不連續(xù)巖體中的隧道施工全過程離散單元法仿真研究

吳建文，張恒，孫建春， 林放

(1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 德陽 618000；2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

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不連續(xù)巖體中的隧道施工全過程離散單元法仿真研究

吳建文1，張恒2，孫建春2， 林放2

(1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 德陽 618000；2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

離散單元法是一種特別適用于模擬不連續(xù)介質(zhì)(如節(jié)理巖體)的數(shù)值方法，但實(shí)際操作起來比較困難。如何準(zhǔn)確地模擬隧道的開挖和支護(hù)的每一個環(huán)節(jié)對計算結(jié)果的可靠性非常關(guān)鍵。本文以貴廣鐵路斗篷山隧道為工程依托，對隧道開挖、初期支護(hù)和二襯施作的全過程進(jìn)行仿真分析。研究結(jié)果表明，圍巖變形、初支內(nèi)力、錨桿軸力等均隨圍巖破碎程度的提高而增加；初期支護(hù)在隧道開挖后對于圍巖變形約束和承擔(dān)荷載起到?jīng)Q定因素，二次支護(hù)僅作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，作為安全儲備，其內(nèi)力與初期支護(hù)相比較小，但考慮到開挖后圍巖物理力學(xué)參數(shù)降低，巖土體流變性以及初期支護(hù)材料的力學(xué)性質(zhì)減弱等原因，不應(yīng)忽略其作用，應(yīng)按受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算設(shè)計。

隧道工程；不連續(xù)體；施工過程；離散單元法

在較堅硬的巖體中修建隧道,存在著大量的不連續(xù)面,如斷層、節(jié)理、巖石層面等[1],傳統(tǒng)的以連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬方法(諸如有限元法等)只適合于不連續(xù)面數(shù)量不多且位移較小的情況。由Cundall于1971年首先提出針對巖石力學(xué)中不連續(xù)巖體模擬的離散單元法則特別適合于模擬不連續(xù)介質(zhì)問題。它將不連續(xù)巖體看成是由離散的巖塊以及巖塊之間的節(jié)理面構(gòu)成[2-5]。在實(shí)際應(yīng)用離散單元程序UDEC模擬隧道開挖過程中常遇到不少問題。首先，隧道的開挖和支護(hù)是一個與空間和時間相關(guān)的動態(tài)過程。隧道的開挖伴隨著空間的變化，開挖過程中應(yīng)力發(fā)生多次重分布。支護(hù)結(jié)構(gòu)的施設(shè)又與時間密切相關(guān)。如何準(zhǔn)確地模擬隧道的開挖和支護(hù)的每一個環(huán)節(jié)對計算結(jié)果的可靠性非常關(guān)鍵；其次，雖然通過鉆孔取樣、前期地質(zhì)調(diào)查和隧道施工過程的掌子面地質(zhì)描述可獲得一定的巖石節(jié)理的產(chǎn)狀和參數(shù)，但要將它們移植到計算模型中還有大量的工作要做，因?yàn)椴豢赡軐⒚恳桓?jié)理都考慮進(jìn)去。而且通過上述手段得到的節(jié)理分布只是局部的，而計算模型中也包括巖體內(nèi)的節(jié)理，如何推斷巖體內(nèi)的節(jié)理幾何分布需要一定的工程地質(zhì)知識和經(jīng)驗(yàn)；而且，UDEC是一個二維分析程序而實(shí)際的隧道開挖是三維的，如何在UDEC模擬中考慮隧道的空間效應(yīng)需要一定的技巧[6-9]。本文以貴廣鐵路斗篷山一級風(fēng)險隧道為工程依托，通過UDEC的內(nèi)建FISH語言來實(shí)現(xiàn)和調(diào)整其應(yīng)力釋放從而模擬三維空間效應(yīng)，可對隧道開挖、初期支護(hù)和二襯施作的全過程進(jìn)行仿真分析。

1　工程概況

斗篷山隧道為貴(陽)—廣(州)高速鐵路線上的一座I級風(fēng)險隧道。全長7 369m，最大埋深470m，最大跨度14m。洞身地質(zhì)主要以灰?guī)r、白云巖為主，節(jié)理較發(fā)育，地表溶蝕發(fā)育程度強(qiáng)烈，洞內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地下水為巖溶管道水，含水量豐富。Ⅴ級圍巖長564m，占全隧總長的7.7%；Ⅳ級圍巖長1 540m,占全隧總長的20.8%；Ⅲ級圍巖長5 005m，占全隧總長的67.9%；Ⅱ級圍巖長130m，占全隧總長的1.8%。隧道區(qū)控制性構(gòu)造為區(qū)域性的漁洞山正斷層：走向近NW向，全長達(dá)29.5km，大致在于線路進(jìn)口端左側(cè)200m外與線路基本平行通過，未與線路相交。構(gòu)造節(jié)理一般3～4條/m，局部地段6～8條/m。在向斜軸部和穹窿頂，因長期的緩慢抬升隆起的過程中形成走向節(jié)理，以及沿傾向上的橫張節(jié)理。兩組節(jié)理，均以高傾角為主一組N50o～70oE，另一組是N40o～50oW，貫通性好、延伸遠(yuǎn)，節(jié)理面閉合～微張開型，見方解石脈和黏土充填，巖體在這套共軛節(jié)理的切割下呈塊狀。區(qū)域性斷層對巖體的破壞非常嚴(yán)重，在靠近斷層的地段，巖體較破碎～破碎，節(jié)理發(fā)育密集，能夠見到與斷層走向大致垂直的破劈理帶，反映了硬質(zhì)巖中局部存在規(guī)模不一的構(gòu)造擠壓破碎帶。

2　計算模型的建立和參數(shù)的確定

2.1模型建立及工況設(shè)定

3種工況隧道為Ⅳ級圍巖，存在兩組不連續(xù)面，兩組不連續(xù)面傾向相反，走向與隧洞走向相近。隧道的跨度為13.46m，高度為12.4m，針對貴廣鐵路雙線隧道IV、V級圍巖斷面結(jié)構(gòu)尺寸試驗(yàn)開發(fā)了基于專項(xiàng)精細(xì)爆破設(shè)計和專用懸臂拼裝式多功能臺架的微臺階開挖工法，實(shí)現(xiàn)了上下導(dǎo)坑同步鉆眼、裝藥，同時起爆，同時出碴，上下臺階部分工序平行作業(yè)。數(shù)值模擬的模型尺寸為寬90m，高110m。為充分掌握該支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計對整個地段的適用性，針對不連續(xù)面的傾角和間距的變化分3個工況來考慮。不同工況的節(jié)理設(shè)定如圖1和表1所示，模型尺寸及邊界條件如圖2所示，隧道支護(hù)設(shè)計如圖3所示。左右邊界控制水平位移，底邊界控制水平與豎向位移，同時施加邊界應(yīng)力。原點(diǎn)坐標(biāo)在拱頂處，同時忽略該斷面表層坡積層土，由于斷層附近兩種巖體力學(xué)性質(zhì)接近，出于簡化計算的目的，這里整個模型設(shè)置為一種材料進(jìn)行模擬。

(a)工況1; (b)工況2;(c)工況3圖1　不同工況模型圖Fig.1 Model diagram in different conditions

工況節(jié)理面一傾角(°)節(jié)理面二傾角(°)斷層面傾角(°)節(jié)理面一間距/m節(jié)理面二間距/m工況10-65無14工況20-65無12工況30-65-7512

2.2計算參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果，計算模型中的水平側(cè)壓力系數(shù)為0.8。相對于節(jié)理，巖石材料的強(qiáng)度極高，破壞主要表現(xiàn)在節(jié)理的破壞，因此計算中巖石材料被視為彈性材料處理，地層參數(shù)見表2和表3。初期支護(hù)采用錨桿和鋼支撐，其計算參數(shù)分別列于表4和表5中；二襯參數(shù)見表6。隧洞的開挖和支護(hù)是一個與時間和空間相關(guān)的動態(tài)過程，同時巖體具有一定的流變特性，開挖荷載的釋放是與隧道開挖所造成的空間(所考慮斷面離掌子面的距離)及時間(包括施工進(jìn)度及巖體流變效應(yīng))密切相關(guān)的，它的精確確定有一定的難度。本檢算結(jié)合本工程的具體施工情況，并參考其它工程的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為隧道開挖后、錨噴初期支護(hù)前釋放30%的開挖荷載，錨桿、鋼支撐施工后二襯施加前釋放另外的60%開挖荷載，二襯施加后釋放剩下的10%開挖荷載。

表2　地層數(shù)值計算參數(shù)

表3　節(jié)理及斷層計算參數(shù)

表4　系統(tǒng)錨桿計算參數(shù)

表5　鋼支撐計算參數(shù)

表6　模筑混凝土計算參數(shù)

3　計算結(jié)果分析

3.1支護(hù)條件下隧道開挖圍巖變形

通過計算3種工況下，隧道開挖后初期支護(hù)前都表現(xiàn)為，拱頂和拱底位移較大，隧道開挖后初期支護(hù)前(即釋放30%初始應(yīng)力)隧道拱頂位移最大，工況1為5.4mm，工況2為5.8mm，工況3為6.5mm。隧道初期支護(hù)后二襯施作前(即釋放60%初始應(yīng)力)隧道圍巖的大部分位移都是發(fā)生在這個階段，工況一最大位移達(dá)到16.4mm，工況2為17.1mm，工況3為17.7mm。二襯施作后，隨著最后10%初始應(yīng)力的釋放，工況1最大位移增大到16.9mm，工況2為18.6mm,工況3為19.3mm，二襯施作后隧道圍巖最終變形如圖2所示。

3.2隧道開挖后主應(yīng)力分布

圖3～圖5為3種工況下隧道開挖施工不同階段隧道圍巖主應(yīng)力分布。由于3種工況下都表現(xiàn)為拱頂和拱底的位移較大，所以拱頂和拱底的應(yīng)力也釋放得多，應(yīng)力值較小，拱腰處的位移較小，主應(yīng)力較大，隧道開挖后初期支護(hù)前隧道拱腰處應(yīng)力最大，拱頂拱底處應(yīng)力較小；隧道初期支護(hù)后二襯施作前隨著圍巖的繼續(xù)變形，隧道斷面周圍的應(yīng)力進(jìn)一步加大；二襯施作后，隨著最后10%初始應(yīng)力的釋放，應(yīng)力還有略微的增加。立體交叉隧道施工過程中，受新建隧道開挖的影響，既有隧道拱頂沉降和噴射混凝土軸力均有增大的趨勢，且隨立體交叉隧道巖柱高度和交叉角度增大，圍巖條件變差，拱頂沉降增大的趨勢越明顯，可見既有隧道拱頂沉降是立體交叉隧道施工中最為敏感的物理量，設(shè)計和施工過程中可作為影響程度評定的重要指標(biāo)。與此同時，既有隧道噴射混凝土軸力對交叉角度的變化相對更為敏感，交叉角度增大時，既有隧道噴射混凝土軸力增加增大明顯。

圖2　二襯施作后不同工況下的圍巖變形Fig.2 Surrounding rock deformation under different conditions after secondary lining

圖3　隧道開挖后初期支護(hù)前主應(yīng)力圖Fig.3 Principal stress after tunnel excavation before primary support

圖4　初期支護(hù)后二襯施作前主應(yīng)力圖Fig.4 Principal stress after primary support before secondary lining

圖5　二襯施作后主應(yīng)力圖Fig.5 Principal stress after secondary lining

3.3隧道開挖后錨桿軸力分布

圖6為錨桿單元編號(逆時針從1號到21號)，從圖9可以看出3種工況下錨桿軸力并不是均勻分部，軸力的大小與圍巖的節(jié)理情況有關(guān)，初期支護(hù)后二襯施作前，這個階段圍巖變形最大，錨桿的軸力也主要發(fā)生在這個階段；二襯施作后，隨著最后10%初始應(yīng)力的釋放，圍巖繼續(xù)變形，錨桿的軸力要比初期支護(hù)后二襯前的軸力有稍微的增加。以工況1的cable1為例：在初支后2襯前，軸力為-2.101×105N，在二襯施做后，軸力變?yōu)?2.761×105N。與工況1和工況2相比，在隧道開挖、支護(hù)、二襯等過程中工況3錨桿的軸力又有一些增加，說明圍巖的破碎程度越大錨桿的軸力越大。

3.4二襯后軸力和彎矩分布

圖8和圖9為隧道開挖施作二襯后二襯的軸力和彎矩圖。以工況一為例，二襯的最大軸力僅為9.13×105N，二襯的最大彎矩僅為1.14×105N.m。與工況2和工況3相比二襯的軸力與彎矩相差不大。3種工況下二襯所受到的荷載作用很小，可見二襯結(jié)構(gòu)僅僅作為安全儲備。

3.5拱頂下沉計算值與實(shí)測值對比

圖10為不同工況拱頂位移時程曲線圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隧道洞周的位移在支護(hù)前變化很快；而大部分位移主要發(fā)生在初期支護(hù)后二襯支護(hù)前；二襯支護(hù)后，位移變化很小。通過與圖11的拱頂下沉監(jiān)測值相比較可以看出計算值與實(shí)測值相差在15%以內(nèi)，計算值稍大于實(shí)測值，說明離散單元法程序能有效地模擬隧道開挖后圍巖的變形情況，對施工進(jìn)行動態(tài)指導(dǎo)。

圖6　二襯施作后主應(yīng)力圖Fig.6 Number of bolt element

圖7　3種工況下錨桿軸力圖Fig.7 Axial force of bolt element in three conditions

圖8　二襯軸力圖Fig.8 Axial force of secondary lining

圖9　二襯彎矩圖Fig.9 Bending moment of secondary lining

圖10　不同工況隧道拱頂位移時程曲線Fig.10 Displacement and time curve of tunnel vault in different conditions

圖11　拱頂下沉監(jiān)測結(jié)果分析圖Fig.11 Vault crown settlement

4　結(jié)論

1)拱底位移隨圍巖破碎程度增加而明顯增加，在初期支護(hù)后，釋放位移達(dá)90%左右，二襯施作后新增位移量較小。圍巖變形、初支內(nèi)力、錨桿軸力等均隨圍巖破碎程度的提高而增加。

2)初期支護(hù)在隧道開挖后對于圍巖變形約束和承擔(dān)荷載起到?jīng)Q定因素，二次支護(hù)僅作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，作為安全儲備，其內(nèi)力與初期支護(hù)相比較小，但考慮到開挖后圍巖物理力學(xué)參數(shù)降低，巖土體流變性以及初期支護(hù)材料的力學(xué)性質(zhì)減弱等原因，不應(yīng)忽略其作用，應(yīng)按受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算設(shè)計算。

3)模擬計算結(jié)果表明該支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足隧洞施工、運(yùn)營發(fā)電及檢修期間的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全和隧洞穩(wěn)定性要求。

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Simulation study of tunnel construction process in discontinuous rock by discrete element method

WU Jianwen1，ZHANG Heng2，SUN Jianchun2， LIN Fang2

(1.SichuanEngineeringTechnicalCollege，Deyang，6180000China;2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

TheDiscreteElementMethod(DEM)isverifiedtobesuitableforthesimulationofdiscontinuousmedia(e.g.,jointedrockmass),buttheactualoperationismoredifficult.Howtoaccuratelysimulateeveryaspectofthetunnelexcavationandsupportiscriticalforreliabilityoftheresults.BasedonDoupengshantunnelofGuiguangrailway,thewholeprocessoftunnelexcavation,i.e.,primarysupportandsecondaryliningweresimulated.Thestudyshowsthatthesurroundingrockdeformation,internalforceofprimarysupport,andaxialforceofanchorboltareimprovedwithincreasingfragmentationdegreesofsurroundingrock.Theprimarysupportisthedeterminantofconstraintofsurroundingrockdeformationandbearstheloadaftertunnelexcavation.Secondarysupportonlybehavesasapermanentsupportstructureandasafetymargin,anditsinternalforceissmallascomparedtothatoftheprimarysupport.Thedecreasingphysicalandmechanicalparametersofthesurroundingrockexcavation,rheologyofsoilandreducingofmechanicalpropertiesofprimarysupportmaterialweretakenintoaccount.Thesecondaryliningshouldbecalculatedanddesignedasforcestructure.

tunnelengineering;discontinuityrock;constructionprocess;discreteelementmethod

2015-11-19

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU11ZT33)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計劃資助項(xiàng)目(IRT0955)

張恒(1985-)，男，貴州銅仁人，博士，講師，從事隧道及地下工程施工安全性研究；E-mail：tunnelzh@home.swjtu.edu.cn

TU91

A

1672-7029(2016)07-1379-07