基于ABAQUS碎石土隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

楊幸福，崔正宇，黃志強(qiáng)

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 101111;3.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

現(xiàn)階段我國的交通等基礎(chǔ)設(shè)施得到了迅速發(fā)展，在不良地質(zhì)條件下的隧道施工越來越多。

隧道邊坡終年堆積的碎石土存在著富水、偏壓等問題，而且碎石土圍巖本身自穩(wěn)性差，在施工中極易出現(xiàn)滑坡坍塌一類的地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的社會影響和經(jīng)濟(jì)損失，這些問題對施工中的安全措施和施工工藝提出了更高的要求。在隧道開挖過程中，碎石土圍巖會出現(xiàn)較大的變形、失穩(wěn)，增加了塌方冒頂?shù)氖┕わL(fēng)險，因此，采用什么樣的方法克服碎石土這樣的不良地質(zhì)條件，對提高復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道的施工效率和安全系數(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

貴州省石阡至玉屏(大龍)高速公路位于貴州省銅仁市，是貴州省政府高速公路攻堅決戰(zhàn)重點項目，該公路建成后將對完善貴州省高速公路網(wǎng)起到重要作用。小白巖隧道和將軍山隧道位于該高速公路的第TJ07標(biāo)段(YK46+250～K53+473.573)，路線全長7 224 m，單洞全長7 318 m。其中，小白巖隧道左幅3 425 m，右幅3 445 m，將軍山隧道左幅230 m，右幅218 m，隧道的設(shè)計汽車荷載為公路Ⅰ級，車道數(shù)為雙向四車道。小白巖隧道、將軍山隧道均位于岑鞏縣平莊鄉(xiāng)境內(nèi)，既有交通條件較差，隧址區(qū)地貌起伏較大，屬于典型山區(qū)公路隧道。其中，小白巖隧道屬于特長隧道，實際施工工期不足20個月，月綜合進(jìn)尺最低要求完成216 m，才能滿足合同工期。根據(jù)地質(zhì)勘查報告和實際開挖情況，隧道洞口邊坡和洞口段不同程度地穿越了復(fù)雜地質(zhì)，施工風(fēng)險大、技術(shù)難度高。

在新建的小白巖隧道、將軍山隧道進(jìn)出口位置存在許多厚度較大的坡積碎石層，這些碎石層的斜坡坡度較大且順層節(jié)理發(fā)育，造成進(jìn)洞口仰坡穩(wěn)定性較差，開挖時易形成順層滑塌。碎石土層主要由粗、細(xì)顆粒土組成，其中粗顆粒土占主要成分，粗顆粒土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，土中粒徑大小差異明顯，因而碎石土的顆粒集配對其抗剪強(qiáng)度等物理特性影響很大。貴州地區(qū)常年雨量充沛，碎石土中的孔隙水壓力會使邊坡的下滑力增大，而且造成滑面上的法向應(yīng)力減小從而降低了碎石土的等效抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致碎石土滑坡。為了改善碎石土的力學(xué)特性，工程中采用了注漿加固技術(shù)來保持圍巖邊坡穩(wěn)定，在兩處隧道中，圍巖級別為Ⅲ級～V級，其中V級區(qū)段圍巖最為復(fù)雜，施工中隧道洞身一旦開挖，圍巖將難以形成有效的承載拱，極易發(fā)生坍塌事故，因此V級區(qū)段是本隧道施工中的難點。本文利用ABAQUS有限元分析，模擬隧道碎石土圍巖的受力和穩(wěn)定性，揭示碎石土圍巖的變形機(jī)理，確定隧道洞口坡體注漿加固的范圍、深度，對于加快隧道施工進(jìn)度、降低工程成本具有重要的作用。

2 ABAQUS模型的建立

2.1 模型概況

本文結(jié)合小白山隧道現(xiàn)場施工的資料，建立了二維平面應(yīng)變模型，如圖1。該模型邊界選取了一個長方形平面，長為50 m，寬為40 m，隧道洞身直徑為10 m，高度為5 m，取土體的自重方向為Y方向，上表面為自然地面。建模過程中將模型的左右邊界水平方向約束，將底部雙向約束，頂部則不作約束。本文計算中碎石土圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌采用彈性模型，整個模型包含542個單元和576個節(jié)點。

圖1 模型網(wǎng)格

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場碎石土力學(xué)試驗測試和圍巖V級標(biāo)準(zhǔn)，在模擬隧道開挖和支護(hù)過程中，采用最不利工況下的材料參數(shù)，見表1。

表1 碎石土力學(xué)參數(shù)

開挖初期使用濕噴機(jī)噴射混凝土，濕式噴射粉塵少，回彈少，可以充分保證混凝土的質(zhì)量，混凝土的強(qiáng)度等級為C30。襯砌采用鋼筋混凝土材料，厚度為30 cm(見表2)。

表2 襯砌材料參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)動態(tài)模擬結(jié)果可以得出，隨著開挖工序的進(jìn)行，開挖區(qū)周圍隨即產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于對碎石土圍巖的擾動增大，當(dāng)拱頂開挖完成后，圍巖的拉應(yīng)力達(dá)到了最大，最大值為22.45 kPa，如圖2。開挖完成后，應(yīng)力會逐漸釋放，碎石土圍巖的最大拉應(yīng)力隨之減小，襯砌施作完成后，最大拉應(yīng)力為19.76 kPa，由此可見，襯砌對抑制拉應(yīng)力擴(kuò)展有很好的作用。隧道開挖時應(yīng)力主要集中在拱頂處，所以初期支護(hù)注漿時也應(yīng)特別注意加固拱頂圍巖。

圖2 拱部開挖后的應(yīng)力云圖

圖3 襯砌施作后的應(yīng)力云圖

3.2 圍巖位移分析

從模型的動態(tài)位移分布場可以看出，開挖過程中圍巖位移基本隨開挖進(jìn)行呈增大趨勢，當(dāng)全部開挖完成后，圍巖位移達(dá)到最大值。拱頂因碎石土擾動向下發(fā)生位移16.6 mm,拱底因碎石土擠壓向上發(fā)生位移18.3 mm,如圖4所示。所以在初期支護(hù)時不僅要噴射混凝土還要錨桿支護(hù)，避免碎石土圍巖因失穩(wěn)引起塌方事故，而且拱頂和拱底處的位移都較大，施工注漿時要特別注意拱頂和拱底處的加固和支護(hù)。

圖4 開挖后豎向位移分布云圖

3.3 襯砌受力分析

從襯砌的應(yīng)力云圖結(jié)果來看，拱底和拱頂受到的拉壓應(yīng)力都比較小，均在0.3 MPa左右，但是拱腳處由于模型與實際隧道施工相差較大，造成應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為3.69 MPa，最大壓應(yīng)力為0.83 MPa，如圖5所示。在襯砌的位移云圖中，襯砌頂部向下發(fā)生位移8 mm,如圖6所示，碎石土圍巖較之前已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，但是襯砌拱底向下發(fā)生位移22 mm，可能是由于泥炭土地基不均勻沉降造成的，因此，施工時還應(yīng)注意地基加固處理，減小沉降。

圖5 襯砌應(yīng)力分布云圖

圖6 襯砌位移分布云圖

4 結(jié) 語

將小白巖和將軍山隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相對比，結(jié)果表明，現(xiàn)場監(jiān)測到的圍巖和襯砌的應(yīng)力位移較數(shù)值模擬結(jié)果偏小，主要是因為現(xiàn)場無法監(jiān)測施工初期的地基沉降，而用ABAQUS做的數(shù)值模擬結(jié)果可以將這些因素考慮在內(nèi)。綜上所述，利用ABAQUS所做的穩(wěn)定性分析與現(xiàn)場的監(jiān)測到的圍巖襯砌的受力位移較為吻合，可以得出如下結(jié)論。

1)在隧道開挖初期碎石土圍巖的穩(wěn)定性會受到影響，開挖過程中應(yīng)緊隨著施作支護(hù)和隧道碎石土的注漿加固。

2)碎石土圍巖較軟弱，穩(wěn)定性也比較差，施工時要增加測點及時檢測到有效數(shù)據(jù)，特別是在拱腳、拱頂、拱底處，這些位置經(jīng)常會出現(xiàn)應(yīng)力集中和大幅沉降的情況，為保證施工安全必須加強(qiáng)檢測。

3)數(shù)值模擬往往和現(xiàn)場的實際工況有一定差距，為了減小誤差，模擬計算時各項參數(shù)應(yīng)盡量依照現(xiàn)場的實際情況選擇，這樣才能計算出有效的模擬結(jié)果以供實際施工參考。

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