高地應力緩傾軟硬互層巖體中隧道底鼓影響因素模擬分析

陳洋宏 萬曉燕 劉志強

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中鐵西南科學研究院有限公司，成都 611731）

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，穿越高地應力區(qū)的隧道越來越多。當隧道穿越以水平構(gòu)造應力為主導的高地應力區(qū)，特別是隧底下伏緩傾軟硬互層巖體時，易發(fā)生隧道底鼓變形。諸多學者對隧道的底鼓機理和影響因素進行了大量研究。鮮學福等［1］對層間有黏聚力和無黏聚力的層狀巖體進行了強度分析，發(fā)現(xiàn)巖石交界面處連接方式不同巖體的強度亦不同。張占榮［2］通過正交試驗分析得出地下洞室拱頂和左右邊墻的位移隨著節(jié)理切向剛度的增大先減小后增大。鐘祖良等［3］采用現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)勘察等手段對桃樹埡隧道底部結(jié)構(gòu)的隆起機理及主要影響因素進行了研究。肖小文等［4］研究得出高地應力、隧道底部下伏緩傾互層巖體及仰拱下部存在軟弱巖層是導致無砟軌道隧道底部隆起的主要原因。汪洋等［5］采用數(shù)值模擬方法，研究高地應力軟弱圍巖隧道在不同側(cè)壓力系數(shù)和埋深下的變形規(guī)律。秦松［6］對段家坪隧道病害分析得出，以水平構(gòu)造應力為主的高地應力導致了該隧道拱頂及仰拱初期支護開裂變形。

從前人研究成果中可以看出，影響隧道底鼓的因素種類繁多。通過資料調(diào)研總結(jié)出層狀圍巖隧道發(fā)生底鼓的主要影響因素為側(cè)壓力系數(shù)、巖層傾角、圍巖層厚、圍巖彈性模量、隧道埋深。本文結(jié)合高地應力區(qū)緩傾軟硬互層巖體中隧道，選用上述5種主要影響因素，采用數(shù)值模擬方法研究其對隧道底鼓的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

隧道埋深為200 m，圍巖級別為V 級，斷面尺寸選用高速鐵路時速250 km 的雙線隧道斷面尺寸。建立尺寸為70 m×70 m×1 m的數(shù)值模型。隧道斷面位于模型中心位置，模型左右兩側(cè)限制水平位移，底部為固定邊界，上部為自由邊界。有限元模型網(wǎng)格劃分見圖1。硬質(zhì)巖層和軟弱巖層均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，初期支護采用實體單元模擬，二次襯砌采用Shell單元模擬。模型采用支撐荷載法［7］進行應力釋放，圍巖應力釋放比例為：毛洞階段釋放40%、初期支護階段釋放40%、襯砌施作階段釋放20%。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

1.2 計算參數(shù)的選取

圍巖的物理力學參數(shù)參考《巖體力學》［8］來確定；支護材料力學參數(shù)參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［9］來確定。噴射混凝土和鋼筋混凝土的等效彈性模量通過等效剛度法換算得到，見表1。

表1 圍巖和支護材料的物理力學參數(shù)

1.3 測點布置

隧道施作襯砌后對隧道斷面進行監(jiān)測，在拱頂、左右邊墻中心、仰拱底部中心布置位移測點。拱頂、仰拱底部中心測點用于監(jiān)測豎向位移，左右邊墻中心測點用于監(jiān)測水平位移。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 單因素影響分析

隧道埋深200 m，圍巖為水平的（傾角0°）硬質(zhì)和軟弱巖層組成的互層巖體。硬質(zhì)巖巖層厚度0.6 m，彈性模量2 GPa；軟弱巖巖層厚度0.2 m，彈性模量0.5 GPa；互層巖體側(cè)壓力系數(shù)1.3。

表2 圍巖參數(shù)取值

1）不同側(cè)壓力系數(shù)下襯砌位移特征

隧道襯砌各測點位移隨側(cè)壓力系數(shù)的變化曲線見圖2。

圖2 測點位移隨側(cè)壓力系數(shù)變化曲線

由圖2 可以看出：①隧道仰拱測點位移隨側(cè)壓力系數(shù)的增大先增大后略有減小，側(cè)壓力系數(shù)由0.7 增加至1.6時仰拱測點位移由6.2 mm逐漸增至12.8 mm，位移增加了1.06倍；當側(cè)壓力系數(shù)由1.6增至1.9時，仰拱測點位移由12.8 mm 逐漸減至11.3 mm，位移減小了11.7%；②拱頂測點位移隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而減小，當側(cè)壓力系數(shù)為1.9時幾乎不發(fā)生位移；③隧道邊墻測點位移隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大，左右兩側(cè)向內(nèi)收斂。

2）不同圍巖傾角下襯砌位移特征

隧道襯砌各測點位移隨巖層傾角的變化曲線見圖3。可以看出：巖層傾角由0°增至20°時，仰拱位移由12.7 mm 逐漸減至11.5 mm，減小了9.4%，拱頂位移由2.5 mm 逐漸增至3.1 mm，增大了24.0%；巖層傾角對隧道左右邊墻位移的影響不明顯，隨著巖層傾角的增大位移幾乎不發(fā)生變化。

圖3 測點位移隨巖層傾角變化曲線

3）不同硬質(zhì)巖巖層厚度下襯砌位移特征

隧道襯砌各測點位移隨硬質(zhì)巖巖層厚度變化曲線見圖4?？梢钥闯觯孩偎淼姥龉拔灰齐S硬質(zhì)巖巖層厚度的增大先增大后減小，硬質(zhì)巖巖層厚度由0.2 m增至0.6 m時，仰拱位移由11.9 mm逐漸增至12.7 mm，增大了6.7%；硬質(zhì)巖巖層厚度由0.6 m 增大至1.0 m時，仰拱測點位移從12.7 mm 逐漸減小至11.6 mm，減小了8.7%。硬質(zhì)巖巖層厚度0.6 m 時位移最大，說明隧道在中厚巖層時底鼓量最大。②硬質(zhì)巖巖層厚度0.6 m 時拱頂位移最小。③左右邊墻位移變化不明顯，最小位移都發(fā)生在硬質(zhì)巖巖層厚度0.4 m時。

口譯作為一種口頭的轉(zhuǎn)換語言與傳達信息的活動，針對其現(xiàn)場發(fā)揮性的特點，譯前準備工作不僅是必須的，也是可行的[6]。在得知翻譯主題后，譯員需查閱相關(guān)資料，整理專業(yè)術(shù)語和常用表達，在翻譯過程中進行適當?shù)慕忉屨f明，提升聽眾的理解效果。

圖4 測點位移隨硬質(zhì)巖巖層厚度變化曲線

4）不同硬質(zhì)巖彈性模量下襯砌位移特征

隧道襯砌各測點位移隨硬質(zhì)巖彈性模量變化曲線見圖5。可以看出：①隧道仰拱位移隨著硬質(zhì)巖彈性模量的增大而減小。彈性模量由1.0 GPa 增大到3.0 GPa時仰拱位移從16.8 mm逐漸減小至10.7 mm，減小了36.3%。②拱頂和左右邊墻位移變化不明顯，隨著硬質(zhì)巖彈性模量的增大都略微減小。

圖5 測點位移隨硬質(zhì)巖彈性模量變化曲線

5）不同隧道埋深下襯砌位移特征

隧道襯砌各測點位移隨隧道埋深變化曲線見圖6?？梢钥闯觯孩匐S著隧道埋深的增加，隧道拱頂、左右邊墻、仰拱處測點位移均線性增加。隧道埋深由150 m 增大到 250 m 時，仰拱位移從 9.1 mm 逐漸增至16.3 mm，增大了79.1%；拱頂位移增加了71.6%，左右邊墻位移分別增加了69.5%和67.2%。②當隧道埋深增大到250 m 時，隧道仰拱位移變化率和變化量均最大；拱頂位移變化率與左右邊墻位移變化率較接近，拱頂位移變化量最小。

圖6 測點位移隨隧道埋深變化曲線

2.2 多因素影響分析

采用正交試驗的方法進行多因素影響分析。選取側(cè)壓力系數(shù)λ、巖層傾角θ、硬質(zhì)巖巖層厚度h、硬質(zhì)巖彈性模量E、隧道埋深z為正交試驗的主要影響因素。每種因素有5水平。根據(jù)影響因素選用無交互作用的等水平正交試驗方法，選用L25（56）正交表，試驗組數(shù)為25 組，正交表前5 列為5 種單因素，第6 列為誤差列，用于估計試驗誤差。

1）試驗結(jié)果

利用FLAD 3D對25組數(shù)據(jù)進行數(shù)值計算，結(jié)果見表3。其中：S1為拱頂豎向位移，S2為仰拱豎向位移，S3為左邊墻水平位移，S4右邊墻水平位移（為便于分析，均取絕對值）。

表3 測點位移正交試驗結(jié)果 mm

2）極差分析

對表3 進行極差分析可以得到這5 種因素對隧道底鼓影響的顯著性。隧道拱頂、仰拱、左右邊墻測點位移的極差分析結(jié)果見表4 和表5。其中：Ki為第i水平所對應的試驗結(jié)果之和。Rj為第j列因素的極差，反映了第j列因素水平波動時試驗指標的變化幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大；反之則越小。

由表4 和表5 可以看出，各影響因素對隧道拱頂位移的影響顯著性排序依次為λ＞z＞θ＞h＞E，對隧道左右邊墻位移的影響顯著性排序依次為λ＞z＞E＞θ＞h，對隧道仰拱位移的影響顯著性排序依次為z＞λ＞E＞θ＞h，。隧道埋深z和側(cè)壓力系數(shù)λ對隧道仰拱位移的影響顯著性排在前兩位。隧道埋深越深，側(cè)壓力系數(shù)越大，隧道襯砌受到的地應力就越大，說明高地應力對隧道底鼓有顯著影響。

表4 隧道拱頂、仰拱測點位移的極差分析結(jié)果 mm

表5 左右邊墻測點位移的極差分析結(jié)果 mm

3）方差分析

方差分析基本思想是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異2 部分，作F檢驗，即可判斷因素作用是否顯著。Fj值是各列因素的平均偏差平方和MSj與誤差平均偏差平方和MS6的比值（MSj和MS6的單位為mm2）。將F值與臨界值Fα作比較。α是預先給定的顯著性水平，常用的有α＝0.01，α=0.05 和α＝0.10 三種，（4，4）分別為各列因素和誤差的自由度，查F分布臨界值表［10］可知：F0.10（4，4）=4.11，F(xiàn)0.05（4，4）=6.39，F(xiàn)0.01（4，4）=15.98。若計算出的Fj＞Fα，則該因素對試驗結(jié)果有顯著影響；反之，則無顯著影響。

試驗各影響因素方差分析結(jié)果見表6和表7。

表6 隧道拱頂、仰拱測點位移的方差分析結(jié)果

表7 左右邊墻測點位移的方差分析結(jié)果

由表6 和表7 可知：隧道埋深z對隧道底鼓的影響非常顯著，側(cè)壓力系數(shù)λ次之，圍巖彈性模量E影響一般，這與極差分析得到的各因素影響顯著性排序一致，進一步驗證了極差分析結(jié)果的準確性。

3 結(jié)論

1）隧道仰拱位移隨側(cè)壓力系數(shù)和硬質(zhì)巖巖層厚度的增大先增大后略有減小。當側(cè)壓力系數(shù)在1.3～1.6 時，仰拱位移會出現(xiàn)最大值。硬質(zhì)巖巖層厚度為0.6 m 時仰拱位移最大。仰拱位移隨巖層傾角和硬質(zhì)巖彈性模量增大而減小，隨隧道埋深增大而增大。

2）與拱頂和邊墻相比，軟硬互層巖體中隧道仰拱位移始終最大，變形最顯著，說明在軟硬互層巖體中隧道襯砌發(fā)生破壞時，更易出現(xiàn)底鼓變形。

3）各因素對隧道底鼓的影響顯著性排序依次為隧道埋深＞側(cè)壓力系數(shù)＞硬質(zhì)巖彈性模量＞巖層傾角＞硬質(zhì)巖巖層厚度。隧道埋深對隧道仰拱位移影響非常顯著，側(cè)壓力系數(shù)對隧道仰拱位移影響顯著，硬質(zhì)巖彈性模量對隧道仰拱位移影響一般，而巖層傾角和硬質(zhì)巖巖層厚度對隧道仰拱位移無影響。說明隧道埋深越深，側(cè)壓力系數(shù)越大，隧道襯砌受到的地應力就越大，說明高地應力對隧道底鼓有顯著影響。