側(cè)壓力系數(shù)對(duì)含空洞地層隧道開挖的影響

高情義 李燕紅

（云南展旭工程咨詢有限公司，云南 曲靖 655000）

我國(guó)地域遼闊、地理?xiàng)l件復(fù)雜，地層中普遍存在空洞和暗河等結(jié)構(gòu)缺陷，是地下工程經(jīng)常面臨的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)統(tǒng)計(jì)，空洞導(dǎo)致地層塌陷引發(fā)的地下施工安全事故占地下施工安全事故總數(shù)的30%。

隧道開挖引起原地應(yīng)力重分布，導(dǎo)致地層處于不平衡狀態(tài)，尤其是含空洞的部位應(yīng)力比較集中。開挖擾動(dòng)很容易造成含空洞的部位空洞結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致開挖斷面坍塌，為地下施工埋下安全隱患。

因?yàn)樗淼罁碛芯€狀結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn)，所以開挖后的施工斷面處于不同的應(yīng)力環(huán)境。在開挖擾動(dòng)后，不同的應(yīng)力條件對(duì)地層穩(wěn)定性的影響不同。應(yīng)力條件的不同，加上含地層空洞的結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致開挖斷面坍塌的機(jī)率大幅增加。因此，有必要模擬研究在不同應(yīng)力環(huán)境下，含空洞地層中的開挖隧道斷面，為含空洞地層開挖擾動(dòng)災(zāi)變事故提供一定的理論指導(dǎo)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

一、工程依托

依托重慶某隧道模擬數(shù)值，把地層假設(shè)為均質(zhì)地層，計(jì)算均按照平面應(yīng)變模型分析。初始側(cè)壓力系數(shù)λ為0，隧道開挖為全斷面開挖，斷面形狀為馬蹄形，跨徑8m，拱高7.5m。

二、模型參數(shù)及網(wǎng)格模型

利用有限元差分軟件flac3d建模，隧道半徑為8m。根據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)，取大于等于6倍隧道半徑為模型邊界范圍，因此模型尺寸為48m×2m×52m（X×Y×Z）。邊界約束條件為，X軸方向和Y軸方向?yàn)樗郊s束，Z軸方向?yàn)榇怪盭Y底面約束，頂部為自由面。采用六面體網(wǎng)格建模，共劃分1152個(gè)單元，1546個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性模型，計(jì)算方法為先平衡含有空洞地層初始地的應(yīng)力，再模擬不同側(cè)壓力系數(shù)條件下的隧道全斷面開挖。圓形地層空洞位于隧道頂部，凈距2m、半徑1m。巖土體基本物理參數(shù)如表1所示。

三、模擬結(jié)果分析

分別模擬側(cè)壓力系數(shù)在0至1之間變化的情況下，地層空洞位于頂部的隧道在全斷面開挖擾動(dòng)時(shí)，圍巖的應(yīng)力和位移狀態(tài)。

（一）不同側(cè)壓力系數(shù)下的最大主應(yīng)力分析

在不同側(cè)壓力系數(shù)的作用下，隧道的開挖圍巖從原來(lái)的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，發(fā)生了應(yīng)力重分布。

最大主應(yīng)力隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加逐漸增加。隧道頂部與空洞相連的范圍之內(nèi)，主應(yīng)力重分布范圍不斷擴(kuò)大。隧道全斷面開挖圍巖應(yīng)力調(diào)整范圍也主要集中在隧道開挖斷面頂部與空洞相連的范圍之內(nèi)。

表1 巖土體基本物理參數(shù)

圖1 不同側(cè)壓力系數(shù)的塑性區(qū)

圖2 不同側(cè)壓力系數(shù)豎向位移

如果定義拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。拉應(yīng)力主要集中在隧道頂部和地表，是隧道開挖容易坍塌的原因，也是反映實(shí)際施工過(guò)程中地表出現(xiàn)拉裂縫的力學(xué)因素。但是，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，地表拉應(yīng)力范圍逐漸減小，說(shuō)明側(cè)壓力系數(shù)對(duì)地表開裂的影響較大，當(dāng)隧道所處地質(zhì)環(huán)境較差時(shí)，地下開挖導(dǎo)致的地表開裂現(xiàn)象最為普遍。

（二）不同側(cè)壓力系數(shù)下的塑性區(qū)分析

如圖1所示，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，開挖圍巖塑性區(qū)范圍不斷增加，在空洞和隧頂處塑性區(qū)貫通的范圍逐漸擴(kuò)大，隧道拱側(cè)塑性區(qū)呈現(xiàn)與空洞塑性區(qū)貫通的趨勢(shì)，隧道拱腰處塑性區(qū)的活動(dòng)比其他部位明顯，這是因?yàn)樗淼篱_挖后在拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱腰側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力。近地表層也會(huì)出現(xiàn)不同的塑性區(qū)影響范圍，根據(jù)pece公式的計(jì)算推演顯示，在開挖淺埋隧道時(shí)，最先出現(xiàn)的大范圍開裂破壞通常發(fā)生在地表沉降曲線率最大的地表。

（三）不同側(cè)壓力系數(shù)下的豎向位移分析

如圖2所示，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，在隧道頂部與空洞之間的圍巖豎向位移不斷地增大，同時(shí)拱頂圍巖受擾動(dòng)范圍也有增大趨勢(shì)，圍巖向隧道斷面內(nèi)收斂。拱頂最大位移約為0.246cm，拱底最大位移約為0.137cm。對(duì)比側(cè)壓力系數(shù)為0的位移云圖發(fā)現(xiàn)，側(cè)壓力系數(shù)對(duì)拱頂位移和拱底位移的影響都較大。

四、結(jié)語(yǔ)

本文依托重慶某隧道開挖工程，模擬了在不同側(cè)壓力系數(shù)作用下，近拱頂含空洞全斷面開挖的數(shù)值，主要得出以下結(jié)論。

最大主應(yīng)力隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加而逐漸增加。隧道頂部與空洞相連的范圍之內(nèi)，主應(yīng)力重分布范圍不斷地?cái)U(kuò)大。

隧道全斷面開挖時(shí)，圍巖應(yīng)力的范圍主要集中在隧道開挖斷面頂部與空洞相連的區(qū)域，拉應(yīng)力主要集中在隧道頂部和地表。這是隧道開挖容易坍塌的原因，也與實(shí)際施工過(guò)程中地表出現(xiàn)拉裂縫的現(xiàn)象相符，但是隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大地表拉應(yīng)力范圍逐漸減小，說(shuō)明側(cè)壓力系數(shù)對(duì)于地表開裂影響較大。

隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，開挖斷面圍巖塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，在空洞和隧頂處塑性區(qū)貫通的范圍逐漸擴(kuò)大，隧道拱側(cè)塑性區(qū)出現(xiàn)與空洞塑性區(qū)貫通的趨勢(shì)，隧道拱腰處塑性區(qū)活動(dòng)比其他部位更明顯。

隨著側(cè)壓力系數(shù)的不斷增大，在隧道頂部與空洞之間的圍巖豎向洞內(nèi)收斂位移不斷增大，拱頂擾動(dòng)范圍也有增大的趨勢(shì)，同時(shí)拱底隆起位移也會(huì)受到側(cè)壓力系數(shù)的影響。