高鐵隧道斷層帶圍巖變形規(guī)律有限元分析*

趙青云， 曹廣勇， 翟朝嬌

(安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601)

0 引 言

我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在山區(qū)需要修建大量隧道，在修建隧道時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)斷層，但也會(huì)遇到無(wú)法避開(kāi)的情況。斷層帶巖體松散破碎、穩(wěn)定性差，這種不良地質(zhì)會(huì)對(duì)工程帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，斷層破碎帶的巖體比較松散，現(xiàn)場(chǎng)管理措施不到位等原因可能導(dǎo)致隧道塌方、突泥等災(zāi)害。

楊青瑩等[1]利用有限元方法，模擬改變斷層帶的寬度、傾角和水頭壓力，研究圍巖的變形、受力規(guī)律，分析了隧道受富水?dāng)鄬訋У挠绊?。李文華[2]利用有限元的方法，模擬改變斷層傾角和斷層與隧道相對(duì)位置，研究隧道圍巖穩(wěn)定性影響。汪杰等[3]利用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)的手段，對(duì)節(jié)理傾角不同的巖體的破壞特性進(jìn)行了研究。朱合華[4]利用有限元的方法，以彈塑性損傷本構(gòu)模型模擬軟弱圍巖隧道開(kāi)挖，分析了軟弱圍巖漸進(jìn)破壞機(jī)理。黃生文[5]依托實(shí)際工程，運(yùn)用有限元的方法，模擬斷層區(qū)段圍巖應(yīng)力狀態(tài)，總結(jié)了大跨度斷層破碎帶隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。針對(duì)高鐵穿越斷層帶隧道的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以期對(duì)類似工程提供參考和借鑒。

1 隧道概況

1.1 地質(zhì)概況

皇后嶺隧道位于山西省長(zhǎng)治市境內(nèi)，起始里程為起始里程為DK241+765終點(diǎn)里程為DK246+305全場(chǎng)4540m，隧道位于沁水盆地南緣，晉獲褶斷帶的西側(cè)。隧道地屬長(zhǎng)治盆地南緣，屬底中山區(qū)。研究區(qū)段為斷層破碎帶段，隧道埋深范圍約166.7m-210.3m，圍巖等級(jí)為V級(jí)，斷層傾角為70°。隧道地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 隧道地質(zhì)剖面圖

1.2 開(kāi)挖及支護(hù)概況

斷層破碎段隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖隧道，依次開(kāi)挖上、中、下臺(tái)階，每天進(jìn)尺1.2m。斷層破碎段隧道圍巖為V級(jí)，隧道拱架采用I22型鋼，錨桿按梅花布置，環(huán)距1.2m×1.0m，錨桿布置示意圖如圖2-3所示。

圖2 錨桿橫斷面示意圖

圖3 錨桿布置縱斷面圖

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量分析

2.1 洞內(nèi)監(jiān)控測(cè)量

該段不良地質(zhì)段為下穿采空區(qū)及穿越煤層段，施工過(guò)程中根據(jù)隧道圍巖發(fā)育情況確定監(jiān)控量測(cè)頻率，為隧道施工提供可靠的信息、數(shù)據(jù)。

洞內(nèi)采用正方形反光貼作為觀測(cè)標(biāo)志，反光標(biāo)志貼在定制的鋼板上，另外在采用膠帶綁住，鋼板和鋼筋采用焊接連接，這樣構(gòu)成觀測(cè)樁。初噴混凝土后，用手鉆打孔，鉆孔不小于0.1m，打入檢測(cè)樁，為了讓檢測(cè)樁更加穩(wěn)定，需等待混凝土噴完后覆蓋粉粒并清理干凈，然后采集初始數(shù)據(jù)。如果測(cè)點(diǎn)損壞，需要及時(shí)補(bǔ)上，監(jiān)控測(cè)量采用全站儀進(jìn)項(xiàng)量測(cè)。

監(jiān)控測(cè)量點(diǎn)布置：拱頂設(shè)置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，兩邊拱腰位置各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩邊拱腰各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿著隧道軸線方向每5m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)面測(cè)量頻率為1次/d，周期為60d。襯砌完成后，依照原來(lái)的每5m在襯砌上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

分析可知：

(1)拱頂沉降相對(duì)于拱肩位置和拱腰位置的收斂要大很多，拱頂屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位。由圖5可以看出斷層對(duì)圍巖擾動(dòng)影響比較大。越靠近斷層，拱頂沉降、拱腰和拱肩的收斂越大。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 圍巖沉降收斂累計(jì)變化圖

(2)在DK243+50到DK243+100這段的沉降和收斂變化比較平緩，從DK243+100到DK243+150，沉降和收斂值由緩慢到快速增大，拱頂最大沉降為12.4mm，拱肩最大收斂為4.9mm，拱腰最大收斂為3.5mm。DK243+100到DK243+205這段，沉降和收斂值由快速下降到緩慢下降。且最大沉降和收斂均發(fā)生在斷層偏向的一側(cè)。各監(jiān)測(cè)斷面的沉降和收斂值均遠(yuǎn)小于預(yù)留量。

3 數(shù)值模擬

3.1 FLACD 3D計(jì)算基本原理

FLAC 3D利用有限差分法，此方法利用差分公式求解偏微分方程。FLAC 3D在基坑、隧道、邊坡等應(yīng)用廣泛，相較于其他軟件在大變形方面比較突出。軟件里面自帶很多本構(gòu)模型，也有很多結(jié)構(gòu)單元，可以更好的建立數(shù)值模型。FLAC 3D中一般求解步驟：先建立網(wǎng)格，選取本構(gòu)并輸入模型中的各種材料參數(shù)，確定好邊界條件和初始條件，得到施工前的初始平衡狀態(tài)，然后再開(kāi)始挖控或者改變一些條件分析工程的響應(yīng)。

3.2 模型建立

基本假定：不同巖體的巖體性質(zhì)各向同性、均質(zhì)、各向同性；對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力予以忽略，也不考慮地下水的影響；模擬隧道時(shí)，斷層巖體采用弱化的方法實(shí)現(xiàn)，隧道中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用軟件中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)圣維南原理，隧道開(kāi)挖的影響范圍一般為洞徑的3～5倍。隧道最大寬度為14.4m，最大高度為12.2m。隧道斷面形式為五心圓，模型尺寸為Y×X×Z=140m×140m×120m。由于破碎段隧道埋深較大，計(jì)算模型取的深度較深，模擬的隧道模型整體高度取120m，通過(guò)附加應(yīng)力實(shí)現(xiàn)未建立的巖體的荷載,模型如圖6、7所示。

圖6 計(jì)算模型

圖7 襯砌及支護(hù)構(gòu)件

3.3 材料參數(shù)

數(shù)值計(jì)算采用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，材料的體積模量K和剪切模量G用下列公式計(jì)算得出：

(1)

(2)

其中，E代表巖體的彈性模量，μ代表泊松比。

3.4 開(kāi)挖過(guò)程

定好邊界條件，讓模型在只有重力的條件下進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算，達(dá)到平衡后，把位移、加速度和塑性變形清除。然后利用FLAC 3D中的空殼模型模擬隧道的開(kāi)挖并打上支護(hù)構(gòu)件。模型兩次平衡的位移云圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖如圖8-10所示。

圖8 自重應(yīng)力平衡位移云圖

圖9 開(kāi)挖后應(yīng)力平衡位移云圖

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖

(1)在DK243+85到DK243+105段，斷層破碎帶在拱頂上方，斷層破碎帶與隧道的豎向垂距較大，在距離斷層比較遠(yuǎn)時(shí)，斷層破碎帶對(duì)拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂沒(méi)有影響。在DK243+105到DK243+135段，隨著隧道拱頂?shù)綌鄬悠扑閹У呢Q向垂距變小，破碎帶對(duì)拱頂沉降和拱腰、拱肩收斂影響變大。DK243+135到DK243+175段，斷層破碎帶已經(jīng)接觸隧道或與隧道豎向垂距非常小，拱頂沉降和拱肩收斂值發(fā)生了突變，由左向右先迅速增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后迅速減小。DK243+175到dk243+205段，隨著隧道和斷層破碎帶豎向垂距的逐漸變大，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂值逐漸變小，過(guò)了DK243+205后隧道的沉降收斂幾乎不受斷層破碎帶的影響，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂趨于一個(gè)穩(wěn)定值不再變化。沉降和收斂的最大值發(fā)生處在斷層偏向的一側(cè)。

(2) 拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂的突變范圍比斷層和拱頂?shù)慕佑|范圍要大。隧道和斷層破碎帶的接觸范圍為33.4m，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂的突變范圍為40m。

(3)拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂最大值均發(fā)生在DK243+150處，分別為13.4mm，5.8mm，2.42mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果差別不大，說(shuō)明利用軟件模擬的結(jié)果可供隧道施工參考。

表1 材料參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)模擬結(jié)果顯示，隧道下穿斷層帶時(shí)，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂的變化趨勢(shì)均為先增大后減小。沉降和收斂的最大值發(fā)生處在斷層偏向的一側(cè)。

(2)采用FLAC 3D模擬斷層隧道，隧道的沉降收斂突變范圍比斷層帶與隧道接觸范圍大。在支護(hù)措施下各監(jiān)測(cè)斷面的沉降和收斂值均遠(yuǎn)小于預(yù)留量。

(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比模擬結(jié)果，說(shuō)明模擬結(jié)果可供類似工程參考。