軟弱圍巖隧道ANSYS有限元數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)對(duì)比研究分析

張舉鵬

【摘 要】隨著深埋、長(zhǎng)大山嶺隧道建設(shè)日漸增多，隧道穿越地層的復(fù)雜程度加劇、建設(shè)難度加大，軟弱圍巖隧道的穩(wěn)定性和支護(hù)方法已成為工程施工中亟需解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)軟弱圍巖的地質(zhì)特征及工程特性、軟弱圍巖破壞的特征及影響因素進(jìn)行研究；基于監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值模擬分析重點(diǎn)研究了圍巖與初期支護(hù)的相互作用應(yīng)力，初期支護(hù)變形隨時(shí)間發(fā)展的規(guī)律。以典型斷面為例，應(yīng)用 ANSYS有限元軟件對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，繪制收斂速率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際研究分析對(duì)比，找出圍巖變形及穩(wěn)定規(guī)律，確定二襯施做時(shí)機(jī)。

【關(guān)鍵詞】軟弱圍巖；監(jiān)控量測(cè)；支護(hù)設(shè)計(jì)；數(shù)值分析

0 前言

我國(guó)正處于隧道建設(shè)的高潮時(shí)期，在隧道建設(shè)上每年都投入大量的人力、物力和財(cái)力[1]，以適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。長(zhǎng)期以來(lái)，隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和隧道開(kāi)挖后應(yīng)力重分布特征研究是工程地質(zhì)學(xué)者研究的重要課題[2]，對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的山區(qū)公路隧道而言，區(qū)域地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造則是與其圍巖穩(wěn)定性所在有著直接關(guān)系的重要工程地質(zhì)問(wèn)題。比如區(qū)域性斷裂破碎帶地區(qū)，斷裂帶區(qū)域內(nèi)的隧道圍巖意味著圍巖中各類(lèi)結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育、圍巖結(jié)構(gòu)松散、巖體破碎、裂隙水發(fā)育等因素導(dǎo)致圍巖基本處于體強(qiáng)度較低的碎裂狀態(tài)。實(shí)踐證明，破碎帶區(qū)域圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題是十分重要的問(wèn)題，它直接影響隧道工程的進(jìn)度，關(guān)系著工程的成敗。某隧道施工中，由于地層破碎，圍巖穩(wěn)定性差，出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，迫使施工中斷，轉(zhuǎn)而又投入巨大的人力、物力來(lái)處理塌方事故，嚴(yán)重地影響了隧道施工的正常掘進(jìn)，既延誤工期又造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 研究?jī)?nèi)容及采用方法

通過(guò)應(yīng)用ANSYS有限元數(shù)值模擬計(jì)算，量測(cè)儀器的數(shù)據(jù)反饋；得出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力與ANSYS軟件理論計(jì)算[3]數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)軟弱圍巖隧道的施工進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。

2 軟弱圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理

2.1 普氏計(jì)算原理

普氏理論算得的軟質(zhì)圍巖松動(dòng)壓力[4]，一般在松散、破碎圍巖中較為適用。普氏理論認(rèn)為，所有的巖體都不同程度被節(jié)理、裂隙所切割，因此可視為散顆粒。但巖體又不同于一般的散顆粒，其結(jié)構(gòu)面上存在著不同程度的黏結(jié)力。基于這種認(rèn)識(shí)，普氏提出了巖體的“堅(jiān)固性系數(shù)”f（又稱(chēng)側(cè)摩擦系數(shù)）的理念。各計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

為確定圍巖的松動(dòng)壓力，普氏進(jìn)一步提出了基于“自然拱”概念的計(jì)算理論[5]。認(rèn)為在具有一定黏結(jié)力的松散介質(zhì)中開(kāi)挖后，其圍巖上方會(huì)形成一個(gè)拋物線(xiàn)形的自然拱，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力就是自然拱內(nèi)松散巖體的重量。而自然拱的形狀和尺寸（即它的高度hk和跨度bt）與巖體的堅(jiān)固性系數(shù)f有關(guān)。具體表達(dá)式為：

2.2 ANSYS有限元計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)分析數(shù)據(jù)

2.2.1 荷載計(jì)算與數(shù)據(jù)分析圖

2.2.2 對(duì)比分析

某隧道地質(zhì)條件之復(fù)雜實(shí)屬罕見(jiàn)，工程特點(diǎn)可以概括為：深埋、偏壓、富水、高地應(yīng)力，軟巖、順層、山高谷深、地質(zhì)復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)多、科技含量大及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高。通過(guò)應(yīng)用ANSYS有限元軟件數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)對(duì)比分析，理論分析與實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，具體分析如下。

如圖3所示的10個(gè)鋼筋計(jì)從埋設(shè)鋼筋計(jì)到一個(gè)月后測(cè)試數(shù)據(jù)，分析可得出應(yīng)力在開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)都呈遞增的趨勢(shì)，且應(yīng)力都為負(fù)值，即為壓應(yīng)力。說(shuō)明在初期支護(hù)完成后，初期支護(hù)各個(gè)部位都是受壓的，壓力逐漸增加。但是這一階段又隨鋼筋計(jì)的埋設(shè)位置不同，變化時(shí)間上有較大差異。持續(xù)時(shí)間最短的為983#，約3天，壓力增加也較小，為46.5MPa；持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的為988#，從9月26日埋設(shè)鋼筋計(jì)到10月6日均為壓力遞增過(guò)程，壓力增量達(dá)到57.3MPa。在10月5日到6日曲線(xiàn)均有較大的突變，主要是受仰拱開(kāi)挖和仰拱施工影響。該段時(shí)間內(nèi)的各個(gè)鋼筋計(jì)均為壓應(yīng)力減小，其中983#、971#鋼筋計(jì)甚至顯示出現(xiàn)了拉應(yīng)力。由于受壓部位各不相同，變化的量也有很大差異，其中982#鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力變化最大，壓應(yīng)力減小量達(dá)到84.8MPa；990#鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力相應(yīng)變化較小，其變化量為18.5MPa。仰拱澆筑完成后，鋼筋計(jì)壓應(yīng)力的變化趨勢(shì)均為重新開(kāi)始緩慢增大。其中018#、982#、990#的壓應(yīng)力的增大過(guò)程均比較緩慢，持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)；而983#、974#、988#、971#的壓應(yīng)力增大和減小的過(guò)程較短，曲線(xiàn)變化較明顯，持續(xù)時(shí)間短。014#（拱頂）和994#分別數(shù)日后因超過(guò)鋼筋計(jì)測(cè)程而失效，994#和981#鋼筋計(jì)最后的讀數(shù)分別為150.7MPa和45.4MPa，均未達(dá)到鋼筋計(jì)的量程。10月15日以后的測(cè)試讀數(shù)漸趨穩(wěn)定，表明在仰拱澆筑后圍巖變化趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

軟弱圍巖的應(yīng)力重分布和變形是一個(gè)比較長(zhǎng)的過(guò)程，其穩(wěn)定需要時(shí)間較長(zhǎng)，而且在隧道斷面的各個(gè)位置，圍巖的受力狀態(tài)和變化過(guò)程均相差較大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)量化了極限位移分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定控制標(biāo)準(zhǔn)，逐步完善軟巖隧道變形控制技術(shù)。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演接觸壓力，通過(guò)對(duì)圍巖大變形機(jī)理和變形特點(diǎn)的研究，現(xiàn)場(chǎng)施工中根據(jù)圍巖變化情況，及時(shí)調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺、支護(hù)參數(shù)、預(yù)留變形量；提出了在炭質(zhì)頁(yè)巖富水地層采用“合理變形、剛?cè)岵?jì)、多重支護(hù)”；在炭質(zhì)頁(yè)巖貧水地層采用“合理變形、剛?cè)岵?jì)”的控制軟弱圍巖大變形的設(shè)計(jì)理念。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]