豫西北變質(zhì)巖區(qū)隧道圍巖變形特性研究

于衛(wèi)云， 白　蕾

(1.新蒲建設(shè)集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州　450012；　2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州　450000)

?

豫西北變質(zhì)巖區(qū)隧道圍巖變形特性研究

于衛(wèi)云1， 白蕾2

(1.新蒲建設(shè)集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州450012；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州450000)

變質(zhì)巖由于構(gòu)造與區(qū)域變質(zhì)作用，其形成過程與物理力學(xué)性質(zhì)特殊，隧道圍巖應(yīng)力較為復(fù)雜。針對(duì)這一現(xiàn)象，以豫西北地區(qū)典型的變質(zhì)巖隧道作為研究對(duì)象，在充分收集和分析其工程地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，利用FLAC 3d軟件建立了該隧道的有限元數(shù)值模型，模擬了在不同埋深、凈距條件下變質(zhì)巖隧道的圍巖應(yīng)力分布特征。研究表明：變質(zhì)巖隧道圍巖的豎向應(yīng)力與水平向應(yīng)力與埋深大致呈線性正相關(guān)關(guān)系；偏壓角的變化主要改變隧道右洞一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力分布，而左洞周邊圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)基本保持不變；凈距的變化對(duì)中夾巖部分的圍巖應(yīng)力影響較大，中夾巖應(yīng)力隨凈距的增大而明顯減小。這一現(xiàn)象對(duì)于變質(zhì)巖隧道施工過程中圍巖變形預(yù)防和處理措施具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

高圍巖應(yīng)力； 隧道； 變形

1　概述

在構(gòu)造與區(qū)域變質(zhì)作用下，自然界分布大量變質(zhì)巖。由于其形成過程特殊，變質(zhì)巖具有顯著的各向異性特征，并且極易變形失穩(wěn)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者認(rèn)為應(yīng)將變質(zhì)巖劃入軟巖范疇[1-3]。已有研究資料表明，隧道大變形的產(chǎn)生變形與圍巖應(yīng)力的大小有密切的關(guān)系[4-6]。我國(guó)關(guān)于隧道圍巖應(yīng)力做出了大量的相關(guān)研究。例如，李海洋通過對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為深埋隧道圍巖壓力與隧道埋深有關(guān)，淺埋隧道的圍巖壓力與隧道埋深呈正比[7]；崔超穎通過建立小凈距偏壓隧道的圍巖壓力計(jì)算公式，分析了埋深、偏壓角、埋深、隧道軸線方向等對(duì)隧道圍巖壓力的影響，并對(duì)其影響過程及機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)的分析[8]；趙瑜，李曉紅等以龍?zhí)稙乘淼罏槔?，?duì)比了多種影響因素對(duì)圍巖壓力的影響，認(rèn)為淺埋段巖性與埋深是影響該隧道圍巖壓力分布及大小的主要因素，深埋段巖性、開挖跨度是最主要的影響因素[9]?，F(xiàn)階段，在工程實(shí)踐中常常由于對(duì)變質(zhì)巖地區(qū)隧道圍巖壓力成因及大小相關(guān)研究成果不夠詳盡，盲目進(jìn)行支護(hù)，從而出現(xiàn)許多工程問題。

針對(duì)這一現(xiàn)象，本文以豫西北地區(qū)谷竹高速公路變質(zhì)巖公路隧道項(xiàng)目為依托，在進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及收集相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)該區(qū)域通省隧道所出現(xiàn)的變形情況，分析研究了該變質(zhì)巖隧道的圍巖壓力的影響因素，歸納變質(zhì)巖隧道的變形特征。這對(duì)于建設(shè)圍巖大變形情況的出現(xiàn)，降低施工成本，具有一定的理論與實(shí)踐意義。

2　工程地質(zhì)背景

2.1隧道工程區(qū)地質(zhì)概況

通省隧道是位于豫西北高速公路中的一座雙洞分修特長(zhǎng)隧道(見圖1)，該隧道左線總長(zhǎng)5 831 m，右線總長(zhǎng)5 779 m，兩線中軸線相距約20 m，隧道最大埋深約為600 m。隧道內(nèi)巖層走向與隧道線路大多呈小角度相交，隧道所在十堰市屬于侵蝕河谷發(fā)育的中高山峽谷地區(qū)，段內(nèi)山脈垂直高差大，山脈海拔高度約在500～200 m，走向與區(qū)域構(gòu)造線方向相近，向NNW向延伸(見圖2)。ZK116+885～ZK116+910段圍巖為變質(zhì)片巖，粘土礦物含量較高，巖質(zhì)較軟、節(jié)理裂隙發(fā)育，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力較大，在地下水作用下，巖石軟化明顯，有膨脹崩解現(xiàn)象。

圖1　通省隧道初期開挖全貌Figure 1　Early tunnel excavation of tongshen

2.2隧道變形破壞問題

自2009年動(dòng)工開挖以來，通省隧道多次出現(xiàn)大變形問題。其中以出口段ZK116+885～ZK116+915最具代表性。該段在施做初期支護(hù)后，由于高圍巖壓力的作用，初期支護(hù)發(fā)生大變形，單周變形量最高達(dá)280多mm，該次變形在變形量和變形速度方面均較嚴(yán)重。一周內(nèi)收斂變形達(dá)283.49 mm，最大變形速率為149.35 mm/d。施做初期支護(hù)后，初支混凝土剝落，鎖腳錨桿被拉斷，如圖2所示。

(a) 混凝土剝落 (b) 拱架變形開裂

破壞發(fā)生時(shí)，首先在洞室兩側(cè)中部出現(xiàn)輕微裂縫，裂縫寬度從2～5 mm不等，隨著掌子面的推進(jìn)裂縫逐漸加寬，直至發(fā)展至整個(gè)縱斷面，形成大型縱向裂縫。接著發(fā)生大規(guī)模的初值變形破壞，破壞由兩側(cè)的錨噴支護(hù)開始，側(cè)墻向內(nèi)鼓進(jìn)，出現(xiàn)縱向張裂。在側(cè)墻內(nèi)擠張裂的同時(shí)，拱頂支護(hù)在拱頂部位被剪碎。由于頂部逐漸失去的支撐作用，頂部開始大規(guī)模的塌方破壞。該變形結(jié)果導(dǎo)致隧道局部發(fā)生較大規(guī)模塌方破壞，其顯著過程是當(dāng)兩側(cè)錨噴支護(hù)失效，導(dǎo)致頂板發(fā)生垮落。

3　隧道數(shù)值建模流程

為了模擬和反演通省隧道開挖過程中變質(zhì)巖體內(nèi)應(yīng)力分布情況，本文依托FLAC 3d有限元分析軟件，結(jié)合該區(qū)域變質(zhì)巖物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)其應(yīng)力變化過程進(jìn)行了分析。首先，隧道開挖前，巖體中質(zhì)點(diǎn)處于應(yīng)力平衡狀態(tài)；開挖后，平衡狀態(tài)被打破，隧道周圍一定范圍內(nèi)的巖體受卸荷作用的影響應(yīng)力發(fā)生重分布，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。

3.1模擬思路

隧道開挖后，圍巖重分布應(yīng)力的分布情況受多種因素影響，如巖石物理力學(xué)性質(zhì)、隧道埋深、隧道凈距及偏壓情況等[10-12]，本章擬研究不同的影響因素與圍巖應(yīng)力分布之間的關(guān)系，即在這些影響因素變化時(shí)圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需在保持其他參數(shù)不變的情況下來分析模擬某一參數(shù)變化時(shí)隧道圍巖應(yīng)力的分布情況，如在模擬隧道埋深變化對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響時(shí)就要保證巖石強(qiáng)度參數(shù)、隧道凈距、及隧道的偏壓情況保持不變(見圖3)。

圖3　建模流程圖Figure 3　Modeling flow diagram

3.2本構(gòu)模型

數(shù)值模型將巖土體視為理想的彈塑性體，其物理力學(xué)性質(zhì)具有均一性，有限元分析過程中的變形破壞準(zhǔn)則主要由摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則和Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則[13，14]。

FLAC 3d中的摩爾庫(kù)倫模型彈塑性本構(gòu)關(guān)系中的塑性部分，在巖土工程中應(yīng)用非常廣泛，在材料設(shè)置界面中，需要指定材料的摩擦角和剪脹角，粘聚力和塑性應(yīng)變，若不指定塑性應(yīng)變，軟件默認(rèn)粘聚力保持不變，即為理想線彈塑性模型。摩爾庫(kù)倫模型的屈服面函數(shù)公式為：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(1)

(2)

式中：φ代表材料的摩擦角，(°)；c代表材料的粘聚力，kPa；Rmc用于表示屈服面在π平面的形狀，Θ代表極偏角。

由于摩爾庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系中僅考慮最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，忽略了中間主應(yīng)力的影響，其屈服線存在尖角(見圖4)，尖角的出現(xiàn)將導(dǎo)致該區(qū)域的塑性流動(dòng)方向不一致，其最終結(jié)果會(huì)導(dǎo)致軟件在計(jì)算過程中收斂緩慢或是計(jì)算錯(cuò)誤[15]。為了規(guī)避這一問題，提供擴(kuò)展了摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論，將如下公式作為塑性屈服面的判定方式：

(4)

(5)

式中：c0為材料的初始應(yīng)力(此時(shí)材料沒有發(fā)生塑性變形)；ψ為材料的剪脹角；Rmw為摩爾庫(kù)侖模型在π平面的形狀，當(dāng)采用以上塑性破壞準(zhǔn)則后保證了摩爾庫(kù)侖屈服線在π平面的角點(diǎn)區(qū)域與屈服面相切。

圖4　摩爾庫(kù)倫模型與不同屈服準(zhǔn)則的對(duì)比Figure 4　Mohr coulomb model with different yield criterion

本文在模擬過程中，選用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則為為本構(gòu)模型，因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： ①該準(zhǔn)則考慮了中間主應(yīng)力σ2對(duì)巖體變形破壞的影響； ②屈服面在空間上為一光滑面，在π平面上為一原因，有利于數(shù)值計(jì)算； ③該準(zhǔn)則考慮靜水壓力的影響，適用于進(jìn)行巖土體的分析。

3.3模型假定條件

由于巖土體材料的復(fù)雜性，在模擬時(shí)不可能考慮所有圍巖應(yīng)力分布的影響因素，因此進(jìn)行如下假定：

① 分析時(shí)，假定模型處于平面應(yīng)變狀態(tài)；

② 巖體為均勻、各項(xiàng)同性材料，屈服破壞遵循Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則；

③ 不考慮隧道開挖工序?qū)Χ螒?yīng)力分布的影響；

在模擬時(shí)，對(duì)模型左右邊界施加水平向的位移約束，底部邊界施加豎直向的位移約束，上部不施加約束，可自由進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整與變形。

3.4模擬工況的確定

根據(jù)通省隧道沿線變質(zhì)巖隧道大變形段的巖性、埋深、偏壓及隧道凈距的特點(diǎn)，考慮以下五種工況(見表1)來進(jìn)行模擬，以期得到在不同影響因素作用下隧道的圍巖應(yīng)力分布特征。

由彈塑性理論可知：圓形硐室施工時(shí)，應(yīng)力重分布發(fā)生在隧道周圍的一定范圍內(nèi)，這個(gè)范圍大約為硐室直徑的3～5倍。本模型左右邊界約為隧道寬度的五倍，模型總長(zhǎng)為110 m，上下邊界最大高度為60 m，均包含隧道應(yīng)力重分布的范圍，通過有限元軟件所建立的隧道數(shù)值模型見圖5。

表1 模擬工況參數(shù)表Table1 SimulatedconditionparameterE/GPaμc/MPa?/(°)B/GPaG/GPaγ/(kN·m-2)22.10.32.23021.40.42.13323.00.32.23228.69.0227.0

圖5　數(shù)值建模分析模型Figure 5　The numerical modeling analysis model

4　隧道圍巖變形特征分析

4.1不同埋深下圍巖應(yīng)力分布特征

在地面坡度23°的情況下，保持隧道凈距與巖石物理力學(xué)參數(shù)不變，左洞拱頂埋深由12 m增加至14 m，隧道圍巖應(yīng)力云圖如圖6所示。

(a) 埋深12 m處圍巖應(yīng)力云圖

Figure 6Different embedded depth of tunnel surrounding rock stress distribution nephogram

由上圖可以看出：埋深12 m時(shí)隧洞底板水平應(yīng)力約為531.1 kPa，埋深16 m時(shí)水平應(yīng)力約為625.3 kPa，水平應(yīng)力隨埋深加大有所提高，通過模型模擬發(fā)現(xiàn)水平應(yīng)力與埋深呈一定正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，在隧道凈距較小情況下，隧道中墻的巖體圍巖壓應(yīng)力應(yīng)力有所提高，約為171.2 kPa，外側(cè)圍巖應(yīng)力約為95.8 kPa，中墻巖體的圍巖應(yīng)力要明顯大于外側(cè)，這是由于在隧道開挖后圍巖塑性區(qū)重疊，使作用在中夾巖上的壓力增加，從而增大了中夾巖的圍巖應(yīng)力。

豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力有著相似的分布規(guī)律，隨著埋深的增加，豎向應(yīng)力的分布規(guī)律基本不變，僅應(yīng)力值有所增加，這是由于在淺埋條件下，隧道圍巖不能形成自然拱，圍巖應(yīng)力與隧道埋深呈正相關(guān)關(guān)系，若隧道埋深繼續(xù)增加，超過可形成自然拱的臨界高度，這是隧道的圍巖應(yīng)力反而會(huì)隨著埋深的增加而減小，其分布規(guī)律也與淺埋條件下的分布規(guī)律有一定差別。

4.2不同凈距下偏壓分布特征

中墻在通省隧道施工過程中極為重要的承重部位，左右兩個(gè)隧洞的開鑿過程中，該部位會(huì)承受壓縮、拉伸、剪切以及扭矩作用，同時(shí)還收到上覆巖體的重力荷載。當(dāng)隧道凈距保持為12 m、左洞埋深保持為16 m不變的情況下，偏壓角為23°與20°時(shí)的應(yīng)力云圖如圖7所示。

(a) 偏壓角20°時(shí)圍巖應(yīng)力云圖

(b) 偏壓角23°時(shí)圍巖應(yīng)力云圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著偏壓角的變化，隧道右洞處豎向應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，由原先的493.1 kPa提高至591.1 kPa，而左洞附近圍巖豎向應(yīng)力狀態(tài)基本保持不變。分析其原因，這可能是由于偏壓角的改變引起隧道埋深改變的緣故。其次，隨著隧道偏壓角度的變化，隧道圍巖水平應(yīng)力基本未發(fā)生變化，基本保持在550 kPa左右，這說明地面偏壓角的改變對(duì)水平圍巖應(yīng)力的影響較小。另外，隨著偏壓角的變化，右洞拱頂一定范圍內(nèi)的豎向應(yīng)力分布向左偏移了約5 m，這表明偏壓角的變化對(duì)右洞拱頂豎向應(yīng)力影響較大，說明偏壓角的變化主要隨隧道右洞一定范圍內(nèi)的豎向應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響。

5　結(jié)論

本文借助數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同工況下的隧道圍巖應(yīng)力特征進(jìn)行了模擬，得出了改變埋深、偏壓角、隧道凈距時(shí)隧道圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律及特征，主要有以下幾點(diǎn)：

① 豎向應(yīng)力與水平向應(yīng)力與埋深大致呈線性正相關(guān)關(guān)系；在不同的埋深條件下，圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律大致相同，只是在應(yīng)力的大小上有差別，且隨著隧道埋深的增加，隧道圍巖應(yīng)力也增加，反之亦然；水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力有相似的分布規(guī)律。

② 偏壓角的變化主要改變隧道右洞一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力分布，而左洞周邊圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)基本保持不變；偏壓對(duì)水平應(yīng)力的影響較?。凰淼烙叶磻?yīng)力集中區(qū)范圍隨偏壓角的增加而增大。

③ 凈距的變化對(duì)中夾巖部分的圍巖應(yīng)力影響較大，中夾巖應(yīng)力隨凈距的增大而明顯減小，隨凈距的減小而明顯增大，且水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力都滿足這一規(guī)律。

[1]Park W，Jeon S，Roh B.Characteristics of rock failure in metamorphic rock areas，Korea[C].中國(guó)西安：2008.

[2]Lee S，Tseng D.Review and perspective of expressway tunnels in Taiwan，China[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering.2011(S1)：385-397.

[3]Zhou X，Wang J，Lin B.Study on calculation of rock pressure for ultra-shallow tunnel in poor surrounding rock and its tunneling procedure[J].Journal of Modern Transportation.2014(01)：1-11.

[4]單士軍.軟弱圍巖公路隧道開挖支護(hù)施工過程研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[5]王希寶.都汶公路龍溪隧道圍巖大變形機(jī)制及防治研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2008.

[6]吳瑾，嚴(yán)克淵，鄒啟學(xué)，等.公路隧道圍巖分級(jí)方法及其工程應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2010(12)：1366-1368.

[7]李海洋.高速公路軟弱圍巖隧道大變形數(shù)值模擬與應(yīng)用研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2007.

[8]崔穎超，龍緒健.大跨徑連拱隧道圍巖支護(hù)原理與變形破壞數(shù)值模擬分析[J].公路工程，2007(06)：84-88.

[9]趙瑜，李曉紅，顧義磊，等.高應(yīng)力區(qū)隧道圍巖變形破壞的數(shù)值模擬及物理模擬研究[J].巖土力學(xué)，2007(S1)：393-397.

[10]徐成進(jìn)，王木群.隧道底部溶洞的處理及溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究[J].公路工程，2011(01)：102-105.

[11]黃仁東，趙志飛，李盼，等.基于熵權(quán)法和可拓學(xué)理論的隧道圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].公路工程，2012(01)：139-143.

[12]王明明，羅建軍，劉漢宏.基于ANSYS模擬分析合理確定隧道開挖支護(hù)方案[J].公路工程，2012(04)：155-159.

[13]汪成兵.均質(zhì)巖體中隧道圍巖破壞過程的試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2012(01)：103-108.

[14]李英杰，張頂立，劉保國(guó)，等.考慮圍巖性質(zhì)劣化的深埋軟弱隧道破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012(09)：156-166.

[15]羅偉.淺埋偏壓隧道穩(wěn)定性分析及其可靠度研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

Research of Metamorphic Rock Area of Tunnel Surrounding Rock Deformation Characteristics in Hubei Province

YU Weiyun1， BAI Lei2

(1.Xinpu Construction Group Co.Ltd.， Zhengzhou， Henan 450012， China；2.Henan Architecture Professional Technology Institute， Zhengzhou， Henan 450000， China)

Metamorphic rock due to structural and regional metamorphism，and its forming process and the special physical and mechanical properties，the tunnel surrounding rock stress is more complicated.In reaction to the phenomenon，this paper typical metamorphic rock tunnel in northwest area as the research object，in the collection and analysis of its geological background，on the basis of using FLAC 3d software to establish the finite element numerical model of the tunnel，simulated under the condition of different buried depth，the metamorphic rock of the tunnel surrounding rock stress distribution characteristics.Research shows that：the metamorphic rock tunnel surrounding rock stress and horizontal to the vertical stress and the buried depth is roughly linear positive correlation；Bias Angle change main tunnel hole right must be within the scope of the surrounding rock stress distribution，stress distribution in surrounding rock and the left hole state basic remain unchanged；Net from the change of the influence on surrounding rock stress of surrounding rock in larger，in the surrounding rock stress along with the increase of net distance decreases obviously.This phenomenon for metamorphic rock tunnel surrounding rock deformation of the prevention and treatment measures in the construction process has certain actual application value.

high stress of surrounding rock； tunnel； deformation

2016 — 05 — 17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71301124)

于衛(wèi)云(1972 — )，女，河南西平人，高級(jí)工程師，工程碩士，在讀博士，研究方向：建筑與土木工程。

U 456.3+1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0032 — 05