基于ABAQUS碎石土隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

楊幸福，崔正宇，黃志強(qiáng)

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 101111;3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 前 言

現(xiàn)階段我國(guó)的交通等基礎(chǔ)設(shè)施得到了迅速發(fā)展，在不良地質(zhì)條件下的隧道施工越來(lái)越多。

隧道邊坡終年堆積的碎石土存在著富水、偏壓等問(wèn)題，而且碎石土圍巖本身自穩(wěn)性差，在施工中極易出現(xiàn)滑坡坍塌一類(lèi)的地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，這些問(wèn)題對(duì)施工中的安全措施和施工工藝提出了更高的要求。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，碎石土圍巖會(huì)出現(xiàn)較大的變形、失穩(wěn)，增加了塌方冒頂?shù)氖┕わL(fēng)險(xiǎn)，因此，采用什么樣的方法克服碎石土這樣的不良地質(zhì)條件，對(duì)提高復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道的施工效率和安全系數(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

貴州省石阡至玉屏(大龍)高速公路位于貴州省銅仁市，是貴州省政府高速公路攻堅(jiān)決戰(zhàn)重點(diǎn)項(xiàng)目，該公路建成后將對(duì)完善貴州省高速公路網(wǎng)起到重要作用。小白巖隧道和將軍山隧道位于該高速公路的第TJ07標(biāo)段(YK46+250～K53+473.573)，路線全長(zhǎng)7 224 m，單洞全長(zhǎng)7 318 m。其中，小白巖隧道左幅3 425 m，右幅3 445 m，將軍山隧道左幅230 m，右幅218 m，隧道的設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載為公路Ⅰ級(jí)，車(chē)道數(shù)為雙向四車(chē)道。小白巖隧道、將軍山隧道均位于岑鞏縣平莊鄉(xiāng)境內(nèi)，既有交通條件較差，隧址區(qū)地貌起伏較大，屬于典型山區(qū)公路隧道。其中，小白巖隧道屬于特長(zhǎng)隧道，實(shí)際施工工期不足20個(gè)月，月綜合進(jìn)尺最低要求完成216 m，才能滿足合同工期。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告和實(shí)際開(kāi)挖情況，隧道洞口邊坡和洞口段不同程度地穿越了復(fù)雜地質(zhì)，施工風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)難度高。

在新建的小白巖隧道、將軍山隧道進(jìn)出口位置存在許多厚度較大的坡積碎石層，這些碎石層的斜坡坡度較大且順層節(jié)理發(fā)育，造成進(jìn)洞口仰坡穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖時(shí)易形成順層滑塌。碎石土層主要由粗、細(xì)顆粒土組成，其中粗顆粒土占主要成分，粗顆粒土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，土中粒徑大小差異明顯，因而碎石土的顆粒集配對(duì)其抗剪強(qiáng)度等物理特性影響很大。貴州地區(qū)常年雨量充沛，碎石土中的孔隙水壓力會(huì)使邊坡的下滑力增大，而且造成滑面上的法向應(yīng)力減小從而降低了碎石土的等效抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致碎石土滑坡。為了改善碎石土的力學(xué)特性，工程中采用了注漿加固技術(shù)來(lái)保持圍巖邊坡穩(wěn)定，在兩處隧道中，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)～V級(jí)，其中V級(jí)區(qū)段圍巖最為復(fù)雜，施工中隧道洞身一旦開(kāi)挖，圍巖將難以形成有效的承載拱，極易發(fā)生坍塌事故，因此V級(jí)區(qū)段是本隧道施工中的難點(diǎn)。本文利用ABAQUS有限元分析，模擬隧道碎石土圍巖的受力和穩(wěn)定性，揭示碎石土圍巖的變形機(jī)理，確定隧道洞口坡體注漿加固的范圍、深度，對(duì)于加快隧道施工進(jìn)度、降低工程成本具有重要的作用。

2 ABAQUS模型的建立

2.1 模型概況

本文結(jié)合小白山隧道現(xiàn)場(chǎng)施工的資料，建立了二維平面應(yīng)變模型，如圖1。該模型邊界選取了一個(gè)長(zhǎng)方形平面，長(zhǎng)為50 m，寬為40 m，隧道洞身直徑為10 m，高度為5 m，取土體的自重方向?yàn)閅方向，上表面為自然地面。建模過(guò)程中將模型的左右邊界水平方向約束，將底部雙向約束，頂部則不作約束。本文計(jì)算中碎石土圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌采用彈性模型，整個(gè)模型包含542個(gè)單元和576個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 模型網(wǎng)格

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碎石土力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試和圍巖V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在模擬隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中，采用最不利工況下的材料參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 碎石土力學(xué)參數(shù)

開(kāi)挖初期使用濕噴機(jī)噴射混凝土，濕式噴射粉塵少，回彈少，可以充分保證混凝土的質(zhì)量，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30。襯砌采用鋼筋混凝土材料，厚度為30 cm(見(jiàn)表2)。

表2 襯砌材料參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果可以得出，隨著開(kāi)挖工序的進(jìn)行，開(kāi)挖區(qū)周?chē)S即產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于對(duì)碎石土圍巖的擾動(dòng)增大，當(dāng)拱頂開(kāi)挖完成后，圍巖的拉應(yīng)力達(dá)到了最大，最大值為22.45 kPa，如圖2。開(kāi)挖完成后，應(yīng)力會(huì)逐漸釋放，碎石土圍巖的最大拉應(yīng)力隨之減小，襯砌施作完成后，最大拉應(yīng)力為19.76 kPa，由此可見(jiàn)，襯砌對(duì)抑制拉應(yīng)力擴(kuò)展有很好的作用。隧道開(kāi)挖時(shí)應(yīng)力主要集中在拱頂處，所以初期支護(hù)注漿時(shí)也應(yīng)特別注意加固拱頂圍巖。

圖2 拱部開(kāi)挖后的應(yīng)力云圖

圖3 襯砌施作后的應(yīng)力云圖

3.2 圍巖位移分析

從模型的動(dòng)態(tài)位移分布場(chǎng)可以看出，開(kāi)挖過(guò)程中圍巖位移基本隨開(kāi)挖進(jìn)行呈增大趨勢(shì)，當(dāng)全部開(kāi)挖完成后，圍巖位移達(dá)到最大值。拱頂因碎石土擾動(dòng)向下發(fā)生位移16.6 mm,拱底因碎石土擠壓向上發(fā)生位移18.3 mm,如圖4所示。所以在初期支護(hù)時(shí)不僅要噴射混凝土還要錨桿支護(hù)，避免碎石土圍巖因失穩(wěn)引起塌方事故，而且拱頂和拱底處的位移都較大，施工注漿時(shí)要特別注意拱頂和拱底處的加固和支護(hù)。

圖4 開(kāi)挖后豎向位移分布云圖

3.3 襯砌受力分析

從襯砌的應(yīng)力云圖結(jié)果來(lái)看，拱底和拱頂受到的拉壓應(yīng)力都比較小，均在0.3 MPa左右，但是拱腳處由于模型與實(shí)際隧道施工相差較大，造成應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為3.69 MPa，最大壓應(yīng)力為0.83 MPa，如圖5所示。在襯砌的位移云圖中，襯砌頂部向下發(fā)生位移8 mm,如圖6所示，碎石土圍巖較之前已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，但是襯砌拱底向下發(fā)生位移22 mm，可能是由于泥炭土地基不均勻沉降造成的，因此，施工時(shí)還應(yīng)注意地基加固處理，減小沉降。

圖5 襯砌應(yīng)力分布云圖

圖6 襯砌位移分布云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

將小白巖和將軍山隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相對(duì)比，結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的圍巖和襯砌的應(yīng)力位移較數(shù)值模擬結(jié)果偏小，主要是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)無(wú)法監(jiān)測(cè)施工初期的地基沉降，而用ABAQUS做的數(shù)值模擬結(jié)果可以將這些因素考慮在內(nèi)。綜上所述，利用ABAQUS所做的穩(wěn)定性分析與現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)到的圍巖襯砌的受力位移較為吻合，可以得出如下結(jié)論。

1)在隧道開(kāi)挖初期碎石土圍巖的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)緊隨著施作支護(hù)和隧道碎石土的注漿加固。

2)碎石土圍巖較軟弱，穩(wěn)定性也比較差，施工時(shí)要增加測(cè)點(diǎn)及時(shí)檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)，特別是在拱腳、拱頂、拱底處，這些位置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中和大幅沉降的情況，為保證施工安全必須加強(qiáng)檢測(cè)。

3)數(shù)值模擬往往和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況有一定差距，為了減小誤差，模擬計(jì)算時(shí)各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)盡量依照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇，這樣才能計(jì)算出有效的模擬結(jié)果以供實(shí)際施工參考。

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