局部放大的mises應(yīng)力云圖.

圖4 開挖后隧道的mises應(yīng)力云圖

從圖4中可以看出，隧道開挖面具有較高的應(yīng)力集中，且隧道右線進口的應(yīng)力集中大于左線進口.這是由于右線進口到地表的深度更深，該處承受的圍巖壓力更大，因而應(yīng)力集中在圖中表現(xiàn)的更為明顯.也就是說，應(yīng)力集中現(xiàn)象隨著隧道開挖的深度的增加而增大.因此，在隧道的開挖施工過程中，右側(cè)隧道的支護強度應(yīng)大于左側(cè).

圖5為隧道開挖后隧道局部放大的總位移圖.

圖5 開挖后隧道的總位移圖

從圖5可以看出，隧道右線進口處的位移大于左線進口，這是由于隧道右側(cè)頂部覆蓋巖層更厚，承重更大.應(yīng)力的增大直接導(dǎo)致了右側(cè)隧道開挖施工后，圍巖體變形大于左側(cè)，并且增加的位移量非常顯著.因而，在隧道開挖施工過程中，對右線進口隧道應(yīng)給予重點監(jiān)測.

4 結(jié)語

本研究針對隧道進口段的鉆孔CZK1處截面AA，利用COMSOL有限元軟件建立二維有限元模型對隧道進口段開挖施工期間的巖體力學(xué)響應(yīng)進行了模擬.計算結(jié)果顯示，在隧道開挖施工過程中，右側(cè)隧道進口的應(yīng)力集中較大，位移也較大，這是由于右側(cè)隧道的深度大于左側(cè)，右側(cè)的應(yīng)力水平也大于左側(cè)，大的應(yīng)力水平造成大的應(yīng)力集中，即隧道開挖的應(yīng)力集中程度與隧道的應(yīng)力水平呈正相關(guān).在此隧道工程中，地層巖性主要由泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，屬軟巖類，通過模擬可知其對隧道的位移變形情況，且應(yīng)力集中在隧道洞頂十分顯著.軟巖強度較差，因此在具體的工程施工中，應(yīng)加強對該隧道頂部變形的監(jiān)測，防止其因變形過大發(fā)生破壞而造成嚴(yán)重后果.

［1］李文江，朱永全，等.隧道力學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2013.

［2］陳志敏，歐爾峰，馬麗娜.隧道及地下工程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2014.

［3］田四明，張民慶，黃鴻健，等.齊岳山隧道進口背斜地段巖溶發(fā)育特征分析與治理［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006，43(4):27－33.

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Analysis of Mechanical Response of Tunnel Excavation Near Entrance

QI Dexu，F(xiàn)U Ronghua
(The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

In the tunnel excavation process，the structure of rock and soil mass changes and the stress adjusts accordingly，which will consequently cause the deformation or damage of the rock and soil mass surrounding the tunnel.Taking long single arch tunnel of a two-way，twin-tunnel highway as an example，the paper uses the finite element software COMSOL to build the two-dimensional finite element model of the cross section of a tunnel entrance section，and furtherly studies the mechanical response of rock mass during excavation of tunnel near the semicircular arch cross-section entrance under the condition of soft rock overlying strata.In the process of tunnel excavation，the stress and deformation range near the excavation area are the important parameters to estimate the tunnel reinforcement，and provide the basis for the excavation and support of tunnel entrance section，which guides the tunnel construction.

tunnel excavation;wall rock;mechanical response;numerical simulation;COMSOL

U455.4;U459.2

A

1004－5422(2015)01－0091－03

2014－12－15.

齊得旭(1988—)，男，碩士研究生，從事巖體穩(wěn)定性與環(huán)境地質(zhì)工程研究.