基于MIDAS/GTS NX的偏壓隧道施工階段圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

汪振眾

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

我國國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益完善，中心城市及周邊地區(qū)已接近飽和，而在經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)或者地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍有待進步。隧道工程在公路、鐵路建設(shè)過程中通常起到控制性工程的作用。在我國一些偏遠地區(qū)，受地質(zhì)條件、經(jīng)濟因素及施工技術(shù)等方面的限制，偏壓隧道時有出現(xiàn)，修建過程中也會面臨種種困難，因此有必要對偏壓隧道的圍巖穩(wěn)定性做進一步研究。

我國學(xué)者對偏壓隧道的研究取得了較為客觀的成果。代樹林等[1]通過數(shù)值模擬方法研究了不同坡比和處治措施對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明削坡法處治措施最佳。張征亮等[2]通過數(shù)值模擬方法分析了不同偏壓情況隧道的圍巖變形與襯砌受力情況。朱正國等[3]基于比爾鮑曼理論得到隧道開挖后圍壓體塌落拱曲線，并通過作圖法確定了偏壓隧道側(cè)覆土厚度的計算方法。邵江等[4]通過室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對不同滑坡帶角度下的滑坡側(cè)推力對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響進行了研究，并掌握了滑坡推力作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征。盧偉等[5]基于雙強度折減理論對淺埋偏壓圍巖穩(wěn)定進行了數(shù)值模擬研究，探究了以特征部位的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情況作為判斷隧道圍巖穩(wěn)定性的依據(jù)。張成良等[6]對起鳳山隧道的側(cè)覆土厚度進行了數(shù)值模擬研究。胡煒等[7]為研究順層偏壓隧道圍巖的破壞模式，采用數(shù)值模擬和理論分析手段對其進行了分析，并根據(jù)圍巖的破壞形態(tài)及應(yīng)力分布特征提出了錨桿支護方案。

總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)，已有研究多側(cè)重于圍巖和襯砌的變形與受力情況，而對側(cè)覆土厚度導(dǎo)致的圍巖時空演化規(guī)律研究較少。為了更深入地掌握側(cè)覆土厚度對隧道圍巖時空變形的影響規(guī)律，本文結(jié)合遼寧某在建隧道偏壓段的工程實際，采用MIDAS/GTS NX有限元數(shù)值模擬方法對不同側(cè)覆土厚度下隧道圍巖的拱頂變形隨時間、空間的分布規(guī)律進行研究，為偏壓隧道設(shè)計與施工提供可靠的技術(shù)支持。

1 隧道數(shù)值模擬方案設(shè)計

遼寧某在建隧道位于遼寧省阜新市境內(nèi)，全長1 037 m，最大埋深154 m，為左右兩幅分離式隧道。在隧道選線過程中，受地形地貌、地質(zhì)斷層及隧道高程等條件限制，右幅隧道存在較為嚴重的偏壓情況，且側(cè)覆土厚度不均，其中最小側(cè)覆土厚度僅為4.9 m。本文以該隧道右幅作為研究對象，分析不同側(cè)覆土厚度對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。側(cè)覆土厚度的具體計算方法可參閱文獻[6]。

為節(jié)省數(shù)值模擬計算時間，同時考慮邊界效應(yīng)的影響，單幅隧道左右邊界距隧道中心不少于2.5倍洞跨，隧道設(shè)計跨度為17.3 m，則模型水平方向計算寬度取110 m，模型底部邊界距隧道仰拱不少于3倍洞高，隧道設(shè)計洞高為11.1 m，底部邊界與仰拱之間距離取45 m，模型縱向長度取100 m，隧道側(cè)覆土厚度取5、10、15和20 m。本文隧道圍巖等級為Ⅳ級，計算模型采用M-C強度準則，隧道及圍巖采用各向同性的三維實體單元，材料本構(gòu)模型采用M-C強度準則；隧道襯砌采用二維板單元結(jié)構(gòu)，錨桿采用一維植入式桁架結(jié)構(gòu)，二者均采用彈性本構(gòu)模型進行計算，隧道網(wǎng)格采用混合四面體網(wǎng)格。偏壓隧道數(shù)值計算模型見圖1。隧道采用預(yù)留核心土開挖方法，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，以每循環(huán)2 m/d的施工進度進行開挖作業(yè)。

圖1 偏壓隧道計算模型

參考工勘報告，并結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中各物理參數(shù)的取值范圍，給出了本文數(shù)值模擬參數(shù)的取值見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2 偏壓隧道數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2為側(cè)覆土厚度5 m和20 m時偏壓隧道豎直方向位移云圖。從圖中可以看出，偏壓隧道最大沉降和隆起位移分別發(fā)生在拱頂和拱底周圍區(qū)域。當側(cè)覆土厚度為5 m時，隧道最大沉降位移發(fā)生在左拱肩位置處，最大隆起位移發(fā)生在右側(cè)拱底處，且在與隧道拱腰高度近似平行的偏壓坡面出現(xiàn)較為明顯的隆起位移；隨著側(cè)覆土厚度的逐漸增大，當側(cè)覆土厚度為20 m時，偏壓隧道的最大沉降位移由左側(cè)拱肩處逐漸向拱頂轉(zhuǎn)移，最大隆起位移逐漸由右側(cè)拱底逐漸向中心拱底轉(zhuǎn)移，隧道的整體位移逐漸由傾斜方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向，近似呈水平對稱分布，且在與隧道拱腰高度近似平行的偏壓斜坡隆起現(xiàn)象逐漸消失，說明側(cè)覆土厚度較薄時，隧道開挖后極易造成斜坡附近巖土體產(chǎn)生滑移破壞。

圖2 豎向位移云圖(豎直方向)

3 隧道圍巖變形時空演化規(guī)律分析

3.1 監(jiān)測點布設(shè)

為分析不同側(cè)覆土厚度下隧道拱圈附近圍巖變形隨時間和空間的變化情況，分別設(shè)置監(jiān)測點及監(jiān)測斷面如圖3所示，圖3(a)中A點為拱頂沉降監(jiān)測點，B、C點分別為周邊收斂位移監(jiān)測點，圖3(b)中監(jiān)測斷面A1、A2、A3、A4和A5分別對應(yīng)隧道長度0、25、50、75和100 m。

圖3 圍巖變形隨時間、空間變化監(jiān)測點布設(shè)

3.2 隧道圍巖變形的時間效應(yīng)分析

以監(jiān)測斷面1為例，不同側(cè)覆土厚度下隧道圍巖變形隨時間分布曲線見圖4。其中圖4(a)為不同側(cè)覆土厚度下拱頂沉降隨時間分布曲線，圖4(b)為不同側(cè)覆土厚度下周邊收斂隨時間分布曲線。從圖4(a)中可以看出，不同側(cè)覆土厚度下隧道拱頂沉降隨時間的分布規(guī)律基本相同，在開挖20 d內(nèi)，隧道拱頂圍巖表現(xiàn)為加速變形；在開挖20～45 d內(nèi)，曲線走勢逐漸趨緩，曲線斜率逐漸減小；在開挖45 d以后，拱頂沉降曲線基本呈水平直線狀，曲線斜率幾乎為零。從圖4(b)中可以看出，周邊收斂曲線分區(qū)與拱頂沉降之間具有較為明顯的差異，周邊收斂加速區(qū)約為35 d左右；在第35～60 d之間，周邊收斂變形開始放緩，但仍繼續(xù)增大；在開挖第60 d后隧道圍巖進入平穩(wěn)階段。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)覆土厚度的逐漸增大，隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂均呈逐漸遞增趨勢，其中，側(cè)覆土厚度為5 m時的周邊收斂位移均為正值，說明隧道整體均向偏壓側(cè)移動，推斷此時隧道正處于滑坡帶內(nèi)，極易造成坍塌失穩(wěn)。因此，在進行偏壓隧道施工應(yīng)嚴格控制側(cè)覆土厚度。不同側(cè)覆土厚度下隧道圍巖最終變形統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 不同側(cè)覆土厚度下隧道圍巖最終形變量

圖4 同一監(jiān)測斷面不同側(cè)覆土厚度下隧道圍巖變形-時間分布曲線(監(jiān)測斷面1)

3.3 隧道圍巖變形的空間效應(yīng)分析

根據(jù)圖3(b)，以監(jiān)測斷面2為例對拱頂沉降進行分析，圖5為同一監(jiān)測斷面不同側(cè)覆土厚度下隧道掌子面在向前推進過程中的拱頂沉降曲線，每5 m間隔記錄一次數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，不同側(cè)覆土厚度下監(jiān)測斷面2的拱頂沉降曲線在不同位置處的變化趨勢基本一致，在監(jiān)測斷面后方25 m處，即隧道未開挖時，監(jiān)測斷面2的拱頂沉降值為零，見圖5(a)；隨著掌子面向前掘進，當開挖至監(jiān)測斷面2時，拱頂沉降值陡增，見圖5(b)；當掌子面超過監(jiān)測斷面后，監(jiān)測斷面2的拱頂沉降值繼續(xù)增大，但增幅開始減小，即曲線斜率逐漸趨緩，見圖5(c)；圖5(d)為距監(jiān)測斷面前方50 m處的拱頂沉降曲線，此時的拱頂沉降值繼續(xù)增大，曲線斜率繼續(xù)趨緩，并最終趨于穩(wěn)定，見圖5(e)。不同側(cè)覆土厚度、不同位置處的拱頂沉降量統(tǒng)計結(jié)果見表3。

圖5 同一監(jiān)測斷面不同側(cè)覆土厚度下拱頂沉降-空間分布曲線(監(jiān)測斷面2)

表3 不同側(cè)覆土厚度、不同位置處拱頂沉降量統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)論

文章以遼寧某在建隧道偏壓段為工程背景，采用MIDAS/GTS NX有限元數(shù)值模擬軟件對不同側(cè)覆土厚度下偏壓隧道圍巖拱頂沉降的時空演化規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究，具體結(jié)論如下：

(1)當側(cè)覆土厚度較小(d=5 m)時，隧道最大沉降位移發(fā)生在左拱肩位置處，隨著側(cè)覆土厚度的逐漸增大，當側(cè)覆土厚度較大(d=20 m)時，偏壓隧道的最大沉降位移由左側(cè)拱肩處逐漸向拱頂轉(zhuǎn)移，隧道的整體位移逐漸由傾斜方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向，近似呈水平對稱分布，說明側(cè)覆土厚度較薄時，隧道開挖后極易造成斜坡附近巖土體產(chǎn)生滑移破壞。

(2)不同側(cè)覆土厚度下隧道拱頂沉降隨時間的分布規(guī)律基本相同，在開挖20 d內(nèi)，隧道拱頂圍巖表現(xiàn)為加速變形；在開挖20～45 d內(nèi)，曲線走勢逐漸趨緩，曲線斜率逐漸減小；在開挖45 d以后，拱頂沉降曲線基本呈水平直線狀，曲線斜率幾乎為零。隨著側(cè)覆土厚度的逐漸增大，隧道圍巖拱頂沉降呈逐漸遞增趨勢。

(3)不同側(cè)覆土厚度下監(jiān)測斷面2的拱頂沉降曲線在不同位置處的變化趨勢基本一致，在監(jiān)測斷面后方25 m處，即隧道未開挖時，監(jiān)測斷面2的拱頂沉降值為零；隨著掌子面向前掘進，當開挖至監(jiān)測斷面2時，拱頂沉降值陡增；當掌子面超過監(jiān)測斷面后，監(jiān)測斷面2的拱頂沉降值繼續(xù)增大，但增幅開始減小，即曲線斜率逐漸趨緩；當掌子面距監(jiān)測斷面前方50 m時，拱頂沉降值繼續(xù)增大，曲線斜率繼續(xù)趨緩，并最終趨于穩(wěn)定。