隧道圍巖蠕變模型參數(shù)計(jì)算及變形數(shù)值分析

樊高臣++李瑞靜

摘 要：為了解圍巖蠕變對(duì)二次襯砌的影響，得到二次襯砌的最佳時(shí)機(jī)，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)反演得到分水嶺隧道圍巖蠕變參數(shù)，利用FLAC3D有限差分方法分別對(duì)隧道開挖后的靜力過(guò)程和蠕變過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，得到圍巖流變特性對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合規(guī)范確定了分水嶺隧道的最佳二次襯砌時(shí)間。

關(guān)鍵詞：蠕變 支護(hù)時(shí)機(jī) 數(shù)值分析 二次襯砌

中圖分類號(hào)：TV731 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0048-02

巖石的蠕變特性決定了隧道圍巖具有流變性，實(shí)際工程中圍巖的失穩(wěn)和破壞也和時(shí)間有很大關(guān)系[2]，所以合理的支護(hù)時(shí)機(jī)既能保證圍巖的穩(wěn)定性，又能發(fā)揮圍巖的自承能力。決定支護(hù)時(shí)機(jī)要充分考慮巖石蠕變特性的影響。

1 隧道的蠕變模型參數(shù)辨識(shí)

1.1 保角變換和復(fù)變理論

隧道圍巖任意一點(diǎn)的粘彈性解析表達(dá)式是參數(shù)計(jì)算的基本條件，對(duì)于規(guī)則圓形洞口較為簡(jiǎn)單，但隧道洞口斷面設(shè)計(jì)大都按照三心圓確定，具有復(fù)雜的邊界條件和荷載分布，這里采用保角變換和復(fù)變映射的方式將復(fù)雜斷面換算為單位圓，從而得到任意一點(diǎn)的位移表達(dá)式。

函數(shù)S（t）包涵的參數(shù)有復(fù)勢(shì)函數(shù)、映射函數(shù)、彈性模量、泊松比，而映射函數(shù)Z=及復(fù)勢(shì)函數(shù)求出后就能得到復(fù)雜斷面的位移表達(dá)式。

1.2 映射函數(shù)和復(fù)勢(shì)函數(shù)的求解

根據(jù)保角變換的理論，復(fù)雜斷面內(nèi)任一點(diǎn)都在單位圓中有相應(yīng)的坐標(biāo)，以Laurent級(jí)數(shù)的形式表示映射函數(shù)為：

在分水嶺隧道某一觀測(cè)截面處選取20個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)復(fù)合形最優(yōu)化技術(shù)，求出映射函數(shù)的各個(gè)參數(shù)值，得到映射函數(shù)系數(shù)為：

映射函數(shù)為：

復(fù)勢(shì)函數(shù)可以根據(jù)隧洞圍巖力學(xué)分析得到，將映射函數(shù)和復(fù)勢(shì)函數(shù)帶入公式（1）中即可得到一般復(fù)雜孔口任意一點(diǎn)的位移表達(dá)式。

2 分水嶺隧道數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù)

分水嶺隧道洞口為V級(jí)圍巖，其余部分為Ⅳ級(jí)，建立模型左右邊界限制水平自由度，下邊界限制所有方向自由度，前后面限制縱向自由度。以殼單元（shell）模擬噴射混凝土初級(jí)支護(hù)，錨索單元（cable）模擬錨桿，錨桿間距為1.0 m×1.0 m，長(zhǎng)度3 m，成梅花型布置，以實(shí)體單元模擬二次襯砌。

2.2 靜力計(jì)算模擬

以摩爾庫(kù)倫定律為屈原則進(jìn)行靜力計(jì)算，隧道開挖時(shí)為了更好地分析開挖造成的圍巖收斂情況，先將自然狀態(tài)下的計(jì)算位移清零，毛洞開挖后通過(guò)Flac3d自帶fish語(yǔ)言預(yù)加60%反方向力，達(dá)到地應(yīng)力釋放40%效果，以模擬開挖時(shí)的臺(tái)階效應(yīng)，剩余60%地應(yīng)力在初級(jí)支護(hù)施加后釋放。

2.3 圍巖蠕變計(jì)算

（1）施加初級(jí)支護(hù)后圍巖的蠕變情況。

圖1為隧道開挖后圍巖在30 d內(nèi)位移變化曲線圖，第25～30 d，拱頂位移增長(zhǎng)2.2 mm，水平方向增長(zhǎng)1.9 mm，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，第25 d豎向位移達(dá)到穩(wěn)定值的97.3%，水平位移達(dá)到穩(wěn)定值的87.1%。25 d以后變形速度較慢，拱頂處為0.21 mm/d，周邊圍巖收斂速度為0.18 mm/d，已經(jīng)滿足規(guī)范要求的二次襯砌的時(shí)機(jī)。

（2）不同二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)下支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移分析。

該文在初級(jí)支護(hù)完成的第1、5、10、15、20、25、30 d分別施加二次襯砌，計(jì)算100 d后初級(jí)支護(hù)的位移結(jié)果如表1所示。

表1為二次襯砌施加越早，100 d后初級(jí)支護(hù)的位移越小，在第20 d以后施加二次襯砌，初級(jí)支護(hù)位移基本趨于穩(wěn)定。

（3）不同二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分析。

二次襯砌分擔(dān)的圍巖荷載會(huì)因支護(hù)時(shí)間有很大不同，表2為不同二次襯砌支護(hù)時(shí)間，100 d后二次襯砌承受的荷載情況。

從表2中可以看出二次襯砌的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力隨支護(hù)時(shí)間延遲而減小，這是因?yàn)槎我r砌支護(hù)時(shí)間越早，分擔(dān)的圍巖與初級(jí)支護(hù)荷載越多，一旦拉應(yīng)力超過(guò)極限支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)遭到破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）隧道圍巖在開挖后會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，開挖面周圍應(yīng)力降低，拱頂和仰拱處由原來(lái)的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）考慮巖石流變性質(zhì)下圍巖在支護(hù)后30 d內(nèi)仍有較大變形，隨著時(shí)間的增加圍巖拱頂和周邊圍巖收斂都不斷增大，在20 d以后時(shí)變形速率明顯減小，變形基本趨于穩(wěn)定，30 d時(shí)可以認(rèn)為達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，25 d后已經(jīng)基本滿足規(guī)范要求的二次襯砌的時(shí)機(jī)。

（3）二次襯砌支護(hù)施加越早，圍巖和初級(jí)支護(hù)的變形就越小，但作用在二次襯砌結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力越大，反之，圍巖和初級(jí)支護(hù)位移增大，二次襯砌受力較小。分水嶺隧道在第20～25 d內(nèi)施加二次襯砌更為合理。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳宗基.應(yīng)力釋放對(duì)開挖工程穩(wěn)定性的重要影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1992，11（1）：1-10.

[2] 劉保國(guó).巖體等效變形參數(shù)及側(cè)壓力系數(shù)的非線性最小二乘法估計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1996，15（3）：263.