深埋隧道大超挖圍巖力學響應分析

劉煥濤,劉鐵成,丁國龍

(中交一航局第三工程公司,大連 300461)

隨著中國公路、鐵路建設的大力發展,需要修建大量的山嶺隧道。隧道工程領域的相關研究不斷深入,新技術、新工法、新結構等不斷涌現,但隧洞開挖方法仍然以新奧法為主,迄今為止圍巖超欠挖問題始終是隧道工程中難以解決的技術難題[1-4]。

目前,中外在地下洞室超欠挖方面的研究已有較多報道,主要根據不同的工程條件發展了一系列控制隧道超欠挖的技術方法[5-7]。許多學者還通過數理統計分析給出圍巖超欠挖的數字特征及概率分布,得出超欠挖在各類圍巖下隧道斷面不同部位的分布規律,依此對超欠挖進行分析預測和評估。

文獻[8]論述了洞室超欠挖的基本概念、形成原因和評價方法。文獻[9]采用近景攝影的方法,得出了各類圍巖超欠挖在隧道斷面不同部位的分布規律。文獻[10]從純數學的角度提出了隧道截面超挖和欠挖的面積計算方法。Kielbassa等[11]對地下礦井中超欠挖的控制和影響進行了研究,提出了從控制爆破的角度來控制超欠挖的方法。Franklin等[12]提出采用光照斷面的方法來評價洞室超欠挖的數量,并且研制了相應的設備和儀器,編制了相應的計算程序,取得了一定的效果。超欠挖不僅會影響圍巖的變形[13],還會影響支護結構的受力狀態[14]。Abel[15]對超欠挖方量的大小提出了相應的評價方法；Martnal[16]研究了圍巖受壓后對洞室超欠挖的影響。

綜上所述可以看出，在地下洞室工程中超挖的影響研究已有的成果大多考慮了超挖量的確定及超挖對圍巖變形及應力的影響。隨著隧道的形式越來越復雜，隧道工程越來越多地出現在復雜地質條件區域,現有理論很難滿足其建設的需求。另一方面,開挖過程出現嚴重超挖現象時有發生,大超挖對隧道圍巖及支護結構的受力變形有一定影響,這方面的工程問題有待進一步研究。現利用數值模擬的方法,以某隧道工程為例分析了隧道不同埋深條件下,控制超挖厚度圍巖的力學響應規律。

1 工程概況

1.1 工程基本概況

勐松1號斜井于DK417+200處線路前進方向右側設置,斜井中線與線路中線大里程段夾角為66°,斜井坡度為2.3‰,斜長585 m,采用無軌單車道運輸,凈空斷面尺寸為5.0 m×6.0 m(寬×高),斜井每隔250 m左右設置兩處錯車道,長度分別為40、30 m,斷面尺寸為7.5 m×6.2 m(寬×高)。其中,Ⅲ級圍巖240 m,Ⅳ級圍巖200 m,Ⅴ級圍巖145 m。

1.2 工程地質概況

圍巖巖性主要為砂巖夾頁巖、泥巖；頁巖夾板巖、砂巖、泥巖及薄層狀灰巖。頁巖泥質結構、節理裂隙發育,具有吸水軟化的特征。區域內發育有舊龍老寨斷層,為正斷層。斷層破碎帶寬度約20 m,受斷層影響附近巖層巖體節理裂隙較發育。地下水主要類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水,下伏基巖巖體破碎,基巖裂隙水發育。

2 數值模型的建立

2.1 本構關系

模擬涉及的巖土體均采用摩爾-庫侖本構模型。運用摩爾-庫侖破壞準則(M-C) 來進行判定巖土體是否發生破壞。摩爾-庫侖準則的具體內容是:當土體某平面上受到的剪應力等于土體的抗剪強度時,土體發生破壞，其中任意平面上的抗剪強度為[13]

τf=c+σtanφ

(1)

式(1)中：c和φ為巖體的強度參數；σ為應力。

在分析不同工況下隧道圍巖的應力變化規律時,可以利用等效應力的概念進行分析。將每一種工況的水平應力、豎向應力、剪應力代入式(2)、式(3)可求出第一主應力與第三主應力,再將計算得到的第二主應力一并代入式(4),可求出相應工況的等效應力。

(4)

式中:σ1為第一主應力,MPa；σ2為第二主應力,MPa；σ3為第三主應力,MPa；σx為水平應力,MPa；σy為豎向應力,MPa；τxy為剪應力,MPa；σs為等效應力,MPa。

2.2 數值計算模型及邊界條件

整個計算區域由7 371個四面體單元組成,總節點數為4 424,隧道數值模型如圖1所示。根據現場地質條件并考慮邊界條件的影響,計算模型在隧道寬度方向尺寸為32.5 m,在隧道高度方向尺寸為22.45 m,隧道長度方向尺寸取60 m。坑道為半圓拱形結構,斷面寬度為8.5 m，高為4.45 m,模型計算范圍為32.5 m×22.45 m×60 m。圍巖物理力學參數如表1所示。

圖1 計算模型網格劃分Fig.1 Mesh of calculation model

表1 圍巖物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2.3 計算工況

分別計算分析不同隧道埋深條件和不同超挖厚度條件下,隧道圍巖應力與變形的變化規律。埋深分別為100、200、300、400、500 m、掘進作業單循環進深單側邊墻及拱部超挖厚度分別為20、40、60 cm。

為了分析坑道毛斷面圍巖的受力變形特征,在斷面上左拱腳、左拱腰、拱頂、右拱腰、右拱腳5個位置分別設置監測點,以監測記錄不同工況下隧道圍巖的受力變形情況。監測點位置如圖2所示。

圖2 隧道斷面監測點位置Fig.2 Layout of monitoring points

3 計算結果與分析

3.1 不同埋深圍巖應力分析

隧道埋深分別按100、200、300、400、500 m考慮,圍巖等級按Ⅳ級,選取相對應的巖性特征參數。分別分析了超挖20、40、60 cm時圍巖不同位置的等效應力分布規律,如圖3所示。

從圖3中可以得知,不同埋深條件下,超挖為20、40、60 cm時,圍巖最小等效應力出現在拱頂位置,最大等效應力出現在拱腳位置。同一埋深條件下,不同超挖厚度對應的圍巖等效應力值比較接近,相同超挖厚度對應的等效應力值隨隧道埋深的增加而增大。另外,超挖厚度增大,圍巖最大等效應力并未明顯增大,只是其位置發生了變化。

圖3 圍巖等效應力與埋深的關系Fig.3 Relationship between equivalent stress of surrounding rock and buried depth

根據等效應力計算結果,按照一定的比例尺繪制了不同埋深隧道掌子面的等效應力圖,限于篇幅,只給出了超挖60 cm的等效應力圖,如圖4所示。

從圖4中分析可知,隧道掌子面邊墻位置的等效應力值要比其他位置大,圓拱區域上的等效應力值都較為接近,其中拱頂位置最小,拱腰位置次之。不同工況下,右拱腳位置的等效應力值達到最大值,隧道埋深對圍巖等效應力的影響較大。

圖4 不同埋深隧道掌子面的等效應力圖Fig.4 Equivalent stress diagram of tunnel face with different buried depth

3.2 不同埋深圍巖變形分析

隧道開挖過程中,圍巖的變形控制有嚴格的要求,變形過大會引起質量或安全事故。現分析隧道不同埋深(100、200、300、400、500 m)和不同超挖厚度(20、40、60 cm)條件下,圍巖的等效應力分布規律。圍巖等級按Ⅳ級考慮,選取相對應的巖性特征參數,如圖5所示。

從圖5中分析可知,不同工況下,隧道拱頂位置的變形量最大,左右拱腰位置的變形量接近,左右拱腳位置的變形量最小并接近。不同超挖厚度條件下,相同位置圍巖的變形量隨埋深的增加而增大；同一埋深條件下,超挖厚度增加引起的變形量變化較小。

圖5 圍巖組合變形與埋深的關系Fig.5 Relationship between combined deformation of surrounding rock and buried depth

根據變形計算結果,按照一定的比例繪制得到了不同工況下隧道斷面的組合變形圖,限于篇幅,只給出了超挖60 cm的組合變形圖,如圖6所示。

從圖6中分析可知,隧道斷面拱頂位置的組合變形最大,然后向著拱腰和拱腳位置遞減,在拱腳位置圍巖的變形達到最小。不同埋深條件下,隧道圍巖的變形規律基本一致。

圖6 不同埋深的組合變形圖Fig.6 Diagram of combined deformation diagram in different buried depth

4 結論

研究了隧道埋深和超挖厚度對Ⅳ級圍巖力學響應的影響,通過數值模擬的方法分析不同開挖工況下的圍巖力學響應,得到以下結論。

(1)不同埋深條件下,圍巖最小等效應力出現在拱頂位置,最大等效應力出現在拱腳位置。隧道拱頂位置的變形量最大,拱腳位置的變形量最小。

(2)相同超挖厚度對應的等效應力值隨隧道埋深的增加而增大；相同位置圍巖的變形量隨埋深的增加而增大。

(3)超挖厚度對應的圍巖的力學響應影響較小,隧道埋深對圍巖等效應力的影響較大。超挖厚度的改變,會使最大等效應力位置發生變化；不同埋深條件下,隧道圍巖的變形規律基本一致。