基于FLAC 3D的軟弱夾層隧道施工中圍巖穩(wěn)定性研究

梁裔舉

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷上升,公路交通發(fā)展迅速,我國隧道事業(yè)建設(shè)水平也不斷增長。我國地形、地質(zhì)情況復(fù)雜多樣,公路隧道建設(shè)不可避免地需要穿越地質(zhì)條件復(fù)雜的地帶。軟弱夾層作為常見的不良地質(zhì),對隧道圍巖穩(wěn)定有極大的影響,圍巖變形量大、支護(hù)結(jié)構(gòu)因承載力不足發(fā)生屈服等問題時常發(fā)生,嚴(yán)重時會引發(fā)坍塌等重大事故,極大地威脅隧道施工與安全。因此,進(jìn)行軟弱夾層隧道穩(wěn)定性分析對于指導(dǎo)隧道開挖施工以及后期防護(hù)十分重要。

彭鵬等[1]結(jié)合太焦鐵路實際隧道工程監(jiān)測結(jié)果,基于模糊決策理論提出加固參數(shù)設(shè)計方法,結(jié)合數(shù)值模擬,研究隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,指導(dǎo)隧道設(shè)計與施工?？岛２ǖ萚2]利用模型試驗研究不同傾角軟弱夾層隧道的圍巖變形規(guī)律,并通過FLAC 3D軟件對隧道開挖施工進(jìn)行模擬,驗證模型試驗規(guī)律。文海家等[3]基于工程實際,運用FLAC 3D軟件對穿越兩條軟弱夾層隧道的開挖過程進(jìn)行模擬,對隧道開挖的破壞模式進(jìn)行深入研究。石少帥等[4]依托宜巴高速隧道工程實例,針對該區(qū)的不良地質(zhì),采用FLAC 3D軟件模擬不同傾角及位置的軟弱夾層對圍巖穩(wěn)定的影響,得出圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律。郭富利等[5]結(jié)合工程實際,考慮軟弱夾層與掌子面圍巖的不同組合方式,通過室內(nèi)試驗建立軟弱夾層隧道圍巖的力學(xué)模型,揭示軟弱夾層圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理。昝世輝[6]依托貴廣客專實際隧道工程,深入研究了穿越軟弱夾層隧道在開挖施工過程中的圍巖變形特性、塑性區(qū)分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,并針對該隧道提出合理的施工建議。

為探究軟弱夾層對隧道圍巖穩(wěn)定的影響,以軟弱夾層公路隧道實際工程為背景,運用FLAC 3D軟件建立隧道三維計算模型,模擬全斷面法開挖施工全過程,探究開挖過程中隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力情況,進(jìn)行隧道穩(wěn)定性分析,并針對該軟弱夾層隧道提出建議,為隧道設(shè)計與施工提供支撐。

1 依托工程概況

擬建隧道為公路雙車道中長深埋隧道,總長1 175 m,軟弱夾層代表區(qū)段埋深約300 m。該區(qū)為構(gòu)造剝蝕中低山丘陵地貌,地勢起伏較大,上覆碎石土和粉質(zhì)黏土,下伏砂巖、泥巖及頁巖。地表水為降雨所致地表徑流;地下水不發(fā)育,為基巖裂隙潛水。圍巖等級為Ⅳ級和Ⅴ級,主要為中風(fēng)化砂巖,還有少部分夾泥巖及強(qiáng)風(fēng)化軟巖等軟巖;代表性區(qū)段軟弱夾層約呈45°穿過隧道中心,主要由中風(fēng)化砂巖和強(qiáng)、中風(fēng)化頁巖構(gòu)成,該段隧道埋深較大,圍巖較軟,自穩(wěn)性差,有失穩(wěn)破壞的風(fēng)險。隧道初期支護(hù)擬采用混凝土噴層、鋼拱架與錨桿系統(tǒng)3種材料組合。

2 模型建立與參數(shù)設(shè)置

依托軟弱夾層公路隧道工程實例,運用FLAC 3D軟件建立隧道三維計算模型如圖1所示。考慮到隧道施工空間效應(yīng)的存在,設(shè)置計算模型左右邊界為3倍開挖洞徑,上下邊界為3.5倍開挖洞徑,故模型整體寬為98 m,高為74 m,縱向深為30 m。隧道埋深為300 m,斷面參考公路雙車道隧道設(shè)計(L=10.27 m,d=12.84 m),隧道拱頂至模型上邊界的距離為36 m,采用全斷面法開挖,開挖進(jìn)尺2 m,分16步完成。軟弱夾層穿越隧道中心,傾角為45°,厚度為4 m。

圖1 計算模型圖

隧道整體圍巖為Ⅳ級及軟弱夾層為Ⅴ級,將其設(shè)為各向同性材料。軟弱夾層及圍巖均選用實體單元,采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,選用接觸面單元模擬軟弱結(jié)構(gòu)面。該工程初期支護(hù)為混凝土噴層、鋼拱架與錨桿系統(tǒng)3種材料組合,數(shù)值仿真計算時,選用殼單元模擬混凝土噴層,選用結(jié)構(gòu)單元模擬鋼拱架,選用內(nèi)置錨桿單元模擬錨桿系統(tǒng)。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖分析

3.1.1 圍巖變形

由數(shù)值計算結(jié)果可知,圍巖最大豎向位移及水平位移均發(fā)生在軟弱夾層位置,圍巖向上最大位移為69.5 mm,向下最大位移為68.4 mm,最大向左位移為53.3 mm,最大向右位移為56.0 mm,位于隧道左側(cè)拱腰偏上位置。圍巖豎向及水平位移在軟弱夾層處發(fā)生突變,其中,豎向位移產(chǎn)生10～15 mm突變,水平位移產(chǎn)生8～12 mm突變。隧道開挖至16 m斷面時,產(chǎn)生較大的水平和豎向位移,此處沒有施作支護(hù),圍巖極不穩(wěn)定,應(yīng)及時采取支護(hù)措施,將16 m斷面作為隧道的開挖斷面,從此處開始進(jìn)行支護(hù)加固處理。

圖2為拱頂隨隧道開挖的豎向位移變化曲線。由圖2可知,關(guān)鍵斷面開挖之前(0～16 m),隨著開挖的進(jìn)行,拱頂單次豎向位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,同時開挖掌子面越靠近關(guān)鍵斷面,拱頂單次開挖豎向位移越大;與之對應(yīng)的累積豎向位移也急劇增大。開挖至16 m關(guān)鍵斷面時,拱頂發(fā)生單次最大豎向位移,最大值為7 mm;與此同時,累積豎向位移達(dá)到38 mm。關(guān)鍵斷面開挖以后(16～30 m),單次開挖豎向位移急劇減小,在22 m后緩慢減小,趨于平緩,單次豎向位移在開挖至30 m斷面處降低至1 mm;累積豎向位移逐漸增大,但增加速率緩慢,增大趨勢趨于平穩(wěn),最終穩(wěn)定在47 mm。整體上看,關(guān)鍵斷面開挖前的累積豎向位移約占最終累積豎向位移的80%,說明關(guān)鍵斷面開挖之前隧道施工對豎向位移的影響遠(yuǎn)大于關(guān)鍵斷面開挖之后。究其原因,16 m關(guān)鍵斷面開挖后,施作支護(hù)限制了隧道拱頂豎向位移發(fā)展,拱頂豎向位移得到有效控制。

圖2 拱頂豎向位移曲線圖

為探究軟弱夾層對隧道圍巖變形的影響,選取16 m斷面作為關(guān)鍵斷面,導(dǎo)出18～30 m開挖里程有無夾層條件下關(guān)鍵斷面的豎向位移、水平位移、豎向收斂及水平收斂結(jié)果如圖3～6所示。由圖3～6可知,對于豎向及水平位移,軟弱夾層的存在會增大隧道的豎向位移和水平位移,開挖完成后,有軟弱夾層的最終豎向位移及水平位移約為無夾層條件下的兩倍。對于豎向及水平收斂,有無軟弱夾層對豎向收斂有明顯影響,對水平收斂則影響較小,有夾層時的豎向收斂相比于無夾層高12 mm左右,而水平收斂幾乎相同。分析原因,由于軟弱夾層的影響,隧道最大水平收斂會從拱腰位置轉(zhuǎn)移到軟弱夾層附近位置,支護(hù)結(jié)構(gòu)的加固支撐作用減少了軟弱夾層對圍巖水平收斂的影響。因此,軟弱夾層會增大附近圍巖的位移變形,但對遠(yuǎn)離軟弱夾層區(qū)域的圍巖位移則影響較小,故軟弱夾層附近的圍巖加固與防護(hù)十分重要。

圖3 關(guān)鍵斷面圍巖豎向位移曲線圖

圖4 關(guān)鍵斷面圍巖水平位移曲線圖

圖5 關(guān)鍵斷面圍巖豎向收斂曲線圖

圖6 關(guān)鍵斷面圍巖水平收斂曲線圖

3.1.2 圍巖應(yīng)力

由數(shù)值分析結(jié)果可知,考慮圍巖受壓區(qū)域,圍巖最大受壓應(yīng)力(第一主應(yīng)力最大值)主要集中在左側(cè)拱腰到拱腳位置及右側(cè)拱腰處,且左側(cè)圍巖應(yīng)力明顯大于右側(cè),第一主應(yīng)力在開挖至關(guān)鍵斷面處產(chǎn)生最大值,最大為10.5 MPa。考慮圍巖受拉區(qū)域,拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在隧道拱頂及拱底小部分區(qū)域。分析原因,軟弱夾層強(qiáng)度較低,隨著隧道開挖施工的進(jìn)行,隧道上部荷載作用于普通圍巖,兩側(cè)普通圍巖對軟弱夾層產(chǎn)生持續(xù)壓縮,導(dǎo)致拉壓應(yīng)力產(chǎn)生。

為進(jìn)一步探究軟弱夾層對圍巖應(yīng)力的影響,選取16 m斷面作為關(guān)鍵斷面,繪制18～30 m開挖里程有無夾層條件下關(guān)鍵斷面的第一主應(yīng)力最大值曲線如圖7所示。由圖7可知,有無軟弱夾層條件下的第一主應(yīng)力最大值均隨開挖里程的增大而增大,有夾層情況下的第一主應(yīng)力大于無夾層情況,但隨著開挖的進(jìn)行,二者差值越來越小。說明圍巖極有可能發(fā)生屈服破壞,證實了隧道開挖的空間效應(yīng),即掌子面后方的圍巖會隨著隧道開挖發(fā)生屈服破壞現(xiàn)象。

圖7 隨隧道開挖的第一主應(yīng)力最大值曲線圖

3.1.3 塑性區(qū)范圍

由數(shù)值分析結(jié)果可知,從隧道斷面上看,塑性區(qū)主要分布于隧道洞口周圍,且主要集中在兩側(cè)軟弱夾層附近,該區(qū)域塑性區(qū)范圍較大,分布深度為1～2 m。沿隧道掘進(jìn)方向,塑性區(qū)逐漸由兩側(cè)向軟弱夾層附近位置發(fā)展,軟弱夾層附近區(qū)域受剪,在施工中需要對附近巖體進(jìn)行重點防護(hù)。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 混凝土噴層

由計算結(jié)果可知,混凝土噴層的最大膜應(yīng)力及彎矩均發(fā)生在軟弱夾層及附近的右側(cè)拱腳位置,且均沿隧道掘進(jìn)方向逐漸增大。軟弱夾層之間的混凝土噴層會產(chǎn)生外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓的負(fù)彎矩。為研究軟弱夾層對混凝土噴層受力狀態(tài)的影響,繪制18～30 m開挖里程有無夾層條件下關(guān)鍵斷面的膜應(yīng)力最大值曲線如圖8所示。由圖8可知,完成開挖后的有無夾層情況下的膜應(yīng)力分別為21.5 MPa和10.8 MPa,有軟弱夾層條件下的膜應(yīng)力大于無軟弱夾層條件,約為無軟弱夾層條件的兩倍。同時,有夾層情況下的最大膜應(yīng)力增長速度大于無夾層情況。因此,軟弱夾層對混凝土噴層膜應(yīng)力有較大影響,軟弱夾層的存在使混凝土噴層承擔(dān)更大的應(yīng)力。

圖8 隨隧道開挖的膜應(yīng)力最大值曲線圖

3.2.2 鋼拱架

由計算結(jié)果可知,鋼拱架軸力、剪力及彎矩較大位置均位于隧道左右拱腳處。鋼拱架大部分位置為壓應(yīng)力,在左側(cè)拱腳處存在較小拉應(yīng)力,左側(cè)拱肩及右側(cè)拱腳處壓應(yīng)力較大。說明軟弱夾層對鋼拱架受力有明顯影響,鋼拱架軟弱夾層附近區(qū)域會產(chǎn)生較大的應(yīng)力,在施工過程中需要對該區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測,及時調(diào)整支護(hù)參數(shù),以保證隧道施工安全。為進(jìn)一步探究軟弱夾層對鋼拱架受力的影響,研究鋼拱架軸力隨開挖里程變化的空間效應(yīng),繪制18～30 m開挖里程有無夾層條件下16～18 m段隧道鋼拱架左拱肩處(軟弱夾層附近)的軸力變化曲線如圖9所示。由圖9可知,鋼拱架軸力隨隧道開挖里程的增大而逐漸增大,有夾層情況的軸力約為無夾層情況的兩倍。說明軟弱夾層附近鋼拱架承受應(yīng)力較大,極易引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形及破壞,因此需要針對該區(qū)域進(jìn)行特別防護(hù)。

圖9 隨隧道開挖的左拱肩部位鋼支撐軸力變化曲線圖

3.2.3 系統(tǒng)錨桿

由數(shù)值結(jié)果可知,錨桿應(yīng)力及軸力最大值均位于軟弱夾層附近。左拱肩及右拱腳至拱腰位置部分錨桿與混凝土噴層交界位置存在拉應(yīng)力,最大軸向拉應(yīng)力為120 kN,這些位置位于軟弱夾層附近,圍巖與軟弱夾層錯動導(dǎo)致同時穿越軟弱夾層與圍巖的錨桿會在交界面處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。進(jìn)一步研究錨桿應(yīng)力隨隧道開挖的變化規(guī)律,繪制18～30 m開挖里程有無夾層條件下16～18 m段錨桿軸力最大值曲線如圖10所示。與無夾層情況相比,含軟弱夾層的隧道錨桿軸力增大約25%,說明軟弱夾層的存在會使系統(tǒng)錨桿承受更大的軸向應(yīng)力。有無夾層情況的錨桿軸力最大值均隨開挖里程的增大而逐漸增大,并在后期趨于平穩(wěn),這是因為隨著隧道開挖里程的增加,隧道掌子面后方圍巖有微小移動并釋放應(yīng)力,導(dǎo)致系統(tǒng)錨桿應(yīng)力增加速率逐漸降低,最后趨于平穩(wěn)。

圖10 隨隧道開挖的錨桿軸力最大值曲線圖

4 結(jié)語

為探究軟弱夾層對隧道施工的影響,依托軟弱夾層隧道實際工程,運用FLAC 3D軟件模擬全斷面法隧道開挖全過程,進(jìn)行軟弱夾層隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析,得到結(jié)論如下:

(1)隧道開挖對圍巖的影響存在空間效應(yīng)。16 m為該隧道開挖的關(guān)鍵斷面,關(guān)鍵斷面開挖以前,隨著開挖的深入,圍巖位移急劇增大,且越靠近關(guān)鍵斷面,增大速率越大,并在關(guān)鍵斷面處達(dá)到最大值;關(guān)鍵斷面開挖以后,圍巖變形緩慢增加,逐漸平穩(wěn)。

(2)與均質(zhì)普通圍巖隧道相比,軟弱夾層會顯著增大圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力,加劇隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。

(3)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力較大處主要集中在軟弱夾層附近,需要針對軟弱夾層附近巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點防護(hù),加強(qiáng)監(jiān)測并及時調(diào)整支護(hù)設(shè)計參數(shù)。