淺埋偏壓隧道圍巖穩定性數值分析研究★

劉天宇

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010)

0 引言

工程中偏壓隧道一般是指受偏壓荷載(不對稱壓力)的隧道。產生偏壓的主要原因有地形原因和地質原因。地形上原因是洞頂覆蓋較薄，地面橫坡顯著傾斜，多見于洞口淺埋地段及傍山淺埋地段[1]。地質上，若圍巖為傾斜層狀結構，層間粘結力差、伴隨有害節理裂隙切割時，或洞身有傾角較陡的軟弱結構面，圍巖一部分較軟、一部分較硬時，或存在軟弱夾層斷裂帶時容易發生偏壓。另外，施工期間因各種原因造成的一側塌方，也易形成顯著偏壓[2]。

對于淺埋偏壓隧道，在力學形態分析上，一般可采用“荷載—結構”模型[3]，但其荷載及結構分析方法具有特殊性;在圍巖變形上由于荷載的不對稱，而造成變形的不對稱，在設計時應采用不同的支護方式;在開挖施工時也應對斷面采用不同的開挖順序[4]。對此本文將以西氣東輸三線西段紅石溝隧道工程為依托，利用有限元軟件(FlAC3D)對淺埋偏壓隧道圍巖的受力特性和變形特性進行分析。

1 工程概況

擬建紅石溝隧道位于寧夏回族自治區中衛市迎水橋鎮孟家灣村，隧道自西向東方向穿越紅石溝山脈，地形高低起伏大，切割深，山谷陡峻、縱橫交錯，通視條件較好。從大的地貌上看隧址區東西兩側高程相當，進洞口(西側)地形起伏較大，自然坡角在40°～80°，坡高約60 m;洞口上方無植被覆蓋，表層基巖裸露，局部位置堆積有層厚約0.5 m的由砂巖風化坡殘積而成的碎石，呈松散狀。巖體以砂巖為主，較為完整。但是，隧址區附近地區斷裂構造較為發育，地質構造復雜，新構造運動較為活躍。隧道K0+124 m位置附近發現有一處小型斷裂:該斷層為正斷層，帶寬約為1.5 m，斷層產狀 50°∠70°。

隧道入洞口全貌見圖1。

圖1 紅石溝隧道進洞口地形地貌

2 數值模擬及結果分析

2.1 計算模型建立及計算參數

本文依據紅石溝隧道入口處現場實際地質概況建立了如圖2所示的三維計算模型，計算坐標系X軸沿隧道軸線方向，Y軸為水平方向，Z軸豎直向上。計算范圍為:X方向長度為250 m，Y方向長度100 m，Z方向最大厚度約129 m。模型共有50.1萬個單元，8.7萬個節點。材料屈服準則采用Mohr-Coulomb準則。邊界條件設置為四個側面和一個底面施加法向位移約束，頂面為自由面。

圖2 數值計算模型

根據紅石溝隧道的地質報告和現場實地勘察發現，隧道洞口處的圍巖為砂巖，隧道入口一直到隧道掌子面區間的巖體為泥巖與砂巖的膠結物，而且其強度較低，通過室內試驗對巖體參數進行了測試，獲得計算參數見表1。

表1 巖體計算參數

圖3 隧道進洞口不同斷面圍巖變形云圖

2.2 數值計算結果分析

1)位移場分析。

從三維數值計算的結果看，受山體偏壓影響，隧道進洞圍巖變形場非完全對稱，而且不同洞段圍巖的變形量也不完全一樣，但變形矢量都指向臨空面。開挖完成后，由于應力釋放，圍巖變形表現為底板以豎向位移為主，拱部以水平位移為主，拱頂水平位移稍大于豎向位移(見圖3)。

圖4 隧道軸線位移剖面云圖

圖5 不同斷面圍巖最大位移

從圖4可以看出，圍巖的最大位移主要集中在位移拱頂的偏右側以及底板位置，通過觀察記錄點位移，發現右側邊墻位移要明顯大于左側邊墻位移。各斷面最大位移量如圖5所示。由此可見，對于處在淺埋偏壓地段且巖性較弱的洞口，應及時施作仰拱，以盡早形成封閉受力環，以增強圍巖整體穩定性。此外，通過隧道軸線剖面圖可以看出，在斷層位置，圍巖的變形會產生一個突變，因此建議在斷層區域開挖時可以采用減小進尺，以避免隧道出現大變形或者垮落現象。

2)應力場分析。

由隧道剖面的計算結果可知，隧道開挖對圍巖產生擾動，使得圍巖應力發生二次重分布，隧道周圍徑向應力釋放，環向應力增加，使得圍巖不同部位出現應力松弛和應力集中。應力要集中在右側拱肩和左側墻腳處，不同斷面最大壓應力值依次約為0.25 MPa，0.35 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，同時，在距洞口 20 m 和30 m時，右側拱部及底板小范圍內出現拉應力，但量值較小。同時數值計算結果還表明隧道開挖對上覆邊坡巖體應力場具有一定程度的影響(見圖6，圖7)。

圖6 隧道進洞口不同斷面最小主應力云圖

3)塑性區分析。

從三維數值計算的結果看，受強風化和較低的巖體力學強度制約，隧道開挖引起圍巖的破損，導致不同部位圍巖的屈服和塑性變形。從塑性區計算結果來看，在隧道拱部、兩側邊墻及墻角位置產生了塑性區，同時，在斷層處也出現了塑性區集中。此外地表也出現了少量的塑性區，表明隧道開挖對上覆邊坡巖體產生了一定的影響。上述塑性區主要以巖體的剪切破壞為主，因此極有可能誘發隧道入口與斷層處巖體的失穩現象(見圖8，圖9)。因此，在隧道入口及斷層處需要對圍巖進行加強支護。

圖7 隧道進洞口不同斷面最大主應力云圖

圖8 隧道軸線剖面圖

圖9 隧道進洞口不同斷面塑性區分布圖

4)塌陷區范圍。

圖10 隧道進洞口不同斷面變形分布云圖

通過數值計算發現，隧道開挖后在開挖斷面上側形成一個漏斗形的沉降區域，一直延伸到地表面，并且在地表面形成一定的沉降區(見圖10)。在隧道頂部地表設置觀測點，記錄沉降量如圖11所示。可以發現在距洞口30 m的地表沉降量最大，約為0.6 mm。

由計算變形分布云圖可以看出，距進洞口的距離越大(埋深越深)，隧道引起的地表塌陷范圍越大，沉降值越大。塌陷范圍分別約為3.45 m，6.58 m，8.16 m，9.64 m。

圖11 地表位移變化

3 結語

本文應用FLAC3D軟件對紅石溝隧道進洞口進行了數值模擬，分析了淺埋偏壓隧道圍巖開挖后的應力場、變形區、塑性區以及塌陷區的變化特征，得到如下結論:1)從模擬結果可以看出，由于偏壓作用，隧道開挖后產生了不對稱變形。拱頂處的沉降變化比較嚴重，并且形成地表的沉降，且深埋側大于淺埋側，這對地表的一些建筑物很不利，可以通過增設超前支護和對開挖斷面及時支護的方式減小拱頂的沉降，同時應加強對圍巖的變形監測并采取防護措施，確保隧道施工的安全。2)淺埋偏壓隧道開挖過程中，隧道右側拱部和底板產生了小范圍的拉應力集中，量值較小。隧道深埋側拱腳和拱部存在不同程度的壓應力集中區。進行支護結構設計時，要充分考慮支護結構能夠抵抗偏壓作用引起的不均勻變形。3)塑性區主要產生在隧道兩側邊墻及拱部，在隧道施工時，應注意及時采取噴錨等措施，防止隧道洞周裂隙進一步擴展，從而減小塑性區范圍。此外，斷層穿過處產生了較多的塑性區并且圍巖變形在此處產生了突變，施工時應減小進尺并加強支護。

[1] 鐵道部第二設計院.鐵路工程設計技術手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1976.

[2] 王叔剛，李術才，王 剛，等.淺埋偏壓隧道洞口施工技術及穩定性分析研究[J].巖土力學，2006(27):364-368.

[3] 立 敏，劉小兵.交通隧道工程[M].長沙:中南大學出版社，2003.

[4] 李海威，李德武，常衛鋒.淺埋偏壓隧道圍巖力學與變形研究[J].蘭州交通大學學報，2012，31(1):43-51.