考慮結(jié)構(gòu)性影響的黃土隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)分析

馬 林，關(guān) 偉，張 軍

（山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006）

考慮結(jié)構(gòu)性影響的黃土隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)分析

馬 林，關(guān) 偉，張 軍

（山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006）

針對(duì)目前黃土隧道變形分析中未考慮圍巖結(jié)構(gòu)特性的現(xiàn)狀，以平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)為載體，研究了結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)、圍壓、含水率及剪應(yīng)變之間的關(guān)聯(lián)模型；運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件建立實(shí)體隧道三維模型，采用Fish語(yǔ)言程序編寫(xiě)，將結(jié)構(gòu)性引入到隧道變形計(jì)算中，主要分析圍巖土體結(jié)構(gòu)變化對(duì)隧道變形的影響。研究結(jié)果表明：土體結(jié)構(gòu)性對(duì)隧道變形的影響規(guī)律，即考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)隧道沉降偏大，傳統(tǒng)研究結(jié)果偏不安全，需加以重視；提出了通過(guò)結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化規(guī)律確定圍巖松動(dòng)圈的思路，為結(jié)構(gòu)性的進(jìn)一步工程應(yīng)用提供參考。

黃土；結(jié)構(gòu)性；隧道；圍巖；變形

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，公路交通行業(yè)迅猛發(fā)展。尤其在中西部地區(qū)，公路交通建設(shè)呈現(xiàn)出空前盛況。由于中西部地區(qū)典型的梁、峁、塬結(jié)構(gòu)，建設(shè)過(guò)程中不可避免出現(xiàn)大量隧道，多以黃土隧道為主。目前國(guó)內(nèi)在巖質(zhì)隧道［1-3］方面的研究成果較多，理論也相對(duì)成熟，黃土隧道研究基本借鑒巖質(zhì)隧道的經(jīng)驗(yàn)。然而黃土隧道與巖質(zhì)隧道的本質(zhì)區(qū)別即是圍巖材料不同。黃土因其大孔隙結(jié)構(gòu)、垂直節(jié)理發(fā)育、遇水濕陷大變形等［4-5］特性使得黃土隧道的病害異于巖質(zhì)隧道，如隧道洞口段易坍塌、隧道內(nèi)部滲透水嚴(yán)重、洞頂坍塌、永久襯砌脫落［6-9］等，給隧道設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了巨大困難。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，依托隧道實(shí)體工程，運(yùn)用大型有限差分軟件FLAC3D建立隧道三維模型，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析圍巖結(jié)構(gòu)特性對(duì)黃土隧道受力變形的影響，研究結(jié)果可為類(lèi)似黃土隧道工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 黃土結(jié)構(gòu)性影響因素試驗(yàn)研究

目前對(duì)于結(jié)構(gòu)性的研究較為成熟，主要有：謝定義等［10-11］通過(guò)壓縮試驗(yàn)提出的應(yīng)變結(jié)構(gòu)性參數(shù)，邵生俊等［12］通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)提出的應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)，陳存禮等［13］基于壓縮試驗(yàn)提出的孔隙比結(jié)構(gòu)性參數(shù)，鄧國(guó)華［14］、陳昌祿等［15］通過(guò)真三軸試驗(yàn)提出的應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)等，均可定量化的描述黃土的結(jié)構(gòu)性大小，使之與密度、濕度、粒度一起全面描述土的物理力學(xué)性質(zhì)。

隧道開(kāi)挖主要引起圍巖應(yīng)力重分布，進(jìn)而導(dǎo)致隧道變形。此過(guò)程涉及的力學(xué)指標(biāo)較多，因此選用物理意義明確的應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)進(jìn)行研究，此結(jié)構(gòu)性參數(shù)能夠綜合反映球應(yīng)力與剪應(yīng)力的影響，其表達(dá)式為：

式中：（q/p）y、（q/p）r和（q/p）s分別代表原狀、重塑、飽和黃土的剪應(yīng)力與球應(yīng)力比值，通過(guò)三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)反映擾動(dòng)、浸水和加荷作用下土的結(jié)構(gòu)性變化。

為方便應(yīng)用，馬林等［16］將應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與廣義剪應(yīng)變建立如下關(guān)系：

其中：A、B為試驗(yàn)參數(shù)，取值情況如下：

同時(shí)分析結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，給出了如式（6）的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：a、b和d均為試驗(yàn)參數(shù)，其取值為：a=0.66，b=0.14，d=-0.95。

從式（2）可看出，該結(jié)構(gòu)性參數(shù)實(shí)際上反映了土體含水率、圍壓及剪應(yīng)變之間的綜合影響，土體部分變化規(guī)律如圖1～圖4所示。

圖1～圖4表明，隨著剪應(yīng)變的發(fā)展，土體的結(jié)構(gòu)性參數(shù)不斷減小，最終趨于穩(wěn)定，依據(jù)綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想，此時(shí)土體的空間結(jié)構(gòu)完全破壞，土體性質(zhì)類(lèi)似于正常固結(jié)土。

圖1 含水率為18%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

圖2 含水率為14%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

圖3 含水率為10%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

圖4 含水率為5%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

2 隧道力學(xué)模型

2.1 工程概況

弓家溝隧道位于興縣新莊村和弓家溝之間，左線洞體全長(zhǎng)675 m，進(jìn)口段里程樁號(hào)為ZK86+734，洞口底板設(shè)計(jì)高程為1 153.38 m，出口段里程樁號(hào)為ZK87+409，洞口底板設(shè)計(jì)高程為1 150.28 m。隧道呈南北走向，山梁頂部覆蓋粉土、粉質(zhì)黏土。隧道起點(diǎn)洞口所在的基巖山坡有厚層粉土、粉質(zhì)黏土覆蓋，坡度較緩，微地貌屬于黃土中緩坡；終點(diǎn)洞口所在的山坡有厚層粉土、粉質(zhì)黏土覆蓋，坡度較緩，微地貌屬黃土中緩坡。

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)圣維南原理和隧道工程實(shí)際，模型只考慮一定范圍內(nèi)的土體性狀，本文的計(jì)算土體主要為黃土。據(jù)隧道周邊地形將隧道模型簡(jiǎn)化，如圖5所示，數(shù)值模型如圖6所示。計(jì)算區(qū)域取為60 m×35 m× 44 m（長(zhǎng)×寬×高（地表最低處）），邊界條件除上表面自由外，其他各面均為簡(jiǎn)支約束。鑒于掌子面的空間效應(yīng)和邊界條件的影響，選取縱向Y=21.7 m截面進(jìn)行重點(diǎn)分析。土體選用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型。模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 模型示意圖

圖6 計(jì)算模型

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3 隧道模擬結(jié)果分析

為消除隧道開(kāi)挖過(guò)程中兩端邊界效應(yīng)的影響，選取隧道開(kāi)挖至中間斷面Y=21.7 m為研究對(duì)象，對(duì)其受力變形情況進(jìn)行分析。

3.1 不考慮結(jié)構(gòu)影響的隧道變形分析

隧道開(kāi)挖過(guò)程中較為重要的因素為位移變化情況，因此對(duì)開(kāi)挖引起的橫向位移（見(jiàn)圖7）和豎向位移（見(jiàn)圖8）作以下分析：

（1）圖7說(shuō)明，由于隧道開(kāi)挖使得隧道洞腰兩側(cè)形成了明顯的松動(dòng)圈，易使得襯砌出現(xiàn)橫向縱向裂縫。同時(shí)此處的變形最大，最易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)圍巖襯砌的要求較高，常需施做伸縮縫。洞腰處最大位移達(dá)7.2 mm。

（2）圖8表明在隧道開(kāi)挖時(shí)隧道洞頂沉陷，洞底隆起，嚴(yán)重時(shí)易引起洞頂塌方、洞底地板破裂。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)往往需進(jìn)行超前支護(hù)，在洞底施做仰拱支護(hù)。

圖7 隧道開(kāi)挖時(shí)橫向位移云圖（不考慮結(jié)構(gòu)性影響）

圖8 隧道開(kāi)挖時(shí)豎向位移云圖（不考慮結(jié)構(gòu)性影響）

3.2 考慮結(jié)構(gòu)影響的隧道變形分析

黃土結(jié)構(gòu)性是其區(qū)別于正常固結(jié)土的最重要特征，是描述黃土物理力學(xué)性質(zhì)最重要因素之一。目前研究隧道穩(wěn)定性時(shí)均未考慮黃土結(jié)構(gòu)性的影響。隧道開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力改變，土體內(nèi)部水平衡被打破，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力和土體含水率二次分布，引起隧道變形，土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低，直接影響隧道的穩(wěn)定性。圍巖土體結(jié)構(gòu)衰變是隧道變形的內(nèi)因，因此傳統(tǒng)方法在評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性方面存在一定缺陷。

綜上，通過(guò)土結(jié)構(gòu)性室內(nèi)試驗(yàn)分析取得結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強(qiáng)度、應(yīng)變、含水率和圍壓之間的關(guān)聯(lián)模型，采用Fish語(yǔ)言編程將其關(guān)聯(lián)模型引入到FLAC3D計(jì)算中，通過(guò)圍巖壓力、含水率的變化來(lái)間接反映土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)的改變，進(jìn)而引起隧道圍巖強(qiáng)度參數(shù)的變化。分析結(jié)果如下：

容易看出，考慮結(jié)構(gòu)性影響后隧道的圍巖變形規(guī)律（見(jiàn)圖9、圖10）與不考慮時(shí)基本一致，但二者在數(shù)值上有所差異，考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)橫向位移較不考慮時(shí)小1 mm，豎向位移較不考慮時(shí)大4 mm，約占總位移的13.3%和33.3%。同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)拱頂變形增大，側(cè)墻變形減小，主要是因?yàn)樗淼拦绊斏细餐馏w結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)破壞，土體強(qiáng)度驟降，引發(fā)洞頂大變形；由于隧道襯砌的存在，使得洞頂處土體受力向側(cè)墻轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生擠壓側(cè)墻土體的作用，使得側(cè)墻處土體變形減小。這些均與土體結(jié)構(gòu)性密切相關(guān)，即土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞后土體強(qiáng)度迅速降低，常會(huì)發(fā)生脆性破壞，衰減幅度巨大。但目前研究中并未考慮其影響，開(kāi)挖過(guò)程中認(rèn)為圍巖土體一直保持完好，未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏不安全。

圖9 隧道開(kāi)挖時(shí)橫向位移云圖（考慮結(jié)構(gòu)性影響）

從圖11中可看出，隧道開(kāi)挖過(guò)程中洞周?chē)鷰r出現(xiàn)了明顯的松動(dòng)圈，此處的應(yīng)變量較大。圖12、圖13表明隧道開(kāi)挖時(shí)結(jié)構(gòu)性場(chǎng)亦呈現(xiàn)良好的規(guī)律分布，在洞頂豎向隨埋深的增加逐漸減小，洞底豎向隨埋深的增加逐漸增大，洞周左右兩側(cè)基本成對(duì)稱(chēng)分布。因此從剪應(yīng)變?cè)茍D、結(jié)構(gòu)性參數(shù)云圖及結(jié)構(gòu)性參數(shù)等值線圖多角度均證明了圍巖松動(dòng)圈的存在，可用土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)來(lái)分析圍巖穩(wěn)定性。圖14表明在隧道拱頂上方結(jié)構(gòu)性參數(shù)沿埋深方向變化分兩階段：迅速陡降段和緩慢發(fā)展段。隧道圍壓破壞均發(fā)生在陡降段，因此可用陡降段和平緩段的交點(diǎn)（可通過(guò)曲線斜率而定）確定松動(dòng)圈范圍。

圖10 隧道開(kāi)挖時(shí)豎向位移云圖（考慮結(jié)構(gòu)性影響）

圖11 隧道開(kāi)挖時(shí)剪應(yīng)變?cè)茍D

圖12 隧道開(kāi)挖時(shí)結(jié)構(gòu)性云圖

圖13 隧道開(kāi)挖時(shí)結(jié)構(gòu)性場(chǎng)等值線圖

圖14 隧道拱頂軸線結(jié)構(gòu)性關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

黃土隧道的穩(wěn)定性與圍巖土體的性質(zhì)密切相關(guān)，即圍巖結(jié)構(gòu)性愈強(qiáng)，隧道愈穩(wěn)定。本文根據(jù)平面應(yīng)變?nèi)S試驗(yàn)結(jié)果建立應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)、圍壓、含水率及剪應(yīng)變之間的關(guān)聯(lián)模型，應(yīng)用Fish語(yǔ)言將其引入到隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，初步實(shí)現(xiàn)了黃土結(jié)構(gòu)性的工程應(yīng)用，并得出以下結(jié)論：

（1）揭示了土體結(jié)構(gòu)性對(duì)隧道變形的影響規(guī)律，即考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)隧道豎向沉降偏大，以往的研究偏不安全，需加以重視。

（2）提出了通過(guò)結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化特性確定隧道圍巖松動(dòng)圈的思路，為結(jié)構(gòu)性的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

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［2］ 李術(shù)才，朱維申，陳衛(wèi)忠，等.彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預(yù)估系統(tǒng)研究中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（4）：466－472.

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Analysis of the Mechanics Response of Loess Tunnel Surrounding Soils Considering Structural Effect

MA Lin，GUAN Wei，ZHANG Jun
（Shanxi Transportation Research Institute，Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

Currently the structural characteristic of the surrounding rock is not considered in loess tunnel deformation analysis.Based on the test results of plane strain，the relationships between the structural parameters and strength parameters，water content，confining pressure and shear strain were analyzed in this paper.The tunnel three－dimensional model was developed by using FLAC3Dnumerical software.With Fish language programming，the structural is introduced into the tunnel deformation calculation.The impact of tunnel deformation was analyzed by soil structure changes.The conclusions are：the influence law of soil structure to the tunnel deformation is revealed，considering the structural effect tunnel vertical settlement is larger，which leads to the conclusion that the normal results is not safe therefore it needs more attention.A new method was proposed which estimates tunnel surrounding rock loose circle by structural parameters changes which lays foundation for the further application.

loess；structure；tunnel；surrounding；deformation

U452.1+2

A

1672—1144（2016）05—0114—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.022

2016－06－12

2016－07－14

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目（2014318771100）；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（青年科技研究基金）項(xiàng)目（2014021033-2）

馬 林（1986—），男，陜西楊凌人，碩士，工程師，主要從事黃土力學(xué)與隧道工程研究工作。E－mail：327759595@qq.com