超大斷面隧道大傾角層狀圍巖力學(xué)特性研究

曾 毅，周舒威，楊志豪，夏才初，3

(1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

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超大斷面隧道大傾角層狀圍巖力學(xué)特性研究

曾 毅1，周舒威2，楊志豪1，夏才初2，3

(1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

文章以重慶軌道交通環(huán)線蓮花村車站隧道工程為依托，采用有限元數(shù)值模擬對(duì)超大斷面隧道開挖時(shí)大傾角層狀圍巖的力學(xué)特性進(jìn)行研究。通過建立大傾角巖層數(shù)值模型，對(duì)隧道進(jìn)行不同工況的分步開挖計(jì)算，分析得到大傾角層狀圍巖的塑性區(qū)、應(yīng)力和位移變化規(guī)律。結(jié)果表明：大傾角層狀巖體塑性區(qū)位于層面內(nèi)，層面塑性變形最大；圍巖最大拉應(yīng)力發(fā)生在上部中導(dǎo)洞圍巖開挖支護(hù)過程中，上部左導(dǎo)洞以及中導(dǎo)洞外壁圍巖產(chǎn)生最大拉應(yīng)力；最大壓應(yīng)力發(fā)生在上部中導(dǎo)洞開挖支護(hù)過程中，大傾角巖層上部右導(dǎo)洞以及中部右導(dǎo)洞在各工況中產(chǎn)生最大壓應(yīng)力；隧道中、下部右導(dǎo)洞水平位移在二襯施加后達(dá)到最大，圍巖最大下沉量位于上部左導(dǎo)洞處。

隧道；大傾角巖層；超大斷面；力學(xué)特性；有限元法

0 引言

在我國(guó)大規(guī)模隧道建設(shè)過程中，隧道斷面不斷增大，隧道建設(shè)也不斷往更惡劣的地質(zhì)環(huán)境中延伸，工程標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，給隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)帶來了一系列新的挑戰(zhàn)[1]。確定合理的支護(hù)參數(shù)是隧道設(shè)計(jì)的核心問題，但其往往與隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)圍巖的受力變形特征，在隧道施工中對(duì)圍巖危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)加固，能夠確保施工安全、有序進(jìn)行，因此隧道圍巖力學(xué)特性的研究對(duì)于隧道建設(shè)具有重要意義。

目前，已有許多學(xué)者針對(duì)隧道圍巖力學(xué)特性開展研究[1-4]。這些研究針對(duì)均質(zhì)圍巖，但實(shí)際工程中，隧道圍巖富含節(jié)理、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面，使得圍巖的力學(xué)行為呈現(xiàn)出與均質(zhì)圍巖不同的特性，這就需要從軟弱結(jié)構(gòu)面出發(fā)，對(duì)圍巖力學(xué)特性開展研究。這方面的研究已取得了諸多進(jìn)展[5-11]，但這些隧道層面研究一般只針對(duì)小斷面尺寸隧道，而未對(duì)大尺寸隧道開展研究。因此，隨著我國(guó)隧道建設(shè)規(guī)模的增大，大斷面乃至超大斷面隧道圍巖的力學(xué)特性亟待研究。

本研究以重慶市軌道交通環(huán)線蓮花村車站隧道工程為依托，通過有限元法建模對(duì)超大斷面隧道開挖中的大傾角圍巖力學(xué)特性進(jìn)行研究，獲得大傾角巖層應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)的變化規(guī)律。

1 工程概況

在建的重慶市軌道交通環(huán)線蓮花村車站為環(huán)線第二十座車站，坐落于蓮花山山體下方，呈南北走向。該車站隧道斷面開挖輪廓線內(nèi)面積約432 m2，屬超大斷面暗挖隧道。

隧道場(chǎng)地位于南溫泉背斜西翼，巖層傾向290°左右，傾角約60°。巖體層間結(jié)合很差，特別在砂質(zhì)泥巖與砂巖交界處，往往存在薄層狀泥化現(xiàn)象。構(gòu)造線走向與主隧道軸線小角度相交近于平行。車站隧道典型的斷面輪廓以及地質(zhì)剖面如圖1所示。圖中隧道周圍砂質(zhì)泥巖居多，泥巖中夾雜著層狀的泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖交界面為薄弱層面。

圖1 隧道輪廓及地質(zhì)剖面圖

2 有限元模型及計(jì)算工況

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS10.0建立二維有限元模型，進(jìn)而對(duì)大傾角巖層內(nèi)隧道開挖圍巖力學(xué)特性進(jìn)行分析。各類地質(zhì)體(包括初襯和二襯)均采用Plane42單元，錨桿采用Link1單元進(jìn)行模型，臨時(shí)支撐采用Beam3單元模擬。而對(duì)于地質(zhì)體在層面上的接觸，采用接觸對(duì)單元來模擬：目標(biāo)面使用Target169單元，接觸面用Surf172單元。計(jì)算中采用的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

模型左右邊界距初襯距離為100 m，上部邊界取自自由地表，底部邊界距初襯60 m。對(duì)建立的模型，限制其東、西邊界上水平方向的位移；對(duì)模型的底部限制豎向位移。

表1 計(jì)算參數(shù)表

地應(yīng)力場(chǎng)特征按自重應(yīng)力場(chǎng)分析，即所有工況的計(jì)算均處在自重應(yīng)力場(chǎng)作用之下，有限元模型采用D-P強(qiáng)度準(zhǔn)則。最終，建好的有限元模型如圖2所示，共含有15 566個(gè)單元，7 711個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 整體有限元網(wǎng)格圖

依托工程隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工，按照工程開挖的實(shí)際工序，并作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，每個(gè)導(dǎo)洞開挖時(shí)一般先進(jìn)行圍巖荷載釋放20%的裸洞開挖計(jì)算，然后再進(jìn)行釋放40%圍巖荷載、施加初期襯砌和臨時(shí)支撐的數(shù)值模擬，在所有導(dǎo)洞開挖后再釋放剩下的40%圍巖荷載并施加二襯。

3 圍巖應(yīng)力場(chǎng)

3.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)

大傾角巖層和均質(zhì)巖層的初始地應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果以豎向應(yīng)力為例，如圖3所示。從圖中可以看出，由于層面以及相互間隔的砂質(zhì)泥巖、砂巖之間力學(xué)性質(zhì)的不同，初始地應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力云圖出現(xiàn)了不連續(xù)。

圖3 初始豎向應(yīng)力場(chǎng)云圖

3.2 第一主應(yīng)力

經(jīng)過計(jì)算可以得到大傾角巖層每個(gè)工況的第一主應(yīng)力，圖4給出了隧道頂部以及底部中間部分圍巖第一主應(yīng)力隨不同工況的變化情況。圖4(a)是上部中導(dǎo)洞外壁圍巖的第一主應(yīng)力變化，應(yīng)力最小值基本上維持在-0.5 MPa左右，而應(yīng)力最大值在該部分圍巖開挖之前基本不變；在該部分圍巖開挖后，應(yīng)力增大到2.0 MPa附近，但在二襯施加后又迅速回落到-0.3 MPa附近。圖4(b)是隧道底中部圍巖外壁的第一主應(yīng)力變化，應(yīng)力最小值略微波動(dòng)，基本上維持在-0.65 MPa左右；第一主應(yīng)力最大值基本上隨著每個(gè)開挖步的進(jìn)行而逐漸增大，從初始地應(yīng)力-0.4 MPa增大到施加二襯后的-0.2 MPa。

(a)隧道頂部中部圍巖

(b)隧道底部中部圍巖

3.3 第三主應(yīng)力

圖5給出了隧道頂部以及底部中間部分圍巖第三主應(yīng)力隨不同工況的變化情況。圖5(a)是上部中導(dǎo)洞外壁圍巖的第三主應(yīng)力變化，在隧道頂部中導(dǎo)洞開挖之前，隧道頂部圍巖第三主應(yīng)力隨各開挖工況的進(jìn)行緩慢減小，在頂部導(dǎo)洞開挖后隧道頂部中部圍巖的應(yīng)力最小值迅速下降，從-1 MPa降低到-3 MPa，然后在二襯施加后又增加到-2 MPa。第三主應(yīng)力最大值在上部中導(dǎo)洞支護(hù)后增加到-0.1 MPa，但在二襯施加后減小到-1 MPa。隧道頂部的應(yīng)力變化較大，是關(guān)系隧道穩(wěn)定的關(guān)鍵點(diǎn)。圖5(b)是隧道底部中部圍巖外壁的第三主應(yīng)力變化，應(yīng)力略微波動(dòng)，最大值基本維持在-1.5 MPa左右，最小值基本維持在-2.1 MPa左右；在上部中導(dǎo)洞開挖支護(hù)過程中，應(yīng)力最大值和最小值分別激增到-1 MPa和-1.8 MPa；在施加二襯后，應(yīng)力最大值和最小值又分別降低到-2.2 MPa和-2.9 MPa。

(a)隧道頂部中部圍巖

(b)隧道底部中部圍巖

4 圍巖塑性區(qū)

圖6給出了按大傾角巖層計(jì)算得到的各工況等效塑性區(qū)。圖6(a)表明上部左側(cè)導(dǎo)洞施加初支護(hù)后，由于錨桿的施加，導(dǎo)洞拱肩位置的塑性變形較上一工況并未大幅增大，但導(dǎo)洞底部塑性變形增大，塑性變形集中于層面處，導(dǎo)洞底部靠東側(cè)塑性應(yīng)變最大，為0.002 3；圖6(b)表明上部右側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)以及錨桿施作后，右側(cè)導(dǎo)洞的圍巖變形被有效控制，圍巖的塑性變形減小，但導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的

(a)面積2開挖施加初襯

(b)面積3開挖施加初襯

(c)面積5開挖施加初襯

閉合造成左側(cè)上部導(dǎo)洞底部的塑性變形繼續(xù)向圍巖深部發(fā)展，最大塑性應(yīng)變?cè)龃鬄?.004 3；圖6(c)表明下部?jī)蓪?dǎo)洞錨桿、支撐和初期支護(hù)施作后，圍巖繼續(xù)釋放的荷載被支護(hù)系統(tǒng)所承擔(dān)，圍巖的塑性變形被有效控制，盡管中墻內(nèi)層面依然出現(xiàn)貫通塑性區(qū)，但塑性變形最大值只為0.001 3；由于上部中間導(dǎo)洞在有荷載釋放的時(shí)候造成中墻內(nèi)塑性變形急劇增大，計(jì)算表明此開挖階段必須及早進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)。從圖6可以總結(jié)得出：大傾角層狀巖體中，超大斷面隧道開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)主要位于層面內(nèi)，且層面上發(fā)生塑性變形最大。

總而言之，按大傾角巖層計(jì)算，塑性區(qū)發(fā)生在層面上，塑性區(qū)沿層面延伸進(jìn)入巖體深部，塑性變形大。

5 圍巖位移場(chǎng)

5.1 水平位移

圖7為按大傾角巖層計(jì)算得到的各個(gè)工況水平方向位移云圖。每個(gè)開挖步進(jìn)行后，隧道各導(dǎo)洞圍巖水平位移發(fā)生變化，兩側(cè)拱腰均產(chǎn)生水平位移，表現(xiàn)為向內(nèi)側(cè)收斂，兩側(cè)變形的量值相差不大；上部右導(dǎo)洞開挖使左導(dǎo)洞的水平位移變形增大，位移最大值位于左導(dǎo)洞拱腰以及底部，右導(dǎo)洞水平位移較??；中部導(dǎo)洞土體開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，水平位移重新分布，均表現(xiàn)為向內(nèi)側(cè)收斂，形成的左部空區(qū)頂部以及側(cè)墻的水平位移最大，右部空區(qū)位移相對(duì)較?。簧喜恐袑?dǎo)洞土體開挖后，整個(gè)隧道拱部完全失去土體的支撐，所以圍巖水平擾動(dòng)范圍擴(kuò)大，在豎向圍巖壓力作用下，隧道扁平率增加，表現(xiàn)為拱部下沉、拱底隆起和兩側(cè)拱腰水平位移向外側(cè)發(fā)展，此階段當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。中部側(cè)墻以及左洞層面出露處為水平位移最大處，隧道施工階段的最終穩(wěn)定性主要由上部中導(dǎo)洞土體控制。

下部左右導(dǎo)洞外壁圍巖水平位移在開挖過程中以負(fù)方向位移為主，負(fù)方向位移大體上逐漸增大，在二襯施加后達(dá)到最大，為-0.34 mm；但在二襯施加后，該部位圍巖頂部出現(xiàn)了較大的正方向位移0.86 mm，也說明隧道頂部豎向應(yīng)力大，隧道“扁化”。下部左右導(dǎo)洞頂部圍巖“尖點(diǎn)”位移變化幅度大，在實(shí)際施工中應(yīng)該著重監(jiān)測(cè)。

(a)上部右導(dǎo)洞開挖施加初襯

(b)中部左右導(dǎo)洞開挖施加初襯

(c)上部中導(dǎo)洞開挖施加初襯

5.2 豎向位移

圖8給出了按大傾角巖層計(jì)算得到的各個(gè)工況豎直方向位移，上部右導(dǎo)洞開挖使左導(dǎo)洞豎向位移增大，但位移最大處位于左導(dǎo)洞拱腰以及底部，右導(dǎo)洞位移較??；中部導(dǎo)洞土體開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，豎向位移重新分布，均表現(xiàn)為向內(nèi)側(cè)收斂，形成的左部空區(qū)頂部以及底部豎向位移最大，右部空區(qū)位移相對(duì)較??；上部中導(dǎo)洞土體開挖后，整個(gè)隧道拱部完全失去土體的支撐，所以圍巖豎向擾動(dòng)范圍擴(kuò)大，在豎向圍巖壓力作用下，隧道扁平率增加，表現(xiàn)為拱部下沉、拱底隆起和兩側(cè)拱腰水平位移向外側(cè)發(fā)展，此階段應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，隧道頂部層面出露處為下沉最大處，隧道施工階段穩(wěn)定性主要由上部中導(dǎo)洞開挖控制。

(a)上部右導(dǎo)洞開挖施加初襯

(b)中部左右導(dǎo)洞開挖施加初襯

(c)上部中導(dǎo)洞開挖施加初襯

同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明上部中導(dǎo)洞外壁圍巖豎向位移以下沉為主，圍巖下沉量隨工況的進(jìn)行逐漸增大，最大值發(fā)生在施加二襯后，為2.69 mm；該部分圍巖在上部導(dǎo)洞施加初期襯砌后隆起量達(dá)到最大，為1.75 mm，發(fā)生在上部左導(dǎo)洞與中導(dǎo)洞邊界處。圍巖底部和頂部的豎向位移變化較大，是關(guān)系隧道穩(wěn)定的關(guān)鍵點(diǎn)。隧道底部中部圍巖外壁豎向位移以正方向(隆起)為主，在施加二襯后達(dá)到最大值，為5.6 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以重慶市軌道交通環(huán)線蓮花村車站隧道工程為依托，使用有限元法對(duì)大傾角層狀巖體中超大斷面隧道開挖的圍巖應(yīng)力、位移和塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，獲得以下結(jié)論：

(1)層面以及相互間隔的砂質(zhì)泥巖、砂巖使初始水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力云圖不連續(xù)、斷層，而均質(zhì)圍巖初始水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力呈明顯的層狀分布。

(2)大傾角層狀巖體塑性區(qū)主要位于層面內(nèi)，層面塑性變形最大，隨著開挖的進(jìn)行導(dǎo)致的塑性失穩(wěn)可能性逐漸增大。

(3)圍巖最大拉應(yīng)力發(fā)生在上部中導(dǎo)洞圍巖開挖支護(hù)過程中，上部左導(dǎo)洞以及中導(dǎo)洞外壁圍巖在各個(gè)工況中產(chǎn)生最大拉應(yīng)力。

(4)最大壓應(yīng)力發(fā)生在上部中導(dǎo)洞開挖支護(hù)過程中，大傾角巖層上部右導(dǎo)洞圍巖以及中部右導(dǎo)洞圍巖在各工況中產(chǎn)生最大壓應(yīng)力。

(5)隧道中部以及下部右導(dǎo)洞的水平位移在二襯施加后達(dá)到最大，二襯施加后圍巖最大下沉量位于上部左導(dǎo)洞處。

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Study on Mechanical Properties of High-inclination Layered Surrounding Rocks in Super-large Cross-section Tunnels

ZENG Yi1，ZHOU Shu-wei2，YANG Zhi-hao1，XIA Cai-chu2，3

(1.Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Institute，Shanghai，200235；2.Department of Geotechnical Engineering，College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai，200092；3.College of Civil Engineering，Shaoxing University，Shaoxing，Zhejiang，312000)

Relying on Chongqing Rail Transit Ring Lianhua Village Station Tunnel project，and by using the finite element numerical simulation，this article studied the mechanical properties of high-inclination layered surrounding rocks during the excavation of super-large cross-section tunnel.Through establis-hing the numerical model of high-inclination rock stratum，it calculated the stepped tunnel excavation un-der different work conditions，analyzed and obtained the plastic zone，stress and displacement variation rules of high-inclination layered surrounding rocks.The results showed that：the plastic zone of high-in-clination layered rocks is located within the layer，with the maximum layer plastic deformation；the maxi-mum tensile stress of surrounding rocks occurs in the surrounding rock excavation and support process of upper middle guiding holes，with the maximum tensile stress of outer wall surrounding rocks at upper left guiding holes and middle guiding holes；the maximum compressive stress occurs in the excavation and support process of upper middle guiding holes，with the maximum compressive stress of high-incli-nation rock stratum at upper right guiding holes and middle right guiding holes under different working conditions；the horizontal displacement of right guiding holes at middle and lower tunnel reaches the maximum after the second lining setup，and the maximum surrounding rock subsidence is located at the upper left guiding hole.

Tunnel；High-inclination rock stratum；Super-large cross-section；Mechanical properties；Fi-nite element method

曾 毅(1979—)，高級(jí)工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究；

上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院科研計(jì)劃項(xiàng)目課題

U452.1+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.009

1673-4874(2015)11-0040-06

2015-10-11

周舒威(1987—)，博士研究生，主要從事地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、能源地下工程研究。