變質巖區(qū)隧道開挖作用下圍巖應力場變化及其穩(wěn)定性分析

周瀟朗，張常亮，喬朋騰

(長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隧道建設打破了巖體天然應力的平衡狀態(tài)，這種不平衡的應力會通過隧道圍巖的卸荷回彈應力和重分布應力進行調(diào)整，當二者的綜合作用超過了圍巖強度所能承受的范圍時，圍巖就會產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，給隧道施工和維護帶來危害。在隧道設計前開展圍巖應力變化研究，將直接影響隧道襯砌方式和施工工藝的選擇及其所帶來的造價和圍巖穩(wěn)定性。因此，開展隧道圍巖穩(wěn)定性研究具有重要的實際應用價值。

目前，隧道圍巖穩(wěn)定性研究主要有定性分析和定量分析兩大途徑。定性分析主要有經(jīng)驗類比法、巖體結構分析法等，這些方法以圍巖自身的強度和結構面組合關系來定性分析圍巖穩(wěn)定性以及劃分圍巖類別，但是不能提供設計所需的具體應力值[1-4]；定量分析主要包含解析法[5-6]、極限分析法[7-9]和數(shù)值模擬法[10-14]等技術手段，針對簡單的圍巖，可通過模型上的概化，利用解析法和極限分析法獲得較為理想的結果，但是當圍巖總類較多，相互組合關系比較復雜時，這兩種方法就無法很好地與實際相契合，而數(shù)值模擬法則具有更加明顯的優(yōu)勢[15-16]。隧道圍巖分析中常用數(shù)值模擬法主要有邊界元法、離散元法和有限元法3種[17]。英國學者Nikadat等總結提出的邊界元法對常系數(shù)和線彈性模型問題有較為完善的解決體系，但其受限于方程求解的不確定性，且難以處理幾何非線性問題[18]；離散元法常用于非連續(xù)介質的數(shù)值分析，具體表現(xiàn)為結構面切割的圍巖應力和位移的計算，但其計算單元假定為剛體，無法考慮單元自身應變，這與實際存在一定差異，此外，沒有形成貫通節(jié)理面的巖層也有較大的誤差[19]；有限元法綜合巖體自身的特性，如非連續(xù)、非均質等，在一定地質環(huán)境和地應力下，可以近似得出應力-應變分布，此外，其發(fā)展時間長，理論基礎完善，且模型構建相對簡單，尤其是三維模型更有優(yōu)勢，使其在工程地質條件相對復雜的隧道圍巖分析中應用廣泛[20-21]。

本文以陜西省石泉縣喜河經(jīng)熨斗至后柳改建公路(簡稱“喜河—后柳改建公路”)的擬建隧道為研究對象，利用MIDAS/GTS軟件，根據(jù)擬建隧道的地形地貌、地層巖性、地質構造等資料構建與實際相似的三維數(shù)值模型，模擬單向全斷面開挖的施工工況，探究隧道施工時圍巖的應力分布特征及變化規(guī)律，為隧道的設計與施工決策提供技術方法和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建隧道屬于陜西省石泉縣喜河—后柳改建公路中的重要部分，位于石泉縣樹林村以南，北接樹林村小橋。該隧道為單洞式隧道，設計總長1 170 m，總體呈SN向，隧道中間部分為直線，兩端洞口部分為圓弧狀，其曲率半徑較大，從隧道起點(K4+560)向隧道終點(K5+730)整體高程逐漸下降，兩個洞口之間的高差為32 m，總體坡度近似為0°，設計斷面凈寬為11 m，凈高為10 m，隧道單洞跨度為12 m，隧道最大埋深為193 m。

1.2 工程地質條件

擬建隧道位于狹窄分水嶺區(qū)，地面起伏明顯，地層巖性變化較大[圖1(a)]。地表出露大部分為松散巖體，主要為第四系全新統(tǒng)坡積物粉質黏土以及強風化的巖層；之下主要為中風化和微風化綠泥石石英片巖和碳質石英片巖互層；再下為微風化石灰?guī)r；最底層為微風化碳質石英片巖[圖1(b)]。在分水嶺至隧道終點附近有大范圍侵入巖，在噴出過程中抬升了上部巖層，導致了分水嶺后的部分地層因剝蝕風化而缺失上部片巖，破壞了原本地層結構，改變了初始應力場。經(jīng)勘察后，確定了隧道圍巖等級：強風化巖層為Ⅴ級；中風化巖層為Ⅳ級；微風化巖層為Ⅲ級；斷層部分的圍巖等級做降級處理。

圖1 陜西省石泉縣喜河—后柳改建公路隧道地層巖性概況Fig.1 Tunnel Strata Lithology of Xihe-Houliu Rebuild Highway in Shiquan County of Shaanxi Province

隧道起點到分水嶺之間的區(qū)域性大斷裂對該區(qū)域的工程地質環(huán)境造成一定影響。擬建隧道斷層為正斷層，帶寬幾十米，傾向SW10°，傾角65°，與兩側地層大角度相交，局部有邊界內(nèi)小斷層發(fā)育，使原本較大的斷層帶內(nèi)地質情況更加復雜。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，地下水以基巖風化裂隙水為主。

在地層巖性變化大、地質構造發(fā)育的區(qū)域范圍內(nèi)，想要全面把握隧道內(nèi)全部圍巖狀態(tài)，在實際工程中有難度，可能會造成隧道圍巖穩(wěn)定性判定產(chǎn)生遺漏。為了對大范圍內(nèi)的圍巖有全面認識，把握其關鍵變化點，據(jù)此做出數(shù)值模擬分析。

2 隧道有限元模型建立

2.1 本構模型

根據(jù)軟件對隧道圍巖巖性的適用條件、材料模型采用理想彈塑性模型，以Mohr-Coulomb準則(M-C準則)為破壞條件。彈塑性本構關系的增量表達式為[22]

(1)

Mohr-Coulomb準則彈塑性模型屈服函數(shù)的表達式為[23]

基于云平臺的洛溪大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用…………………………………………… 李真興，王身寧（6-129）

(2)

式中：F為屈服函數(shù)；σ1為第一主應力；σ3為第三主應力；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 參數(shù)選取

擬建隧道地層巖性復雜多變，給建模帶來很大困難，故對于隧道沒有直接穿越地層，而是綜合考慮其重度以及巖性先進行簡化處理。擬建隧道內(nèi)強風化巖層較薄，綜合考慮后，將強風化巖層和中風化巖層統(tǒng)一簡化為相應中風化巖層；片巖中互層較多，成分略有不同，分層時概化為同一巖性。概化后的巖層及其物理力學參數(shù)見表1。

2.3 模型建立

根據(jù)地下洞室開挖理論中應力數(shù)值分布規(guī)律和實際經(jīng)驗，一般認為地下洞室開挖引起的圍巖重分布應力影響范圍在6倍隧道半徑內(nèi)，在該范圍外不受開挖影響。出于保守考慮，本文取8倍隧道半徑，其最大半徑為9 m，故該模型的尺寸為1 170 m×150 m，隧道底距模型底部距離取72 m，頂面以實際的高程數(shù)據(jù)為準。模型尺寸遠大于隧道圍巖重分布應力影響范圍，即除了地面以外5個面的應力和應變均不受隧道開挖影響。因此，將地面定義為自由位移邊界，其余5個面為固定位移邊界。

表1 模型物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Model

模型建立采用四面體單元格進行劃分，整個計算模型共劃分為334 319個單元、58 368個節(jié)點，單元格劃分三維模型見圖2。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格Fig.2 Grids of Numerical Model

擬建隧道內(nèi)的歷史構造活動強烈，水平構造應力較大。綜合《公路隧道設計規(guī)范》[24]和《工程巖體分級標準》[25]中關于構造應力的相關內(nèi)容，x軸方向的側壓力系數(shù)(K0x)和y軸方向的側壓力系數(shù)(K0y)分別為1.0和0.8，據(jù)此建立其初始應力場。

3 隧道開挖的有限元分析

3.1 施工工況

隧道采用全斷面開挖施工，其軟件實現(xiàn)主要是通過MIDAS/GTS軟件對隧道網(wǎng)格的鈍化或者激活來模擬具體施工過程。在實際開挖時采用單項全斷面開挖施工，開挖最大進尺為5 m。考慮到本構模型的尺寸較大，為了方便計算，將模擬開挖進尺擴大為20 m，從隧道一側鈍化隧道網(wǎng)格，模擬單向全斷面開挖施工工況。

3.2 模擬結果分析

為研究隧道橫向應力，選取較為典型的縱斷面為研究對象，提取其上的應力數(shù)據(jù)進行分析。從應力分布曲線[圖3(c)]上可看出：在垂直方向上，遠離洞口的圍巖最小主應力與最大主應力的比值較小，更加穩(wěn)定；反之，其比值較大，相對不穩(wěn)定。這反映了洞口應力集中現(xiàn)象。此外，中風化綠泥石石英片巖和斷層的最小主應力與最大主應力比值更大。從圍巖應力云圖[圖3(a)、(b)]可以看出，隧道頂部的圍巖最大主應力較其他部分小，而最小主應力呈現(xiàn)出明顯的應力集中現(xiàn)象。根據(jù)巖體的破壞準則，最小主應力越大，其理論最大主應力就越大；當理論最大主應力超過實際最大主應力時，圍巖就產(chǎn)生了破壞。據(jù)此選取隧道頂部為圍巖應力分析對象，進行重點分析。

圖3 圍巖應力云圖及其分布Fig.3 Nephograms and Their Distribution of Surrounding Rock Stress

研究縱向應力，以頂部為對象，每隔5 m提取其最大主應力和最小主應力數(shù)據(jù)，將最大主應力和最小主應力沿坐標軸方向展示，了解其縱向應力分布[圖4(c)]。根據(jù)主應力表示的Mohr-Coulomb準則強度公式做出實際最大主應力和理論計算的最大主應力曲線，通過對比實際最大主應力和理論計算的最大主應力來判定相應地層圍巖穩(wěn)定性。從開挖應力云圖及其分布(圖4)可以看出，在開挖支護穩(wěn)定后，隧道大部分圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有局部圍巖失穩(wěn)。

圖4 開挖應力云圖及其分布Fig.4 Nephograms and Their Distribution of Excavation Stress

中風化綠泥石石英片巖的局部[圖5(a)]和斷層帶[圖5(b)]在開挖前自重應力和構造應力經(jīng)過長期的自我平衡，各巖層基本處于穩(wěn)定的應力狀態(tài)，但也十分接近臨界狀態(tài)；在開挖時，受開挖影響的中風化綠泥石石英片巖初始應力被破壞，重分布應力大都處于破壞的應力狀態(tài)。微風化綠泥石石英片巖[圖5(c)]、微風化石灰?guī)r[圖5(d)]以及微風化閃長巖[圖5(f)]在開挖前的自重應力下基本處于穩(wěn)定的應力狀態(tài)；在開挖時，其應力狀態(tài)向不穩(wěn)定方向發(fā)展，但除了局部受開挖影響，其重分布應力大都處于破壞的應力狀態(tài)外，大部分較為穩(wěn)定。微風化碳質石英片巖[圖5(e)]無論是開挖前的自重應力，還是開挖時的重分布應力，微風化碳質石英片巖始終處于穩(wěn)定的應力狀態(tài)。

圖5 主應力曲線Fig.5 Curves of Principal Stress

綜上所述，在天然應力狀態(tài)下更加接近于臨界狀態(tài)的中風化綠泥石石英片巖和斷層帶在開挖時更容易達到破壞應力狀態(tài)；在天然應力狀態(tài)下更穩(wěn)定的微風化綠泥石石英片巖、微風化石灰?guī)r、微風化閃長巖在開挖時較為穩(wěn)定，只有局部破壞；微風化碳質石英片巖在開挖前后都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 監(jiān)測結果對比

該擬建隧道尚未施工，暫無法獲得隧道開挖后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過參考其他工程數(shù)據(jù)(圖6)[26]可以看出，中風化綠泥石石英片巖開挖后被破壞，其他巖層較為安全，數(shù)值模擬結果有一定參考價值。

1為中風化綠泥石石英片巖；2為微風化綠泥石石英片巖；3為微風化碳質石英片巖；4為微風化石灰?guī)r；5為微風化閃長巖圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring Data

4 結 語

(1)隧道開挖會顯著改變圍巖的應力狀態(tài)，在本模型中具體表現(xiàn)為：開挖的隧道會表現(xiàn)出顯著的應力集中現(xiàn)象，其對隧道頂部圍巖穩(wěn)定性影響最大。

(2)在較為不利的物理力學參數(shù)組合中，通過對隧道頂部圍巖應力分析可以看出：單向隧道開挖未支護時，中風化綠泥石石英片巖和斷層帶都出現(xiàn)失穩(wěn)，實際施工過程中，一定要針對此做好應對措施；微風化的巖層(包括綠泥石石英片巖、石灰?guī)r和閃長巖)只會在局部出現(xiàn)失穩(wěn)；而微風化碳質石英片巖開挖后仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)利用地層產(chǎn)狀、地面高程和巖層物理力學參數(shù)等數(shù)據(jù)，通過MIDAS/GTS軟件，可以實現(xiàn)對隧道開挖引起的圍巖重分布應力的模擬，根據(jù)一定的屈服理論，可以對隧道圍巖的穩(wěn)定性做出定性評價。模型建立所涉及的范圍較大，本文選取相對較不利的參數(shù)，并不能完全模擬實際工程地質條件和應力場，會有一定誤差。因此，數(shù)值模擬必須以獲取足夠數(shù)據(jù)并達到建立與實際較為吻合的模型為前提，才能更加廣泛地應用。