水平地應(yīng)力對(duì)軟弱圍巖隧道力學(xué)性能影響分析*

許海亮 覃吉寧 郭 旭 任合歡

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，100144，北京)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施不斷發(fā)展，隧道數(shù)量不斷增加，邊疆多山地區(qū)的隧道建設(shè)越來越多，交通隧道工程建地質(zhì)條件復(fù)雜，軟弱圍巖大量存在. 軟弱圍巖隧道開挖沒有得到及時(shí)的支護(hù)極易失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重時(shí)易引起隧道失穩(wěn)和塌方事故，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失，這方面的工程案例屢有存在：如白山隧道、關(guān)口埡隧道、錦屏二級(jí)水電站隧洞等均出現(xiàn)了施工過程中隧道坍塌等破壞情況.[1- 3]

地下工程洞室圍巖受很多因素的影響，其中地應(yīng)力是主要影響因素之一. 初始地應(yīng)力的大小和分布是影響巖體穩(wěn)定性的重要因素，并且能影響洞室工程的設(shè)計(jì)與施工. 同時(shí)，初始地應(yīng)力場是引起隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布的最直接外因，對(duì)分析圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要.[4]

對(duì)于地應(yīng)力在工程中的影響，國內(nèi)專家及學(xué)者地應(yīng)力對(duì)隧道變形影響做了研究：袁傳保通過總結(jié)地應(yīng)力方向與大小的分布規(guī)律，并評(píng)價(jià)了地應(yīng)力各參數(shù)對(duì)工程中隧道圍巖穩(wěn)定性的影響[5]；陶波等結(jié)合數(shù)值仿真與現(xiàn)場測量，對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境下深埋長隧道軟弱圍巖流變規(guī)律進(jìn)行了實(shí)測與數(shù)值分析，對(duì)不同地應(yīng)力場軟巖隧道漸進(jìn)破壞進(jìn)行了研究[6]；黃鋒利用模型試驗(yàn)方法與有限元數(shù)值模擬對(duì)不同地應(yīng)力場軟巖隧道漸進(jìn)破壞試驗(yàn)與分析進(jìn)行研究.[7]在有關(guān)隧道工程室內(nèi)模型試驗(yàn)研究領(lǐng)域，李英杰等人利用相似模型通過加載裝置在模型上部垂直加載，對(duì)深埋隧道圍巖無支護(hù)情況下變形破壞機(jī)制、受力分區(qū)特征的研究[8]；朱合華等人利用相似模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，研究了變埋深下軟弱破碎隧道無支護(hù)情況下圍巖的變形破壞特點(diǎn)，分析了圍巖的應(yīng)力場特征[9]；Seokwon Jeon等利用模型試驗(yàn)對(duì)斷層、弱面影響下隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.[10]

綜合分析前人研究發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究多數(shù)僅考慮上覆巖土的垂直應(yīng)力對(duì)隧道圍巖的影響，對(duì)圍巖的水平應(yīng)力研究較少. 我國邊疆地區(qū)水平地應(yīng)力錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工影響較大，開展水平地應(yīng)力對(duì)軟弱圍巖隧道力學(xué)性能影響分析具有重要意義.

1 計(jì)算模型及工況

1.1 計(jì)算模型及巖體力學(xué)參數(shù)

本文基于Ⅳ級(jí)圍巖隧道，運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則， 采用FLAC3D軟件建立計(jì)算模型如圖1所示，圍巖參數(shù)見表1所示. 模型尺寸為60 m×60 m×2 m，洞室半徑為5 m. 將隧道斷面輪廓簡化為圓形位于模型中央，圍巖根據(jù)圣維南原理選取3倍以上洞徑以減少邊界效應(yīng)[11]，按計(jì)算要求設(shè)定邊界約束，重力加速度默認(rèn)設(shè)置成0.[12]

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

1.2 計(jì)算工況及監(jiān)測布置

實(shí)踐表明，洞室圍巖的破壞模式是多種多樣的，根據(jù)國內(nèi)外實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，最大水平主應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值一般為0.5～5.5，大部分為0.8～1.2.[13]根據(jù)國內(nèi)隧道有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，隧道設(shè)計(jì)時(shí)考慮Ⅳ級(jí)圍巖水平均布?jí)毫榇怪本級(jí)毫Φ?.15～0.30倍.[14-15]

對(duì)水平應(yīng)力的分析，通常選用側(cè)壓力系數(shù)λ作為研究指標(biāo)，即水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值. 為研究水平地應(yīng)力對(duì)隧道圍巖的影響，本文計(jì)算垂直應(yīng)力為4 MPa、8 MPa、16 MPa、24 MPa、32 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5時(shí)，隧道圍巖的變形及受力情況. 計(jì)算工況見表2所示. 為了便于研究，分別在隧道易發(fā)生變形的拱頂、拱肩、邊墻、拱腳和抵底位置設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的位置如圖2所示.

表2 計(jì)算工況

2 數(shù)值計(jì)算與分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，垂直位移主要分布在拱頂和拱底處，水平位移主要在兩側(cè)邊墻處呈對(duì)稱分布，提取5組計(jì)算工況監(jiān)測點(diǎn)C的水平位移情況得表3，表中水平位移為正表示圍巖向外擴(kuò)張，水平位移為負(fù)則表示圍巖向內(nèi)收縮.

表3 監(jiān)測點(diǎn)C水平位移 m

根據(jù)表3中監(jiān)測點(diǎn)C水平位移情況，可將計(jì)算結(jié)果分為2種：當(dāng)σz=4 MPa、σz=8 MPa時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)C水平位移先向外擴(kuò)張，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，位移逐漸轉(zhuǎn)向內(nèi)收縮，且收縮位移不斷增大；當(dāng)σz=16 MPa、σz=24 MPa、σz=32 MPa時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)C水平位移始終向內(nèi)收縮，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，收縮位移不斷增大.

在我國邊疆多山地區(qū)的隧道建設(shè)中存在大量的高地應(yīng)力軟巖隧道，因此本文主要分析垂直應(yīng)力在16 MPa、24 MPa與32 MPa情況下隧道的變形及受力情況. 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知3組工況變化趨勢相似，以σz=16 MPa的計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行分析.

2.1 水平地應(yīng)力對(duì)圍巖水平位移的影響

提取σz=16 MPa時(shí)，不同側(cè)壓力下圍巖最大水平位移情況，并計(jì)算各工況位移與λ=0.25時(shí)位移情況對(duì)比的變化幅值，計(jì)算結(jié)果見表4所示，其中負(fù)號(hào)表示圍巖水平位移向洞內(nèi)收斂. 不同側(cè)壓力系數(shù)圍巖水平位移云圖如圖3所示.

表4 最大水平位移表(σz=16 MPa)

隧道開挖完成后，在未采取任何加固的情況下，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)由初始狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二次應(yīng)力狀態(tài)，圍巖發(fā)生向洞內(nèi)收斂的變形.[16]由表4可知，當(dāng)垂直地應(yīng)力一定時(shí)，最大水平位移隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加而增加. 相鄰兩級(jí)工況最大水平位移增加幅度在15%～30%，幅度較為平穩(wěn). 由圖3可知，水平位移呈耳狀分布在洞壁左右兩側(cè)，最大水平位移在監(jiān)測點(diǎn)C與監(jiān)測點(diǎn)G處，洞室兩側(cè)發(fā)生水平位移范圍隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而擴(kuò)大.

提取垂直應(yīng)力為16 MPa、24 MPa與32 MPa時(shí)監(jiān)測點(diǎn)C的各工況最大水平位移，并繪制變化曲線如圖4所示. 通過繪制最大水平位移曲線可直觀看出，最大水平位移變化呈近似線性關(guān)系. 針對(duì)本文計(jì)算工況，通過對(duì)此Ⅳ級(jí)圍巖隧道3組計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性回歸計(jì)算，得出最大水平位移關(guān)于垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力的公式如式(1)，其擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.987 1，公式僅適用于Ⅳ級(jí)圍巖條件.

xmax=-0.140 2+0.017 6σz+0.009 3σx

(1)

式中：xmax——最大水平位移，m；σz——垂直應(yīng)力，MPa；σx——水平應(yīng)力，MPa.

對(duì)公式(1)進(jìn)行處理，得出公式(2).

(2)

由式(2)可知，當(dāng)垂直地應(yīng)力σz一定時(shí)，側(cè)壓力系數(shù)λ越大，最大水平位移越大.

2.2 水平地應(yīng)力對(duì)圍巖垂直位移的影響

提取σz=16 MPa時(shí)，不同側(cè)壓力下圍巖最大垂直位移情況，并計(jì)算各工況位移與λ=0.25時(shí)位移情況對(duì)比的變化幅值，計(jì)算結(jié)果見表5所示，其中負(fù)號(hào)表示圍巖垂直位移向洞內(nèi)收斂. 不同側(cè)壓力系數(shù)圍巖垂直位移云圖如圖5所示.

表5 最大垂直位移表(σz=16 MPa)

由表5可知，當(dāng)垂直地應(yīng)為一定時(shí)，最大垂直位移隨著水平地應(yīng)力增大而不斷增大；當(dāng)λ<0.5時(shí)，水平地應(yīng)力對(duì)圍巖最大垂直位移影響較小，為0.18%；當(dāng)λ>0.5時(shí)，水平地應(yīng)力對(duì)圍巖最大垂直位移的影響隨側(cè)壓力系數(shù)的增加逐漸增大. 由圖5可知，隧道開挖后，隨著水平地應(yīng)力的增加，洞室呈受壓狀態(tài)，圍巖向內(nèi)收縮，最大垂直位移在監(jiān)測點(diǎn)A與監(jiān)測點(diǎn)E處，出現(xiàn)垂直位移的范圍隨側(cè)壓力系數(shù)增大而縮小.

提取垂直應(yīng)力為16 MPa、24 MPa與32 MPa時(shí)監(jiān)測點(diǎn)A各工況的最大垂直位移并繪制變化曲線如圖6所示.

通過繪制最大垂直位移曲線可直觀看出，垂直地應(yīng)力不變時(shí)，隨著側(cè)壓力系數(shù)增加，最大垂直位移逐漸增加. 針對(duì)本文計(jì)算工況，通過對(duì)此Ⅳ級(jí)圍巖隧道3組計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合算，得出最大垂直位移關(guān)于垂直地應(yīng)力、水平地應(yīng)力的關(guān)系公式如式(3)，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.940 6，公式僅適用于Ⅳ級(jí)圍巖條件.

ymax=-0.070 9+0.009 8σz+0.012 2σx

(3)

式中：ymax——最大垂直位移，m；σz——垂直應(yīng)力,MPa；σx——水平應(yīng)力,MPa.

對(duì)公式(3)進(jìn)行處理，得出公式(4).

(4)

由式(4)可知，當(dāng)垂直地應(yīng)力一定時(shí)，側(cè)壓力系數(shù)越大，最大垂直位移越大.

2.3 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圍巖最大主應(yīng)力的影響

σz=16 MPa時(shí)不同側(cè)壓力系數(shù)圍巖最大主應(yīng)力云圖如圖7所示.

隧道開挖后，最大主應(yīng)力的分布隨水平地應(yīng)力的變化而變化：當(dāng)λ<1時(shí)，水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力，應(yīng)力呈環(huán)狀出現(xiàn)在洞室周圍，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在左、右側(cè)壁，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，出現(xiàn)最大主應(yīng)力范圍逐漸集中；當(dāng)λ=1時(shí)，水平地應(yīng)力和垂直地應(yīng)力相等，除了洞室周圍的環(huán)狀應(yīng)力集中圈外，最大主應(yīng)力在圍巖也形成了應(yīng)力集中圈，即呈現(xiàn)了環(huán)狀應(yīng)力圈間隔分布的情形；當(dāng)λ>1時(shí)，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，洞室周圍環(huán)形應(yīng)力保持分布，最大主應(yīng)力集中區(qū)從圍巖左、右側(cè)轉(zhuǎn)到洞室上、下兩端.

可見，水平地應(yīng)力對(duì)洞室圍巖最大主應(yīng)力有明顯影響：當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ<1或λ>1時(shí)，即出現(xiàn)偏壓狀況時(shí)，最大主應(yīng)力趨向局部區(qū)域；當(dāng)λ=1時(shí)，即水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力相等，最大主應(yīng)力區(qū)在洞周分布更加均勻，呈現(xiàn)整體環(huán)狀應(yīng)力間隔分布的情形.

3 結(jié)語

本文使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立軟弱圍巖隧道模型，根據(jù)邊疆地質(zhì)條件特點(diǎn)，以側(cè)壓力系數(shù)為參考指標(biāo)，從圍巖的水平位移、垂直位移及最大主應(yīng)力角度，計(jì)算分析水平地應(yīng)力對(duì)圍巖的影響. 本文的研究結(jié)果表明：

1)隧道開挖完成后，在未采取任何加固的情況下圍巖發(fā)生向洞內(nèi)收斂的變形. 垂直地應(yīng)力不變，隨著水平應(yīng)力的增加，圍巖的最大水平位移與最大垂直位移逐漸增加.

2)當(dāng)λ<1時(shí)，水平應(yīng)力變化對(duì)圍巖水平位移影響較大；當(dāng)λ>1時(shí)，水平地應(yīng)力變化對(duì)圍巖垂直位移影響較大.

3)圍巖主應(yīng)力的分布隨水平地應(yīng)力的變化而變化：當(dāng)?shù)貞?yīng)力出現(xiàn)偏壓狀況時(shí)，最大主應(yīng)力為局部分布狀態(tài)；當(dāng)垂直地應(yīng)力與水平地應(yīng)力相等時(shí)，圍巖主應(yīng)力分布均勻，在隧道圍巖形成了環(huán)狀應(yīng)力圈間隔分布的情形.