動靜載作用下隧道及周圍巖土體響應(yīng)分析

閆立來

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和鐵路系統(tǒng)規(guī)劃布局的完善，越來越多的山嶺地區(qū)逐漸開始建設(shè)公路隧道.隧道建設(shè)當(dāng)中除面臨復(fù)雜的地質(zhì)與水文條件以外，還潛在承受諸如人工爆破、地震、機(jī)械設(shè)備開挖等動載作用，威脅隧道安全[1-3].經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，隧道在動載作用下拱頂和拱底的水平應(yīng)力將會增加，隧道圍巖塑性區(qū)也將顯著增大并且之前巖土體的應(yīng)力狀態(tài)將明顯得到改變，極易引起隧道整體或局部失穩(wěn)破壞[4-6].高富強(qiáng)等[7]通過運(yùn)用FLAC數(shù)值模擬軟件對深部巷道的圍巖動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出了動載會擴(kuò)大巷道圍巖塑性區(qū)及增大底板應(yīng)力以至達(dá)到極高應(yīng)力狀態(tài).唐益群等[8]基于有限元軟件，對隧道周圍巖土體在振動荷載下的變形進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)為預(yù)測沉降和地鐵安全運(yùn)營提供參考，等等.

云湖2號隧道地處四川地區(qū)，長期承受地質(zhì)災(zāi)害等作用，研究該隧道在動靜載作用下的響應(yīng)特性對于分析隧道的安全具有重要意義.本文主要利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件并重點(diǎn)對隧道在動靜載作用下的位移和塑性區(qū)進(jìn)行分析，探討動靜載作用下隧道圍巖的變形和穩(wěn)定性特點(diǎn)，可為同等或相似條件下隧道工程的設(shè)計和施工提供參考和借鑒.

1 數(shù)值模型

1.1 模型建立及參數(shù)選取

云湖2號隧道穿越通過綿遠(yuǎn)河左岸山體，山脊走向近于南北向，地形陡峭，地形上是一沿著綿遠(yuǎn)河走向的山體.隧道進(jìn)出口處下段地形較陡，地形坡度45°～55°，為巖質(zhì)陡坡，局部接近于直立，上段地形坡度相對較緩，坡度35°～45°.由于受到構(gòu)造作用影響，導(dǎo)致山脊高聳.隧道穿越山脊頂部最高高程為1973.9m，嶺谷相對高差達(dá)1153.9m，隧道進(jìn)口綿遠(yuǎn)河河床高程820m，屬于典型的中山構(gòu)造剝蝕地貌特征.圖1所示為隧道縱斷面圖.

圖1 隧道縱斷面圖

本文以云湖2號隧道為標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行建模，該隧道斷面由圓弧和橢圓弧組成，其內(nèi)部斷面高度最大為8.3m，寬度最大為10.6m，詳見圖2.如圖3所示，考慮到地下工程的一般開挖影響范圍為3～5b(b為洞室內(nèi)徑)，故在實(shí)際建模過程中尺寸取60m(x軸)×60m(y軸)×40m(z軸)，以消除開挖影響.隧道建設(shè)區(qū)位于映秀至北川主干斷裂帶，加上受5.12大地震影響，地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈且?guī)r體破碎，本文以K14+310斷面為研究截面，該段巖性為Ⅴ級圍巖，具體巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)

該隧道在施工過程中，采用錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架及二襯聯(lián)合支護(hù)形式，噴射混凝土采用C20標(biāo)號，拱墻噴射厚度為24cm，仰拱噴射厚度為45cm.施工過程中采用φ25mm注漿錨桿，錨桿采用梅花形布置，間距為750mm(環(huán)向)×1000mm(縱向)；鋼筋網(wǎng)直徑為φ8mm，網(wǎng)格尺寸為200mm×200mm，單層布置；鋼拱架選用I18，縱向間距為1000mm，實(shí)際模擬中將鋼筋網(wǎng)和鋼拱架的彈性模量折算到混凝土中，混凝土與圍巖之間設(shè)置有接觸面.由于本文主要模擬隧道在動載作用下的響應(yīng)，故對靜載下的建模做了簡化處理.表2為噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù).

1.2 模型邊界條件

模型建立考慮到上覆巖層的垂直應(yīng)力影響，在模型上邊界施加有3.0MPa的垂直應(yīng)力，其他邊界均采用位移約束，且整個模型采用mohr-coulomb本構(gòu)模型.遠(yuǎn)處動力源產(chǎn)生的沖擊波在傳播的過程中會逐漸衰減成壓縮波，最后變成平面波.在該模型中，為了模擬遠(yuǎn)處動力源產(chǎn)生的動載對隧道的影響，參照文獻(xiàn)[7]在模型底部施加平面波，具體如圖4所示.與此同時，為了真實(shí)地模擬模型中的應(yīng)力波的傳播，除模型底部邊界外，其他邊界均設(shè)置為粘滯吸收邊界.

圖4 應(yīng)力波時程曲線

2 靜載作用下響應(yīng)分析

地下工程在施工的過程中，一般會在關(guān)鍵位置布設(shè)相應(yīng)數(shù)目的監(jiān)測設(shè)備，主要包括位移監(jiān)控和應(yīng)力監(jiān)控，以此來準(zhǔn)確把握和解決施工過程中的緊急問題.如圖2所示，云湖2號隧道施工過程中，對隧道拱頂位移和兩側(cè)拱墻水平收斂位移進(jìn)行監(jiān)測，通過收集、處理和分析數(shù)據(jù)并采用相應(yīng)措施保證隧道施工整個過程安全進(jìn)行.

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測位移時程曲線

如圖5所示，為云湖隧道現(xiàn)場監(jiān)測時間-位移時程曲線，整個監(jiān)測過程持續(xù)40天，每個測點(diǎn)收集到20組監(jiān)測數(shù)據(jù).由圖可知，在初期位移近似線性增長，之后逐漸緩慢增長并最終保持相對穩(wěn)定.以拱頂沉降為例，在0～7天沉降基本保持2.6mm/d的速率，從第8天開始位移變化逐漸緩慢，并在20天前后基本趨于穩(wěn)定，最終拱頂沉降和水平收斂位移分別為24.78mm和16.43mm.將數(shù)值模擬監(jiān)測到的位移導(dǎo)出，得到如圖6所示，位移曲線所表現(xiàn)的規(guī)律與現(xiàn)場監(jiān)測基本一致，且由表3可知，兩者最終穩(wěn)定位移值誤差均控制在4.0%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬過程的準(zhǔn)確性和可靠性.

圖6 數(shù)值模擬位移時程曲線

表3 各測點(diǎn)數(shù)據(jù)對比

3 動載作用下響應(yīng)分析

3.1 動載作用下位移變化

隧道拱頂及拱底位移變化對分析隧道的穩(wěn)定性具有重要意義，如圖7所示，將隧道拱頂及拱底的位移提取出來，取向隧道中心方向?yàn)檎?，反之為?fù).由圖可知，動載作用下拱底向上隆起，且在0～50ms內(nèi)增長迅速，這是因?yàn)槠矫娌ㄔ谠摃r間段內(nèi)穿過隧道底部，對隧道底部產(chǎn)生沖擊作用.觀察拱頂位移可以發(fā)現(xiàn)，靜載時拱底和拱頂位移分別為27.94mm和25.12mm，在動載作用下拱頂位移開始向上走動，這是由于隧道內(nèi)襯砌形成拱效應(yīng)，在平面波沖擊隧道底部仰拱時，同時對拱墻形成沖擊，造成拱頂位移回縮.最終拱底和拱頂位移分別為90.12mm和5.26mm，相對于靜載時分別增大和減小了2.26倍和0.79倍，說明動載對隧道的位移尤其是對拱底位移產(chǎn)生較大影響，隧道的安全受到威脅，故在設(shè)計和使用時應(yīng)該考慮動載所產(chǎn)生的影響，保證隧道在動載作用下的穩(wěn)定性.

圖7 動載作用下位移時程曲線

3.2 動載作用下隧道周圍塑性區(qū)變化

(a)靜態(tài) (b)10ms

(c)38ms (d)40ms

(e)50ms (f)60ms

分析動載作用下隧道周圍巖體的塑性區(qū)變化有利于掌握其受力情況及變化規(guī)律，判斷隧道的穩(wěn)定性及安全性.模型整個計算時長為200ms，在60ms時塑性區(qū)基本達(dá)到穩(wěn)定，如圖8所示，分別提取了靜態(tài)和動載10ms、38ms、40ms、50ms以及60ms的塑性區(qū)圖進(jìn)行分析.由圖8(a)可知，靜態(tài)時，除隧道周圍局部區(qū)域受剪外，其他區(qū)域均未受力；在10ms時，隧道仰拱下部出現(xiàn)新的受剪區(qū)域，但變化不明顯，說明巖體整體穩(wěn)定性仍較好；在38ms時，仰拱下部剪切屈服區(qū)不斷擴(kuò)大，說明此時應(yīng)力波已逐漸靠近拱底；在40ms時，塑性區(qū)較40ms時繼續(xù)向上走動，此時仰拱下部開始出現(xiàn)拉剪區(qū)域，原先拱底正下方未擾動的區(qū)域均開始產(chǎn)生拉剪屈服；隨著時間的推移，由8(e)可知，50ms時除拱頂上側(cè)巖體以外，整個隧道周圍拉剪屈服和剪切屈服范圍均得到擴(kuò)大，并不斷出現(xiàn)新的拉剪區(qū)；60ms時，巖體塑性區(qū)基本維持穩(wěn)定，但從分布來看，隧道巖體周圍3.5m范圍內(nèi)已發(fā)生大面積不同程度的屈服，尤其在仰拱下方更為明顯，這對隧道的穩(wěn)定性來說是及其不利的，也說明動載對隧道穩(wěn)定性的影響應(yīng)給予充分重視.

4 結(jié)論

利用FLAC3D數(shù)值模擬方法，建立了云湖2號隧道在動載作用下的模型，并基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了其在動靜載作用下的位移及塑性區(qū)變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)由數(shù)值模擬監(jiān)測結(jié)果與工程現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析可知，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相近，說明該模擬正確可靠.

(2)動載下隧道拱底和拱頂位移變化明顯，分別為90.12mm和5.26mm，相對于靜載時分別增大和減小2.26倍和0.79倍，對隧道穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響.

(3)動載對隧道圍巖塑性區(qū)影響顯著，隨著動荷的傳遞，隧道周圍3.5m范圍內(nèi)逐漸出現(xiàn)新的剪切破壞和拉剪破壞，并主要發(fā)生在拱底下部位置，隧道的穩(wěn)定性受到威脅.