超孔隙水壓力作用下某隧洞穩(wěn)定數(shù)值模擬研究

佟文韜

（河北省保定水文水資源勘測(cè)局，河北 保定 071000）

超孔隙水壓力作用下某隧洞穩(wěn)定數(shù)值模擬研究

佟文韜

（河北省保定水文水資源勘測(cè)局，河北 保定 071000）

為研究在超孔隙水壓力作用下隧洞開挖支護(hù)后圍巖的應(yīng)力應(yīng)變特性，以某新建取水隧洞為例，采用數(shù)值分析法對(duì)隧洞的開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：受超孔隙水壓力影響，土體開挖將造成隧洞位移逐漸增大，及時(shí)支護(hù)后變形量得到控制；隧洞圍巖剪應(yīng)力主要分布在拱頂和洞底兩側(cè)，支護(hù)后剪應(yīng)力和剪應(yīng)變均有所減?。辉诘乇碥囕d作用產(chǎn)生超孔隙水壓力后，隧洞拱頂右側(cè)所受剪力和彎矩明顯大于左側(cè)。

超孔隙水壓力；隧洞；數(shù)值分析；應(yīng)力；彎矩

在傳統(tǒng)水利工程中，取水隧洞常作為導(dǎo)流和放空的水工建筑物使用。隧洞開挖后，使得原有封閉的巖體被揭露，并與周圍的外界環(huán)境相接觸，外界環(huán)境因素的改變對(duì)巖體的變形與損傷弱化影響作用明顯，尤其是水的存在會(huì)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要影響［1］。Cai等［2］提出了地下洞室開挖完成后脆性巖體裂紋起裂和裂紋損傷的應(yīng)力門檻值，并根據(jù)隧洞開挖后圍巖的應(yīng)力重分布判斷開挖損傷區(qū)的大??；Carter等［3］通過對(duì)巖體不同開挖速率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)巖體開挖卸荷速率越快，對(duì)圍巖的破壞越大；Ma［4］和Zhu［5］采用數(shù)值模擬的方法，研究了爆炸荷載作用下巖體的損傷及裂紋擴(kuò)展過程；王媛等［6］采用顆粒流PFC3D軟件對(duì)隧洞突水、突泥的全過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)突水發(fā)生的前提是存在集中的高壓水源，水源壓力的大小、巖體強(qiáng)度、巖體裂隙性狀是影響突水的主要因素。

縱觀現(xiàn)有的隧洞研究成果，主要針對(duì)巖體開挖損傷和滲流對(duì)圍巖穩(wěn)定性方面的研究，而基本忽略了外界荷載對(duì)隧洞短時(shí)間作用時(shí)產(chǎn)生超孔隙水壓力作用下圍巖穩(wěn)定的影響。因此，本文基于Plaxis滲流有限元程序，在考慮車載瞬時(shí)作用產(chǎn)生超孔隙水壓力的基礎(chǔ)上，研究隧洞在開挖、支護(hù)后圍巖和加固結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力應(yīng)變特性，旨在對(duì)隧洞的穩(wěn)定性做出評(píng)估，為后期工程建設(shè)的順利開展提供參考。

1 隧洞概況及模型建立

某新建取水隧洞為無壓段隧洞，城門洞型，設(shè)計(jì)的側(cè)墻高度1．85m，頂拱為半徑0．75m半圓形結(jié)構(gòu)，50cm厚鋼筋C25混凝土襯砌。隧洞坡度i=0．0015，出口底板與干渠相連。目前，取水隧洞已經(jīng)順利挖通，但由于隧洞所處地質(zhì)條件較差，在后期施工過程中洞內(nèi)土體出現(xiàn)了局部坍塌掉落現(xiàn)象，給工程的順利施工造成了不利影響。

選取隧洞開挖剖面4-4進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際地形建立有限元計(jì)算模型，最大高度15m，寬13m，頂部距拱頂6m，地表存在寬4m的公路，因此需考慮過車荷載的影響，均布荷載取20kN/m，地下水埋深3～4m。最終建立的取水隧洞開挖模型如圖1。

為了研究隧洞從開挖到支護(hù)過程中隧洞各部位發(fā)生的位移變化，選取隧洞邊界4個(gè)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)，并編號(hào)A，B，C，D，其中A位于拱頂點(diǎn)，B和D位于洞底兩側(cè)，C位于洞底中部，具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1（b）。

圖1 取水隧洞開挖模型及相關(guān)尺寸

根據(jù)隧洞地層結(jié)構(gòu)及其工程勘察報(bào)告，取水隧洞圍巖分級(jí)為Ⅳ類，巖體質(zhì)量較差，主要為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，遇水后強(qiáng)度將大大降低，相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1。C25鋼筋混凝土采用板單元模擬，輸入相關(guān)的剛度參數(shù)即可［7-9］。

表1 相關(guān)力學(xué)參數(shù)

隧洞模型建好后，需對(duì)隧洞地下水進(jìn)行初始水力計(jì)算。地表施加了車載，屬于外部荷載，當(dāng)土體受到外力擠壓，土體顆粒內(nèi)將產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，且車載作用時(shí)間較短，超靜孔隙水壓力來不及消散，將在一定時(shí)間內(nèi)存在于巖土體內(nèi)部，如圖2。一般來說，超孔隙水壓力會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸消散，屬于土體固結(jié)過程，本文暫不考慮［10-12］。

圖2 車載作用下隧洞圍巖超靜孔壓分布

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 圍巖位移分析

由于隧洞土體開挖卸荷的影響，隧洞周邊巖體將發(fā)生不同程度的變形，圖3給出了隧洞開挖后模型發(fā)生的水平和垂直方向位移，規(guī)定水平位移向右為正，垂直位移向上為正。

分析可知：在水平方向上，隧洞發(fā)生水平位移的區(qū)域主要集中在側(cè)墻外部巖體，向隧洞內(nèi)側(cè)變形，且由內(nèi)向外逐漸減小，左右兩側(cè)的位移云圖基本對(duì)稱，左側(cè)最大值2cm，右側(cè)最大值2．5cm，說明隧洞右側(cè)土體發(fā)生的水平位移稍大，這是由于隧洞右側(cè)位于公路以下，受地表的車載壓力傳遞造成的，如圖3（a）。

在垂直方向上，隧洞發(fā)生垂直位移主要分布在拱頂及洞底一定深度范圍內(nèi)的土體。受上部覆蓋土壓力和車載的影響，拱頂發(fā)生向下的垂直位移，最大值2．2cm，并在拱頂與公路間的土體內(nèi)形成1．5cm的沉降帶。而隧洞底部土體由于受卸荷回彈作用明顯，發(fā)生垂直向上的回彈位移，最大值1．4cm，且深度越深，回彈量也越小，如圖3（b）。

圖3 隧洞開挖后位移云圖

圖4給出了不同計(jì)算步隧洞開挖支護(hù)后測(cè)點(diǎn)垂直位移變化情況，其中前2步為施加重力和地下水作用，之后將位移清零，3～9步表示隧洞開挖，9步以后開始襯砌支護(hù)。分析可知，在開挖階段，隧洞各部位發(fā)生的位移逐漸增大，其中位于拱頂?shù)腁點(diǎn)沉降明顯，底部出現(xiàn)較小的回彈變形，當(dāng)及時(shí)采取支護(hù)措施后，各點(diǎn)位移基本保持穩(wěn)定并不再變化。

圖4 隧洞開挖支護(hù)后測(cè)點(diǎn)位移變化

綜上所述，本隧洞工程開挖完成后及時(shí)采取支護(hù)措施，有利于控制隧洞圍巖的變形。相反，如果隧洞開挖后支護(hù)措施相對(duì)滯后，任由其發(fā)展，圍巖沉降量將隨時(shí)間的推移出現(xiàn)不可逆的增加，此時(shí)再進(jìn)行支護(hù)為時(shí)已晚。因此，對(duì)于類似工程隧洞開挖后的Ⅳ類圍巖必須及時(shí)采取支護(hù)措施。

2.2 圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析

由于本工程隧洞開挖后穩(wěn)定性較差，有必要進(jìn)一步對(duì)圍巖進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。巖體開挖后圍巖臨空，破壞形態(tài)往往可以分為拉破壞和剪切破壞兩種［13］，而本工程涉及的圍巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，遇水浸泡后幾乎沒有抗拉強(qiáng)度，因此本文應(yīng)力分析以剪切破壞為主。

圖5為隧洞開挖后圍巖的剪應(yīng)力分布。分析可知，剪應(yīng)力主要集中分布在拱頂和洞底兩側(cè)，支護(hù)前最大剪應(yīng)力為-98kPa，支護(hù)后剪應(yīng)力分布范圍得到控制，最大剪應(yīng)力-91kPa，比支護(hù)前有所減小。

圍巖在剪應(yīng)力作用下，將發(fā)生相應(yīng)的剪切變形。剪切應(yīng)變?chǔ)糜?jì)算公式：

圖5 支護(hù)前后隧洞剪應(yīng)力τ分布對(duì)比

式中θ為巖體材料將發(fā)生偏斜的偏斜角。

由于剪應(yīng)變數(shù)值較小，且為無量綱，因此剪應(yīng)變的單位用%或10-3%表示。

圖6（a）表示了隧洞支護(hù)前的剪應(yīng)變分布，發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)變主要分布在隧洞底部?jī)蓚?cè)與側(cè)墻交點(diǎn)位置，最大剪應(yīng)變?cè)?．12%～0．14%之間，拱頂兩側(cè)剪應(yīng)變大小為0．05%。當(dāng)及時(shí)采取支護(hù)措施后，圍巖剪應(yīng)變得到有效控制，剪應(yīng)變最大值位于洞底右側(cè)，僅為1．9×10-3%，左側(cè)和拱頂?shù)募魬?yīng)變更小，具體如圖6（b）。

圖6 支護(hù)前后隧洞剪應(yīng)變對(duì)比

2.3 襯砌受力變形分析

本文采用了板單元模擬了相應(yīng)厚度的鋼筋C25混凝土襯砌，需對(duì)其變形和受力狀態(tài)進(jìn)行分析，以便評(píng)估襯砌的安全性和可靠性。圖7為襯砌的位移矢量，剪頭指向?yàn)榘l(fā)生位移方向，發(fā)現(xiàn)側(cè)墻中部向內(nèi)變形明顯，最大變形量2．44cm，拱頂圓弧結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為下沉、大小相等，洞底中部發(fā)生向上的垂直位移，往兩側(cè)遞減。圖8為襯砌的軸力圖，數(shù)值為負(fù)值，說明結(jié)構(gòu)主要受壓，最大值位于拱頂中部，為-8．07kN，其余部位軸力相對(duì)較小。

圖7 襯砌位移矢量（極值2.44cm）

圖8 襯砌軸力圖（極值-8.07kN）

圖9 襯砌剪力（極值5.13kN）

圖9和圖10分別為襯砌結(jié)構(gòu)所受剪力和彎矩圖。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可知：在剪力FQ=0處，彎矩取得極值，說明本文計(jì)算結(jié)果是正確的。其中最大剪力發(fā)生在拱頂右下側(cè)，為5．13kN，而最大彎矩位于拱頂右側(cè)圓弧中部，為1．64kN·m。襯砌結(jié)構(gòu)右側(cè)所受剪力和彎矩明顯大于左側(cè)，這是由于右側(cè)地表施加了車載造成的。

圖10 襯砌彎矩（極值1.64kN·m）

3 結(jié)語

以某新建取水隧洞為例，采用數(shù)值分析法對(duì)隧洞的開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)研究了在超孔隙水壓力作用下，隧洞圍巖的位移和應(yīng)力應(yīng)變特性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形情況，得到以下結(jié)論：

（1）隧洞受開挖卸荷影響，側(cè)墻發(fā)生相向的水平位移，拱頂下沉2．2cm，洞底最大回彈位移1．4cm。隧洞的開挖施工將造成各部位垂直位移逐漸增大，及時(shí)采取支護(hù)措施有利于控制隧洞變形。

（2）隧洞圍巖剪應(yīng)力主要分布在拱頂和洞底兩側(cè)，采取襯砌支護(hù)后，最大剪應(yīng)變有所減小，最大剪應(yīng)變由0．12%～0．14%減小到1．9×10-3%。

（3）襯砌結(jié)構(gòu)的變形量在允許范圍內(nèi)。受右側(cè)地表車載影響，隧洞拱頂右側(cè)所受剪力和彎矩明顯大于左側(cè)。結(jié)構(gòu)計(jì)算成果可為工程加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

綜上所述，在對(duì)此類含水量較多的巖土隧洞進(jìn)行開挖支護(hù)模擬時(shí)，若可能出現(xiàn)短時(shí)間作用的外部荷載，需考慮超孔隙水壓力的影響。

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（責(zé)任編輯：尹健婷）

Numerical simulation study of a tunnel stability under excess pore water pressure condition

TONG Wen-tao
（Baoding Hydrology and Water Resources Survey Bureau，of Hebei Province，Baoding 071000，China）

In order to study the effect of excess pore water pressure and tunnel excavation support after supporting of surrounding rock，taking a tunnel as an example，the tunnel excavation process is simulated.The results show that：the soil excavation will cause tunnel displacement increasing gradually，deformation could be controlled with timely support；tunnel surrounding rock shear stress is mainly distributed in both sides of the vault and the bottom of the cave，and the shear stress and shear strain decreases after support；the tunnel shear stress and bending moment is larger than the left significantly when considering the surface vehicle on the right side and with excess pore water pressure.

excess pore water pressure；tunnel；numerical analysis；stress；bending moment

TV672+.1；U45

：B

：1672-9900（2017）02-0017-05

2017-01-10

佟文韜（1983-），男（漢族），河北保定人，工程師，主要從事水利工程方向研究，（Tel）18932653705。