地表傾角和埋深對淺埋偏壓隧道塑性區(qū)的影響范圍研究

張立群 高 典 楊 浩 穆柏林 張麗嬌 徐永明

(1.河北建筑工程學院,土木工程學院，河北 張家口 075000；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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地表傾角和埋深對淺埋偏壓隧道塑性區(qū)的影響范圍研究

張立群1高 典1楊 浩1穆柏林1張麗嬌1徐永明2

(1.河北建筑工程學院,土木工程學院，河北 張家口 075000；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

淺埋偏壓隧道施工安全是隧道施工的常見問題.采用FLAC3D有限差分軟件，針對地表傾角和埋深對隧道塑性區(qū)范圍的影響，分為兩組不同工況的隧道開挖進行了數(shù)值分析.結果表明：隨著地表傾角增加，左邊墻和左拱腳的水平位移逐漸減小，當?shù)乇韮A角為35°時位移值為負，出現(xiàn)了向左的位移，右拱腰的豎向位移增大趨勢要大于左拱腰，隨著隧道埋深的增加，位移的大小隨埋深的增大均逐漸增加；剪應力主要集中在左右拱腳和左右邊墻處，塑性區(qū)首先出現(xiàn)在這些區(qū)域，并隨著剪應力的增加范圍逐漸增大.

淺埋偏壓隧道；埋深；地表傾角；塑性區(qū)

0 引 言

高世軍，張學民[1]對貴州三凱高速公路松皆雅隧道工程地質的情況進行了現(xiàn)場調查，對隧道支護結構的壓潰機理進行了理論分析.鐘新樵[2]結合寶中線老頭溝隧道，對偏壓條件下的不同開挖方法進行了對比模型試驗，試驗結果表明隧道偏壓的形成與圍巖性質、地表的傾角、隧道覆土厚度、洞室形狀及尺寸、施工方法均有關.周曉軍，高楊等人[3]針對地質順層巖體作用于隧道襯砌結構上的偏壓載荷進行了模型試驗，初步得出了地質順層偏壓隧道圍巖壓力的分布特點與不同順層傾角之間的變化關系，并對這種隧道的結構形式和支護措施進行了探討.謝世平[4]利用有限元軟件2D-Sigma對隧道的原始地應力場、開挖后的地應力場的分布情況和隧道開挖方法以及支護方式進行了模擬研究.沈春儒，蔣斌松[5]針對樺木溝隧道，通過數(shù)值模擬研究了該偏壓隧道圍巖的變形特征以及穩(wěn)定性，對影響偏壓隧道的因素進行了分析.朱勁，徐幼建，許瑞寧[6]針對沙霸灣隧道洞口偏壓段進行了數(shù)值模擬，研究了紅層地區(qū)不同節(jié)理傾角下隧道圍巖應力和變形.喬雄，陳建勛，王夢恕[7]采用現(xiàn)場監(jiān)控測量的方法，對劉家坪2號隧道洞口段的凈空收斂、圍巖內部位移及拱部下沉進行測試，揭示了黃土隧道洞口段的變形規(guī)律.祁寒，高波等人[8]對均質硬巖、豎向半軟半硬圍巖和均質軟巖偏壓小凈距隧道的施工過程進行了模擬研究.

偏壓隧道，是指由于不對稱力的作用，使隧道支護受到偏壓荷載作用的隧道.引起隧道偏壓的主要影響因素可分為三類：地形引起的偏壓、地質構造引起的偏壓和施工引起的偏壓.地形因素引起的偏壓，主要表現(xiàn)為：隧道頂部覆蓋層較薄，地表橫坡有明顯傾斜的軟質或土質且松散的圍巖，常見于傍山淺埋以及洞口淺埋地段，要想改變地形偏壓具有相當?shù)碾y度；地質構造因素引起隧道偏壓，主要表現(xiàn)為：圍巖為傾斜層狀結構，層間粘結力差且不良節(jié)理裂隙發(fā)育，或者是洞身存在軟弱結構面且傾角較大，使得圍巖部分較硬部分較軟；在隧道施工期間，可能會出現(xiàn)由于施工方法不當造成隧道一側圍巖出現(xiàn)塌方、超挖且回填不密實或未及時支護等原因形成的偏壓，這一類人為原因造成的隧道偏壓屬于施工因素引起的偏壓.

1 隧道數(shù)值模擬

1.1 FLAC3D模型建立

隧道數(shù)值模型根據(jù)實際工程確定，毛洞單跨15.6 m，高11 m，首先采用有限元軟件ANSYS建立三維數(shù)值模型，并劃分網(wǎng)格，再導入FLAC3D有限差分軟件進行數(shù)值計算，巖體的初始地應力場為自重應力場.

根據(jù)彈性力學中接觸理論和拉應力集中現(xiàn)象，隧道開挖對大于隧道洞徑3倍距離外的巖體擾動影響不大，因此，為了消除邊界效應，隧道模型的的左右邊界距開挖邊界取三倍跨度以上，下邊界至仰拱的距離取隧道的三倍高度以上，上邊界為實際地表，模型總寬度為150 m，沿隧道軸向長度為30 m，模型左右邊界和前后邊界約束其相應地水平位移，下邊界約束其豎向位移，上邊界為自由邊界.隧道采用上下臺階法開挖，臺階長9 m，每次開挖進尺3 m.初期支護采用Φ25中空注漿錨桿，L=4 m，間距100 cm×70 cm，噴C25混凝土28 cm.模型采用cable單元模擬錨桿，采用彈性模型來模擬混凝土初期支護.

(a)ANSYS模型網(wǎng)格 (b)初支樣式

圖1 隧道模型網(wǎng)格與支護樣式

1.2 圍巖參數(shù)及數(shù)值仿真工況

表1 圍巖及支護物理力學參數(shù)

表2 工況分組情況

2 計算結果分析

2.1 位移分析

(a)水平位移 (b)豎向位移

圖2 不同地表傾角隧道位移曲線

由圖2中可以得到，隨著地表傾角由15°增加到35°，左邊墻和左拱腳的水平位移逐漸減小，當?shù)乇韮A角為35°時位移值為負，出現(xiàn)了向左的位移，左邊墻位移由0.3 mm減小到-0.15 mm，左拱腳位移由0.3 mm減小到-0.5 mm，右邊墻的位移隨地表傾角的變化不明顯，右拱腳水平位移隨地表偏角的增大逐漸增大，當傾角達到35°時水平位移最大，達到1.6 mm；隨著地表傾角的增加，左拱腰的豎向位移增加幅度不大，而拱頂和右拱腰的豎向位移則增加較多，說明隧道在偏壓作用下變形逐步增大，當偏壓角度超過25°以后變形速率也增大，隨偏壓角度增大右拱腰的豎向位移增大趨勢要大于左拱腰，因此在施工的時候要更加注意隧道右側的支護與圍巖穩(wěn)定性.

(a)水平位移 (b)豎向位移

圖3 不同隧道埋深位移曲線

隨著隧道埋深的變化，各部位水平位移表現(xiàn)很明顯的規(guī)律性，左邊墻和左拱腳產生向左的位移，右邊墻和右拱腳均產生向右的位移，位移的大小隨埋深的增大均逐漸增加，右側的位移值大于左側的位移值；在隧道埋深為10 m時，左、右邊墻的水平位移值接近于0 mm，當埋深為25 m時，隧道右拱腳的水平位移值變化曲線接近水平，說明隨著埋深增大隧道變形有變緩的趨勢，而隨著隧道埋深的增加，左拱腰、拱頂、右拱腳的豎向位移表現(xiàn)出單調增加的趨勢，左拱腰的豎向位移小于拱頂和右拱腰的豎向位移值.隧道的變形值隨著隧道埋深的增加整體呈現(xiàn)出增大的趨勢，因此在設計和施工中應充分考慮到埋深對隧道的影響.

2.2 應力分析

圖4 不同傾角隧道剪應力云圖

不同地偏壓角度隧道的剪應力如圖4所示，隧道左右側的剪應力都較大，而且主要集中在左右拱腳和左右邊墻處，在隧道右拱腳和左邊墻處出現(xiàn)較大的正應力，在隧道左拱腳和右邊墻處出現(xiàn)較大的負應力，15°傾角時最大正應力為8.0247e5，最大負應力值為1.0388e6，35°傾角時最大正應力為7.8560e5，最大負應力為1.5634e6.隨著地面傾角的增大，最大正應力值變化不大，而最大負應力值增加較多.

圖5 不同埋深隧道剪應力云圖

在不同埋深的隧道剪應力如圖5所示，隨著埋深的增大，剪應力集中的部位基本沒有發(fā)生改變，但剪應力的數(shù)值隨之增加，左拱腳處剪應力增加速度較快，右側應力集中區(qū)的范圍較左側大.隧道右拱腳和左邊墻處的剪應力為正，在左拱腳和右邊墻處的剪應力為負，最大負應力約為最大正應力值的2倍.

2.3 塑性區(qū)分析

圖6 不同地表傾角與不同埋深隧道塑性區(qū)范圍分布圖

對比圖6中兩組工況隧道的塑性區(qū)圖，藍色代表沒有進入屈服狀態(tài)，綠色代表曾經(jīng)達到剪應力屈服狀態(tài)，紅色代表現(xiàn)在處于剪應力屈服狀態(tài)，可以觀察到地表傾角和隧道埋深對塑性區(qū)的影響，塑性區(qū)首先出現(xiàn)在最大剪應力集中的區(qū)域，隨著剪應力的增加，塑性區(qū)的范圍也逐漸增大.當傾角在20°以下時，隧道的整體塑性區(qū)范圍較小，右側的塑性區(qū)比左側的范圍略大一些，當傾角繼續(xù)增大時，隧道右側塑性區(qū)范圍有了很大的發(fā)展，而左側的塑性區(qū)范圍則較為穩(wěn)定；當隧道埋深由10 m增加到30 m時，可以看出不僅右側塑性區(qū)的范圍明顯增大，隧道左側的塑性區(qū)范圍也有一定程度的增大.隧道右拱腳處的塑性區(qū)向右上方發(fā)展，右邊墻底的塑性區(qū)向右下方發(fā)展，因此，一定要重視隧道右側的支護與變形監(jiān)測，同時兼顧隧道左側的施工，防止隧道片幫、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生.

3 結 論

通過對不同地表傾角和隧道埋深兩組工況隧道的數(shù)值模擬，分析了隧道的變形、應力以及圍巖塑性區(qū)，得出以下結論：

(1)隨著地表傾角由15°增加到35°，左邊墻和左拱腳的水平位移逐漸減小，當?shù)乇韮A角為35°時位移值為負，出現(xiàn)了向左的位移，右拱腰的豎向位移增大趨勢要大于左拱腰；隨著隧道埋深的增加，位移的大小隨埋深的增大均逐漸增加，右側的位移值大于左側的位移值，當埋深為25 m時，隧道右拱腳的水平位移值變化曲線接近水平，說明隨埋深增大隧道變形有變緩的趨勢.

(2)隨著地表傾角和隧道埋深的增加，剪應力主要集中在左右拱腳和左右邊墻處，在隧道右拱腳和左邊墻處出現(xiàn)較大的正應力，在隧道左拱腳和右邊墻處出現(xiàn)較大的負應力，塑性區(qū)首先出現(xiàn)在最大剪應力集中的區(qū)域，隨著剪應力的增加，塑性區(qū)的范圍也逐漸增大.

[1]高世軍,張學民.地形與地質構造偏壓隧道結構受力分析[J].中外公路,2009,29(5):204～207

[2]鐘新樵.土質偏壓隧道襯砌模型試驗分析[J].西南交通大學學報,1996,31(6):602～606

[3]周曉軍,高楊,李澤龍,楊昌宇.地質順層偏壓隧道圍巖壓力及其分布特點的試驗研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2006,43(1):12～21

[4]謝世平.偏壓隧道穩(wěn)定性分析及控制研究[D].重慶:重慶大學,2007

[5]沈春儒,蔣斌松.樺木溝隧道圍巖偏壓穩(wěn)定性研究[J].公路交通科技,2011,000(009):164～166

[6]朱勁,徐幼建,許瑞寧.不同節(jié)理傾角對紅層地區(qū)偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的影響[J].四川建筑,2015,35(2):91～93

[7]喬雄,陳建勛,王夢恕.黃土公路隧道洞口段變形規(guī)律測試研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(z2):3552～3556

[8]祁寒,高波,王帥帥,徐川.不同地質條件淺埋偏壓小凈距隧道施工力學效應研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2014,51(4):108～112

Study on Influence Scope of Shallow tunnel with unsymmetrical loadings Plastic Zone by Surface Dip and Buried Depth

ZHANGLi-qun1，GAODian1，YANGHao1，

MUBai-lin1，ZHANGLi-jiao1，XUYong-ming2

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei,075000,China;2.Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin,300142,China)

Construction safety of shallow tunnel with unsymmetrical loadings is an important problem in tunnel construction.The paper use FLAC3Dto analyse ten different conditions of tunneling for surface dip and buried depth of the tunnel and the plastic zone impact.The result show：With the increasing of the surface dip,the horizontal displacement of the left wall and the left arch reduce gradually,and when the surface dip was 35 degree,the horizontal displacement is negative;The increasing trend of the vertical displacement of Right hance is greater than left hance;With the increasing of tunnel depth,the displacement increase gradually;Sheer stress is mainly concentrated around the left and right arch and the left and right wall,and plastic zone first appears in these area and its scope enlarge with the increasing of sheer stress.

Shallow tunnel with unsymmetrical loadings;Buried depth;Surface dip;Plastic zone

2016-04-24

2016年河北建筑工程學院研究生創(chuàng)新基金項目(XA201601)

張立群(1972-)，男，教授，從事土木工程專業(yè)施工與道路橋梁健康監(jiān)測研究.

U 451+.2

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