某淺埋偏壓隧道出口段圍巖與支護(hù)力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬分析

潘朝，張著彬，鄒勇

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430064）

隧道及地下結(jié)構(gòu)是一個(gè)由圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，往往具有“地質(zhì)因素復(fù)雜且變化眾多，受多種因素影響，施工較為困難”等特點(diǎn)，施工設(shè)計(jì)不當(dāng)易引發(fā)一系列安全問(wèn)題，如塌方、冒頂?shù)仁录?，更?yán)重會(huì)造成人員傷亡，因此，確定圍巖的穩(wěn)定性是隧道設(shè)計(jì)和施工中研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然而圍巖條件的復(fù)雜多變性、載荷效應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性及支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造性能的不確定性，使得本學(xué)科的理論指導(dǎo)作用不像其他學(xué)科更易于實(shí)現(xiàn)定量化[1]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的研究較多，但對(duì)特殊地段、特殊地質(zhì)條件的相關(guān)研究卻很少。為此，本文首先對(duì)隧道圍巖變形與初期支護(hù)機(jī)理進(jìn)行理論分析，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和ANSYS數(shù)值模擬對(duì)比分析，研究了淺埋偏壓隧道圍巖變形與初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)特征，旨在指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工，保證隧道安全、快速貫通，為類似工程研究提供參考借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

某隧道是滬昆客專長(zhǎng)昆湖南段重難點(diǎn)隧道，起止里程為DK387+174.24—DK388+075，全長(zhǎng)900.76 m，最大埋深127.4 m，寬約14 m，為來(lái)回雙線。

該隧道出口段屬于低山丘陵地貌，巖性為青灰色凝灰質(zhì)板巖及紫紅色砂質(zhì)板巖，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化層厚度較大，呈塊狀、碎塊狀，結(jié)構(gòu)松散。該段埋深20～30 m，DK388+055 斷面通過(guò)斷層F150，存在偏壓現(xiàn)象，為淺埋偏壓隧道段。隧道區(qū)板溪群馬底驛組二段與板溪群馬底驛組三段為整合接觸[2]。

2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及內(nèi)容

主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及內(nèi)容如表1 所示[3]，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布置如圖1 所示。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及內(nèi)容

2.2 隧道出口段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果分析

對(duì)DK388+025典型斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果如下。

2.2.1 拱頂沉降與水平收斂

DK388+025 斷面拱頂下沉、收斂差值及累計(jì)沉降量、收斂量隨時(shí)間變化曲線如圖2 所示。

圖2 DK388+025 斷面拱頂下沉、收斂差值及累計(jì)沉降量、收斂量隨時(shí)間變化曲線

DK388+025 斷面拱頂下沉、水平收斂當(dāng)日變形速率及平均變形速率隨時(shí)間變化曲線如圖3 所示。

圖3 DK388+025 斷面拱頂下沉、水平收斂當(dāng)日變形速率及平均變形速率隨時(shí)間變化曲線

由圖2 和圖3 可知，拱頂沉降在初期階段變化非常顯著，沉降速率達(dá)到7.54 mm/d 出現(xiàn)在隧道開(kāi)挖后的4 d 左右，隨后變形開(kāi)始趨于穩(wěn)定，但是當(dāng)日沉降速率需要34 d 左右才能降低到0.1 mm/d 以下。

水平收斂上下測(cè)線所需要的時(shí)間分別為32～42 d、13～23 d，均比較長(zhǎng)。其變形速率降到0.1 mm/d以下，上測(cè)線大約需要34 d，占收斂總時(shí)間的80.9%；而下測(cè)線只需11 d，占收斂總時(shí)間的36.7%。

結(jié)合分析可知，拱頂沉降變形與水平收斂變形趨勢(shì)比較相近，都是呈現(xiàn)3 個(gè)階段，即增長(zhǎng)和急速增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段和趨于穩(wěn)定階段，但各階段歷時(shí)有一定差異。拱頂沉降變形在增長(zhǎng)和急速增長(zhǎng)階段的時(shí)間大約為15 d，是水平收斂變形的2 倍左右；而水平收斂變形在緩慢增長(zhǎng)階段的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)22 d；兩者趨于穩(wěn)定階段的時(shí)間相差不大。拱頂總沉降量比水平收斂位移量大得多，高達(dá)17 mm 左右，但其收斂速率也不太相同，這與隧道的埋深、巖體的各種物理力學(xué)參數(shù)及監(jiān)測(cè)部位有著不可否認(rèn)的關(guān)系。

2.2.2 地表沉降

在隧道出口段地表布設(shè)了2 組地表下沉監(jiān)測(cè)測(cè)線（DK388+025 斷面、DK388+022 斷面），每組布設(shè)7個(gè)地表觀測(cè)點(diǎn)（P11—P17、P21—P27），隧道軸線縱斷面正上方地表埋設(shè)P14 和P24，然后向兩側(cè)依次均勻布設(shè)，間距3 m。鑒于篇幅有限，僅對(duì)部分時(shí)間段典型觀測(cè)點(diǎn)P11、P14、P17、P21、P24 及P27 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其地表測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。

圖4 地表累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化曲線

監(jiān)測(cè)表明，地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率變化也分3 個(gè)階段，隧道軸線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（P14、P24）表現(xiàn)更明顯些，兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率變化稍顯平緩。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降趨于穩(wěn)定階段較晚，大約都在37 d 之后。

地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降量與水平收斂量，這與隧道上方巖體的類型、物理力學(xué)參數(shù)、破碎程度及施工工藝與方法有重要關(guān)系，還與施工期處于霉雨季節(jié)有直接關(guān)系。

2.2.3 鋼支撐壓力

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，鋼支撐在拱頂和拱肩這些部位受力比較顯著，所以對(duì)DK388+022 斷面左拱腰、拱頂和右拱腰分別布置了635#、636#、637#GYL 鋼筋應(yīng)力計(jì)，所得鋼支撐壓力隨時(shí)間變化曲線如圖5 所示。

圖5 DK388+012 斷面鋼支撐壓力隨時(shí)間變化曲線

從圖中可以看出，拱頂和兩側(cè)拱腰處鋼支撐所受的壓力都比較大，說(shuō)明在淺埋偏壓隧道施工過(guò)程中鋼支撐承受了來(lái)自圍巖的大部分壓力；在鋼支撐所處的拱頂和拱腰部位上所測(cè)得的壓力隨時(shí)間變化呈現(xiàn)“快速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—快速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)”的規(guī)律，這種規(guī)律表示鋼拱架所受到的壓力受到現(xiàn)場(chǎng)施工非常大的影響；拱腰處受到的壓力左側(cè)比右側(cè)明顯大一些，主要原因是隧道處于偏壓狀態(tài)，使得左右兩側(cè)拱腰處受力不均。

2.2.4 錨桿軸力

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，錨桿在拱腰處受力會(huì)比較顯著。受條件所限，本次僅對(duì)DK388+020 斷面B、D 測(cè)孔處布置測(cè)點(diǎn)。B 測(cè)孔的各測(cè)點(diǎn)B1、B2、B3 的埋深分別為2.8 m、1.6 m、0.4 m，D 測(cè)孔的各測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3 的埋深分別為2.8 m、1.6 m、0.4 m。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨桿被監(jiān)測(cè)的軸力隨著深度增大從0 逐漸增大，隨后又慢慢變小，直至減小到0。其淺中部錨桿軸力變化規(guī)律為“快速增長(zhǎng)（軸力下降）—緩慢增長(zhǎng)—趨于平穩(wěn)”，深入巖石內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的軸力呈“上升—平緩—平緩”波動(dòng)的特征。由于受到隧道偏壓的影響，左側(cè)量測(cè)錨桿的軸力分布均值比右側(cè)的要大，具體如圖6 所示。

圖6 DK388+020 斷面B、D 測(cè)孔錨桿軸力曲線

3 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型假設(shè)條件及圍巖邊界條件

將隧道圍巖材料特性視作為均質(zhì)彈塑性體，并且其材料力學(xué)的屈服條件選取Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則[4]；隧道巖體變形時(shí)滿足各向同性；可用二維平面應(yīng)變問(wèn)題代替隧道圍巖的受力和變形。

大量的實(shí)踐證明，洞室應(yīng)力重分布在以洞室為中心3～5 倍洞徑范圍以內(nèi)。因此，本文使用的計(jì)算模型在水平方向取3 倍洞徑，在豎直方向向地層深部取4倍洞徑，在地表處采用實(shí)際的埋深及地形地勢(shì)。將初始應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力作用考慮在內(nèi)，施加均布荷載邊界條件作用在計(jì)算模型的水平兩側(cè)及上側(cè)，豎向上部荷載數(shù)值可以通過(guò)隧道埋深進(jìn)行確定，通過(guò)反算確定水平荷載大小，一般認(rèn)為位移在開(kāi)挖前已經(jīng)完成，因此在模型下部作用位移約束[5]。

3.2 單元類型及參數(shù)

圍巖及二襯襯砌通過(guò)4 節(jié)點(diǎn)等參平面實(shí)體單元（PLANE42）來(lái)進(jìn)行模擬，初期支護(hù)通過(guò)2 節(jié)點(diǎn)等參平面梁?jiǎn)卧˙EAM3）來(lái)進(jìn)行模擬，環(huán)向錨桿通過(guò)2節(jié)點(diǎn)等參桿單元（LINK1）進(jìn)行模擬[6]。

本次模型模擬過(guò)程中按照實(shí)際施工采用的設(shè)計(jì)參數(shù)選取各單元的參數(shù)，其具體內(nèi)容如下：①初期支護(hù)厚度取0.30 m；②Φ22 mm 錨桿長(zhǎng)度取3.6 m，布設(shè)36根在隧道壁環(huán)向180°，圓心角取5°，間距為0.6 m。

圍巖性質(zhì)參數(shù)主要通過(guò)考慮按規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)V級(jí)圍巖的參數(shù)確定，具體如表2 所示。

表2 圍巖與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算模型及模擬施工步驟

3.3.1 計(jì)算模型的選擇

隧道仿真模擬斷面歷程為DK388+025，該斷面埋深27 m。

隧道實(shí)際斷面形狀具體尺寸如下：①水平跨度最大達(dá)14 m，高度達(dá)9.8 m；②由四心圓構(gòu)成，半徑分別為7.35 m、19.3 m、3.1 m、3.1 m。

二維平面ANSYS平面模型如圖7所示。

圖7 有限元計(jì)算模型

3.3.2 施工步驟模擬

由于隧道圍巖失穩(wěn)事故一般發(fā)生在低級(jí)別圍巖中，并且隧道貫通的關(guān)鍵在于出口段V級(jí)圍巖段，因此本次選取某隧道V級(jí)圍巖進(jìn)行模擬計(jì)算分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的3臺(tái)階7步開(kāi)挖方法來(lái)進(jìn)行本次模擬，在整個(gè)模擬過(guò)程中，可分為14個(gè)荷載步進(jìn)行模擬。要想與監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)也要滿足實(shí)際施工步驟，可以把初期支護(hù)單獨(dú)進(jìn)行模擬，二次襯砌作為應(yīng)力儲(chǔ)備，在此不做模擬計(jì)算。隧道3臺(tái)階7步的土體荷載步分布如圖8所示。模擬計(jì)算初期支護(hù)的具體荷載步如下：模擬計(jì)算初始應(yīng)力（自重應(yīng)力場(chǎng)）—上臺(tái)階環(huán)形土體①進(jìn)行模擬開(kāi)挖—激活上臺(tái)階的支護(hù)—中左臺(tái)階②開(kāi)挖—激活中左臺(tái)階的支護(hù)—中右臺(tái)階③進(jìn)行模擬開(kāi)挖—激活中右臺(tái)階的支護(hù)—下左臺(tái)階④進(jìn)行模擬開(kāi)挖—激活下左臺(tái)階的支護(hù)—下右臺(tái)階⑤進(jìn)行模擬計(jì)算—激活下右臺(tái)階的支護(hù)及全部錨桿—核心土體⑥進(jìn)行模擬開(kāi)挖—仰拱土體⑦進(jìn)行模擬開(kāi)挖—激活仰拱土體的支護(hù)。

圖8 3臺(tái)階7步施工荷載步

3.4 數(shù)值模擬成果及與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.4.1 位移場(chǎng)分析

隧道開(kāi)挖后，由于受?chē)鷰r應(yīng)力重分布的影響，位移云圖在隧道附近出現(xiàn)顯著變化。Y方向位移及合位移最大值仍然出現(xiàn)在錐角處，均為206.1 mm，如圖9、圖10所示。相比其他部位，隧道左拱肩到拱頂沉降明顯較大，其范圍值為170.3～183.2 mm，這是由于隧道處于偏壓造成的。而X方向位移基本變化都較小。

圖9 開(kāi)挖模擬前Y方向初始位移云圖

圖10 開(kāi)挖模擬后Y方向位移云圖

DK388+025斷面實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比如表3所示。分析得出，實(shí)際監(jiān)測(cè)與ANSYS模擬的各個(gè)位移變化值中，地表沉降最大，拱頂沉降次之，周邊收斂最小。這是符合實(shí)際情況的，原因是隧道上方土層因開(kāi)挖及施工擾動(dòng)，會(huì)造成應(yīng)力重分布，從而使土層更密實(shí)。

表3 DK388+025斷面位移變化實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比分析

3.4.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

隧道開(kāi)挖后會(huì)擾動(dòng)初始應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生二次應(yīng)力重分布。開(kāi)挖模擬前應(yīng)力基本呈均勻?qū)訝罘植?，隧道右上方地表邊緣?huì)出現(xiàn)一定程度的拉應(yīng)力。

開(kāi)挖模擬后，無(wú)論是水平方向還是豎直方向，應(yīng)力最大值都產(chǎn)生在邊墻中部位置，最小值出現(xiàn)在拱頂及仰拱部位水平和豎直方向。同時(shí)，仰拱部位水平方向主要產(chǎn)生拉應(yīng)力，豎直方向多承受壓應(yīng)力，這也就是為什么隧道在施工中會(huì)出現(xiàn)仰拱突起現(xiàn)象的原因。在Y方向和第3主應(yīng)力云圖上，圍巖的應(yīng)力分布在拱頂形成一個(gè) “V” 字形槽，如圖11、圖12所示。

圖11 開(kāi)挖模擬后Y方向應(yīng)力云圖

圖12 開(kāi)挖模擬后第3主應(yīng)力云圖

對(duì)比開(kāi)挖模擬前后應(yīng)力云圖可以得出，隧道開(kāi)挖后對(duì)初始應(yīng)力擾動(dòng)將使二次應(yīng)力產(chǎn)生重分布現(xiàn)象，通過(guò)模擬可發(fā)現(xiàn)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的第一主應(yīng)力方向大致與水平方向相近，同時(shí)第三主應(yīng)方向也與豎直方向趨近，這種現(xiàn)象符合實(shí)際情況。隧道開(kāi)挖前，隧道周?chē)鷰r體所受應(yīng)力均勻分布，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。而隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，應(yīng)力在邊墻中部位移出現(xiàn)逐漸集中現(xiàn)象，尤其是在左邊墻。在左側(cè)從拱肩到拱頂處，雖然不是隧道所受應(yīng)力最大值部位，但也出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中。

3.4.3 塑性區(qū)分析

隧道開(kāi)挖模擬后周?chē)鷩鷰r塑性區(qū)分布云圖如圖13所示。

圖13 圍巖塑性區(qū)分布云圖

圍巖塑性區(qū)即周?chē)奢d產(chǎn)生壓力超過(guò)圍巖極限承載力，使局部圍巖產(chǎn)生變形不可恢復(fù)的屈服區(qū)域。分析圖13 可知，塑性區(qū)域主要集中在左側(cè)拱腳處，其次是兩側(cè)拱墻和拱腰位置，右側(cè)拱腳處不存在塑性區(qū)域。這是由于隧道處于偏壓狀態(tài)，周?chē)鷰r體與隧道初期支護(hù)在拱腳相互擠壓在左側(cè)更加嚴(yán)重造成的。

另外，圍巖塑性集中區(qū)都處于各個(gè)開(kāi)挖臺(tái)階的下邊緣處。實(shí)際施工過(guò)程中，每一臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)都會(huì)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，然后一般由于支護(hù)沒(méi)有封閉成環(huán)，在邊緣處多以周?chē)鷰r體結(jié)合支撐。因此施工期中，開(kāi)挖臺(tái)階下邊緣周?chē)鷰r體比較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致后期初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)，這些位置也會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)。

3.4.4 初期支護(hù)受力圖

開(kāi)挖模擬后錨桿軸力分布圖如圖14 所示。從圖中可以看出，隧道開(kāi)挖模擬后錨桿軸力值在隧道的拱頂及兩側(cè)拱腰處較大，尤其是左側(cè)拱腰。左側(cè)拱腰處最大軸力值為15.8 4 4 kN ；拱頂位置最大軸力值為7.688 kN；右側(cè)拱腰處最大軸力值為11.766 kN。將上述模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如表4 所示。

圖14 開(kāi)挖模擬后錨桿軸力分布圖

表4 各關(guān)鍵點(diǎn)錨桿最大支護(hù)軸力的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4 可知，實(shí)際監(jiān)測(cè)和ANSYS 模擬的錨桿軸力相差不大，并且左側(cè)拱腰處錨桿軸力都比右側(cè)大很多；無(wú)論是實(shí)際監(jiān)測(cè)還是ANSYS 模擬得到的錨桿軸力數(shù)據(jù)，兩側(cè)拱腰位置錨桿淺部位置（0.4 m 處）軸力最大，中部位置（1.6 m 處）軸力次之，深部位置（2.8 m 處）軸力最??；結(jié)合圖4—圖13，可以總結(jié)出錨桿從淺部位置到深入圍巖的深部位置，其軸力呈逐漸減小趨勢(shì)。

4 結(jié)論

淺埋偏壓隧道水平收斂、拱頂沉降及地表沉降隨時(shí)間變化均呈現(xiàn)增長(zhǎng)和急速增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段及趨于穩(wěn)定階段這3 個(gè)階段，但地表沉降量一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降量與水平收斂量，這與隧洞巖土體特性及施工工藝等因素有直接關(guān)系；受偏壓影響鋼支撐壓力和錨桿軸力左側(cè)均明顯大于右側(cè)，表明隧洞處于嚴(yán)重偏壓狀態(tài)。

淺埋偏壓隧道拱頂及地表沉降量較大，開(kāi)挖后應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)并及時(shí)施作；拱腰和拱腳處應(yīng)力集中，易發(fā)生剪切破壞，與一般隧道圍巖塑性區(qū)的分析較吻合。施工開(kāi)挖對(duì)圍巖位移變化影響較大，淺埋偏壓隧道的初期支護(hù)要與一般隧道支護(hù)區(qū)別對(duì)待，實(shí)際施工中要高度重視，宜采用復(fù)合式襯砌，對(duì)噴層適當(dāng)加強(qiáng)或加固。

數(shù)值模擬成果與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析相吻合，模型及參數(shù)選取正確，實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。