動荷載作用下隧道圍巖塑性區演化規律研究

張寶永

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100176)

1 引 言

隨著國家經濟發展以及社會產能需求量的增加，過去的淺部開采已經不能滿足日常生產與生活需要，深部區域資源開采已成為必然趨勢。但由于特殊地質條件的原因，深部開采所挖隧道周邊應力集中明顯，地震、機械振動、爆破、相鄰巖爆等動力擾動對圍巖穩定性影響極大，極易觸發巖爆，導致深部開采的危險系數極高[1－3]，人身安全受到威脅并對國家財產造成重大損失，所以對于巖爆現象預警尤為重要。由于巖石的地質條件及巖爆成因的復雜性，采用試驗研究不同動力擾動下隧道圍巖穩定性存在著操作困難、數據難以獲取、成本高等問題，所以利用數值模擬研究不同動力擾動形式對隧道圍巖穩定性的影響有著一定的意義。

為此，國內外部分學者對隧道圍巖在動力擾動作用下的穩定性進行了研究。朱萬成等[4]利用數值軟件系統RFPA模擬不同側壓力系數下動態擾動觸發深部圍巖巷道失穩破壞的過程；唐禮忠等[5]利用ABAQUS模擬動力擾動作用下不同位置、不同傾角、不同厚度軟弱夾層對巷道圍巖穩定性的影響；張欣等[6]以青島膠州灣海底隧道為工程背景，提出了爆破施工荷載作用下隧道頂板厚度設計參考值，并驗證其可行性；Zhao，J等[7]將離散元軟件與有限差分軟件相耦合，對沖擊波在節理巖體中的傳播規律進行分析；耿萍等[8]利用ANSYS/LS-DYNA軟件對穿越不同寬度和傾角斷層破碎帶的隧道動力響應進行數值計算；吉凌等[9]借助數值模擬與現場測試方法，研究隧道開挖爆破作用下的圍巖振動響應特征；劉邦、郭東明、馮春等[10－12]研究了爆炸作用下隧道圍巖裂紋起裂與擴展規律。然而，以上研究主要是通過改變動力擾動作用下的參數來分析隧道圍巖的穩定性以及在開挖過程中對圍巖穩定性的靜力分析，并未考慮在開挖過程中的動力擾動對圍巖穩定性的影響。

本文利用數值模擬軟件模擬隧道在開挖過程中受到正弦波、折線波、梯形波三種不同動力擾動形式下隧道圍巖的受力情況，分析不同動力擾動形式、不同作用時間周期、不同應力幅值、不同側壓力系數以及襯砌厚度對隧道圍巖塑性區的影響。

2 動力擾動發生失穩破壞數值模擬

2.1 數值模型建立

建立長95 m、寬95 m、深度100 m的隧道圍巖模型，如圖1所示。在圍巖上部和右側施加均布荷載以考慮初始地應力的影響，在左側和底端施加固定約束。

所建隧道模型高12 m，寬19 m，計算時將圍巖劃分成9個區域，對每個區域單獨劃分網格，為了能準確反映隧道圍巖塑性區的變化，對隧道區域進行細化。以折線波形式、梯形波形式、正弦波形式作為3種典型動力擾動波，選取100 MPa、300 MPa和500 MPa作為擾動波幅值，選取0.01 s、0.02 s和0.05 s作為3種不同的時間周期，對不同動力擾動波、不同應力幅值及不同時間周期進行組合，共27組動力擾動波組合形式。

本文利用有限元軟件模擬隧道分步開挖過程，數值模擬中圍巖及襯砌參數如表1所示。考慮實際工程開挖進展，模擬時選取4 m作為一個開挖步，共25個開挖步。在每個開挖步開始之前加入動力擾動形式，并在每個開挖步結束之后激活對應的襯砌支護。在開挖結束之后，分析不同動力擾動組合形式下隧道圍巖的穩定性、圍巖塑性區分布情況及變化規律。

表1 圍巖和襯砌力學參數

2.2 數值模擬結果

(1)正弦波動力擾動形式的影響

為探究正弦波動力擾動形式作用下隧道開挖過程中圍巖塑性區的變化情況，考慮側壓力系數為0.1時，應力幅值及作用時間周期對隧道圍巖塑性區的影響。

圖2為正弦波作用形式下，應力幅值為100 MPa，作用周期分別為0.01 s、0.02 s、0.05 s的三種動力擾動組合下的隧道開挖結束后洞周塑性區分布圖。

圖2 不同周期隧道開挖結束后塑性區分布

圖3～圖4為作用周期為0.01 s時，應力幅值分別為100 MPa、300 MPa及500 MPa所對應的正弦波拱頂位移和應力隨開挖步變化曲線。

圖3 周期為0.01 s時不同幅值正弦波拱頂位移隨開挖步變化曲線

圖4 周期為0.01 s時不同幅值正弦波拱頂應力隨開挖步變化曲線

正弦波應力幅值為100 MPa時，不同時間作用周期得到的位移分別為0.074 6 m、0.074 7 m、0.074 9 m。由圖3、圖4可以看出，不同時間周期下的圍巖塑性區變化趨勢大致相同，均在隧道兩側拱腳和右側拱頂處出現塑性區，且不同作用時間周期下的圍巖塑性區面積相差不大。由此可見，作用周期的長短對圍巖塑性區影響不大。

(2)折線波動力擾動形式的影響

折線波作用形式下不同幅值及不同作用時間周期下初始開挖側隧道頂點的位移和應力分布如圖5所示。

圖5 折線波組合下位移和應力分步曲線

由圖5可知，隨著作用荷載逐漸增加，折線波形式作用下動力擾動的初始開挖側洞頂位移由0.045 m逐漸增大至0.419 m。

在相同作用時間和荷載下，比較正弦波形式下擾動所產生的位移和塑性區的變化情況與折線波形式下擾動所產生的位移和塑性區的變化情況，發現正弦波作用情況下，隧道圍巖塑性區的面積大于折線波作用形式下圍巖塑性區的面積，說明正弦波形式作用情況下圍巖的結構更容易受到破壞。

(3)梯形波加載形式下的影響

不同幅值及不同作用時間周期在梯形波作用形式下初始開挖側隧道頂點的位移和應力分布如圖6所示。

圖6 梯形波組合位移和應力分步曲線

由圖6可知，隨著開挖步的增加，作用荷載增大，梯形波作用形式下隧道初始側開挖位移從0.079 8 m增至0.436 m。在相同作用時間和應力幅值下，比較正弦波形式下擾動所產生的位移及塑性區變化情況、折線波形式下擾動所產生的位移和塑性區分布情況與梯形波形式下擾動所產生的位移與分布情況，發現梯形波作用形式下位移最大，在隧道兩側拱腳及拱頂都出現塑性區，折線波作用形式下位移最小，塑性區僅在隧道兩側拱腳處出現。如果長時間處于梯形波作用形式下的動力擾動，圍巖容易失穩，從而引發災害。

3 其他因素影響

在工程實際中，側壓力系數不同、襯砌厚度的確定都會對隧道圍巖穩定性產生影響，為了研究其影響程度，本文以正弦波形式為例，探究不同側壓力系數及不同襯砌厚度對隧道圍巖穩定性的影響。

3.1 側壓力系數對隧道圍巖塑性區的影響

為方便分析，在正弦波作用周期為0.01 s、應力幅值為100 MPa的情況下，研究側壓力系數的變化對隧道圍巖穩定性的影響。為了考慮不同的初始地應力分布狀態，側壓力系數分別取k＝1.0、k＝2.0。

圖7為側壓力系數為1.0、2.0時開挖結束后所對應的洞周塑性區分布圖。

圖7 側壓力系數為1.0、2.0時開挖結束隧道洞周塑性區分布

在k＝1.0時，由于側壓力的增加，會改善之前頂部與底部的受拉情況以及兩側拱腳的受壓情況，所以對于隧道塑性區發生改善現象，使等效塑性應變變小。

當側壓力系數k＝2.0時，隧道右側受到的側壓力大于隧道上部受到的主壓力，此時頂部與底部受壓，隧道兩側拱腳受拉，隧道圍巖塑性極值區位于隧道右側拱腳處附近，等效塑性應變增大。

3.2 襯砌厚度對隧道圍巖塑性區的影響

在正弦波形式作用下，取幅值為500 MPa、作用時長為0.05 s的加載條件。根據規范GB 50086—2015，選取襯砌厚度為 150 mm、160 mm、170 mm、185 mm及200 mm來研究襯砌厚度對隧道開挖過程中圍巖穩定性的影響。

當襯砌厚度不同時，第26步開挖結束后的襯砌應力分布形式如圖8所示。綜上可知，隨著襯砌的加厚，隧道開挖結束后應力會相對減小，隧道的穩定性增強。但隨著襯砌厚度的增加，改善效果有限，考慮到實際工程的需要與成本問題，當襯砌厚度為150 mm時，既能增強圍巖的穩定性，又能節約成本。

圖8 不同襯砌厚度對隧道圍巖塑性區的影響

4 結論

本文通過改變擾動作用形式、作用時間周期、應力幅值來模擬隧道開挖過程中受到的動力擾動，并通過改變側壓力系數及襯砌厚度對隧道圍巖的穩定性進行分析，得出如下結論:

(1)不同擾動作用形式對隧道圍巖穩定性影響較大，梯形波作用形式下對圍巖穩定性造成的破壞最大，折線波作用形式下造成的破壞最小，正弦波作用形式下造成的破壞居中。同種擾動作用形式下，隨著應力幅值的增加，對應的應力和位移隨之增加，隧道圍巖塑性區面積增大，隧道圍巖穩定性越差；作用時間周期變化對圍巖的穩定性影響不大。

(2)側壓力系數對隧道圍巖穩定性影響較大。側壓力系數的變化會改變隧道洞周的應力狀態，從而對塑性區的分布狀況造成影響。在實際施工過程中，應考慮初始地應力的分布情況以及施工過程中機械擾動對隧道圍巖穩定性的影響。

(3)襯砌厚度的增加會使隧道圍巖穩定性增強，可根據實際工程需要進行經濟最優化選擇。