隧道穿越軟硬互層地區圍巖變形模擬研究

黃新會

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著我國經濟飛速發展,交通線路不斷增多,已建、在建和規劃建設的隧道數量不斷上升。而由于我國地形地貌復雜多樣,穿越山嶺的隧道時常遇到軟硬互層等復雜工況,隧道圍巖變形特征復雜,極易影響其施工及運營安全,對此大量學者進行了深入研究。劉杰等[1]根據四川省某高速公路隧道,結合規范對軟硬互層巖體參數進行簡化,改建現有隧道圍巖壓力計算方法,得到隧道穿越軟硬互層時圍巖壓力的解析解,并與數值模擬結果進行對比,驗證其有效性。張立鑫等[2]依托某公路隧道工程,對隧道穿越炭質巖和砂質巖交互時的圍巖變形進行現場監測試驗和三維仿真分析,研究了其圍巖變形規律。陳洋宏等[3]研究了高地應力區域隧道穿越小傾角軟硬互層時,其各項影響因素對隧道底鼓變形的影響。任松等[4]研究了軟硬互層間層理結構的存在對隧道圍巖穩定性的影響,并將動態模擬試驗結果與現場監測結果進行對比,驗證了該方法的可行性。陳釩等[5]運用接觸分析法,研究了隧道穿越近水平傾向的軟硬互層時,其層理位置對隧道圍巖變形的影響。本文依托某公路隧道穿越軟硬互層實際工況,進行了軟硬互層不同層厚比、層厚的室內模型試驗和ABAQUS數值仿真試驗。

1 隧道穿越軟硬互層圍巖破壞特征室內試驗

1.1 模型的建立

依托某公路隧道工程穿越軟硬互層實際工況,依據相似理論,自制模型模擬不同軟硬互層層厚比和層厚對隧道圍巖變形的影響。模型試驗中,選用粒徑<1 mm的河沙料,P.C32.5的普通硅酸鹽水泥以及優質石膏粉,按一定配合比調制而成。砂巖所用砂膠比為3∶1,膠結物由水泥和石膏配置而成,其比例為1∶9;泥巖所用砂膠比為3∶1,膠結物由水泥和石膏配置而成,其比例為1∶8。所用原型隧道斷面為圓形,等效直徑為4 m。模型按幾何相似常數為200,容重相似函數為1進行取值[6],由此可得,模型隧道等效直徑為20 mm。通過自制100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊來模擬軟硬互層,通過埋設PVC管的方式模擬隧道,待養護期結束,取出PVC管,通過加荷載的方式,研究該隧道圍巖變形破壞情況,如圖1所示。為模擬實際環境中四周應力的存在,用厚鋼板制成模具,對模型四周形成側向約束。試驗以模型首次出現宏觀破壞作為試驗停止的標志,此時的載荷值為模型所能承受的極限承載力。

1.2 軟硬互層層厚比的影響

分別設置軟硬互層第一層為砂巖層,第二層為泥巖層,按此順序交錯布置,其層厚比工況設置如表1所示。5種工況所得的極限承載力如圖2所示。由圖2可知,隨著軟硬互層的層厚比增加,其極限承載能力也逐漸增大,其增大速率逐漸減小,即同樣大小的試塊,當其硬層砂巖層厚度增多時,其極限承載能力也會增大。觀察這五種工況的宏觀破壞情況可知,隧道拱腰處易出現裂縫,隧道拱頂處出現下沉。軟硬互層的層厚比越大,則裂縫數量越少,拱頂下沉越不明顯;反之,軟硬互層的層厚比越小,則裂縫數量越多,拱頂下沉越明顯,即層厚比越小,隧道圍巖變形越明顯。

表1 不同層厚比及層厚工況設計值表(mm)

圖2 不同層厚比試塊的極限承載力曲線圖

1.3 軟硬互層層厚的影響

為研究層厚對隧道圍巖變形的影響,設置層厚分別為14 mm、20 mm、25 mm、33 mm這4種工況,由試驗可得這4種層厚的極限承載力如圖3所示。由圖3可知,隨著軟硬互層層厚的增加,其極限承載力也逐漸增大。分析其原因主要是層厚越大,軟硬層交界面越少,則圍巖受到交界面的影響越小,其承載力增大。觀察這四種工況的宏觀破壞可知,試塊均在拱腰處發生破壞,有明顯裂縫;而試塊層厚越大,拱頂沉降值越小,即層厚越大,隧道圍巖越不易變形。

圖3 不同層厚試塊的極限承載力曲線圖

2 隧道穿越軟硬互層開挖圍巖變形仿真分析

2.1 模型的建立

根據前文室內模型試驗可得到軟硬互層不同層厚和層厚比時,隧道圍巖的受力特性和破壞時的宏觀特征。為深入研究,本文依托某公路隧道工程穿越軟硬互層實際工況,選用ABAQUS軟件進行仿真計算,以期明確隧道開挖施工時,其圍巖的穩定性狀態,與試驗結果相互驗證,得到更適用于實際生產的變化規律。根據實際工程情況,該隧道穿越了軟硬互層,存在斷層帶、石膏帶、鹽熔巖以及瓦斯危險氣體,地表裂隙發育,地質情況復雜,施工危險性高、難度大。ABAQUS軟件是一項強大的有限元軟件,其使用簡單便捷,所需資料易獲得,計算結果貼合實際,常在土木工程各項領域中使用。利用ABAQUS軟件建立三維隧道開挖模型,總結考慮計算效率和模型美觀度的情況下,選擇四面體單元格建立模型,其網格劃分如圖4所示。

圖4 網格劃分示意圖

該模型長寬高為40 m×40 m×20 m。底部設置為全約束,四周設置為法向約束。設置上表面為自由邊界,考慮到實際隧道埋設約為400 m,故在上表面設置8 MPa的荷載。圍巖選用摩爾-庫侖模型,其力學參數如表2所示,可根據彈性模量E和泊松比μ,按式(1)、式(2)計算得到相應的體積模量K和剪切模量G。軟硬圍巖以平行交錯的方法布置,錨桿選用線單元。隧道斷面為圓形,等效直徑為4 m,模型模擬隧道開挖深度為20 m,以臺階法開挖,每次開挖2 m,按照開挖一部分后立即進行錨桿掛網噴漿形式進行初次支護和二次支護,研究其開挖時圍巖的變形規律。

表2 隧道圍巖力學參數表

(1)

(2)

2.2 軟硬互層層厚比的影響

為研究軟硬圍巖交錯時,其層厚比對隧道圍巖變形的影響,建立層厚比分別為4∶1、2∶1、1∶1以及1∶2一共4種工況模型進行施工模擬。分析計算結果的應力情況可知,未開挖前土體處于平衡狀態,整體較為穩定。隧道開挖后,由于卸荷作用,出現應力重分布,圍巖產生變形。該4種工況下的豎向應力均呈現出以隧道為中心的左右對稱分布,而隧道四周則出現明顯的應力集中現象。相較而言,其拱頂與拱底處的應力最小,為拉應力;拱腰處應力較大,為壓應力;軟硬層當中,砂巖層受到壓應力遠大于泥巖層受到的壓應力。當層厚比越小時,隧道拱腰處的應力集中越明顯,更易破壞。

在隧道拱頂和隧道拱底分別設置豎向位移監測點,其結果如圖5所示。由圖5可知,開挖支護后的隧道拱頂豎向位移主要表現為沉降,拱底豎向位移主要表現為隆起。隧道開挖至相同深度時,軟硬互層的層厚比越小,其拱頂沉降和拱底隆起值均越大,即軟硬互層的層厚比越小,隧道圍巖變形程度越大。此外,4種工況拱頂與拱底豎向位移變化趨勢基本一致。隨著隧道開挖深度的不斷增加,其豎向位移值不斷增大,增大速率逐漸降低。第一次開挖,深度至2 m時,隧道初次卸荷,內部應力發生重分布,其拱頂沉降與拱底隆起變化最為明顯,變形速率最大,之后隧道開挖引發的變形速率相對較小。此外,4種工況下,隧道拱底隆起的數值均小于拱頂沉降的數值。因此,當在工程中遇到軟硬互層層厚比較小的情況時,應加強其豎向位移監測。

圖5 軟硬互層不同層厚比隧道拱頂拱底豎向位移曲線圖

在隧道左右拱腰處分別設置水平向位移監測點,其結果如圖6所示。由圖6可知,水平位移呈現出以隧道為中心的左右對稱分布,表現為“蝴蝶狀”,在隧道兩側表現出明顯的集中現象,左拱腰處位移向右,右拱腰處位移向左,左右拱腰處的水平位移值最大。隧道開挖至相同深度時,軟硬互層的層厚比越小,其水平向位移值越大,其變形范圍也越大。但其水平向位移數值比豎向位移數值小得多,故施工時應當重點關注豎向位移變化情況。4種工況隧道左右拱腰處的水平位移變化趨勢基本一致。隨著隧道開挖深度的不斷增加,水平位移值不斷增大,但增大速率逐漸降低,第一次開挖時,水平位移值變化最為明顯,變形速率最大,后逐漸減小。

圖6 軟硬互層不同層厚比隧道左右拱腰位移曲線圖

2.3 軟硬互層層厚的影響

設置模型軟硬互層的層厚比均為1,改變其每層的層厚,分別設置層厚為3 m、4 m、7 m 這3種工況進行施工模擬。隧道先開挖砂層,后開挖泥層,分析計算結果的應力情況可知,砂層開挖后,隧道拱頂和拱底應力表現為最大拉壓力,左右拱腰處表現為最大壓應力。當隧道開挖至泥層時,其應力變化范圍增大,泥層的最大拉應力繞隧道斷面一圈,最大壓應力為左右拱腰稍遠處。3種工況下的圍巖應力分布情況類似,均以隧道斷面為中心,呈現左右對稱形式,而隨著層厚的增加,圍巖最大壓應力和最大拉應力均減小,即層厚越大,隧道圍巖變形越小。

在隧道拱頂和隧道拱底分別設置豎向位移監測點,其結果如圖7所示。由圖7可知,隨著層厚的改變,其豎向位移值也發生變化,層厚越大,拱頂沉降和拱底隆起都增大。此外,3種工況下隧道拱頂沉降和拱底隆起的變形規律基本一致,初始開挖時,拱頂沉降和拱頂隆起值均大幅增加,后變形速率逐漸減小,其值緩慢增大;隧道拱底隆起的數值均小于拱頂沉降的數值。

圖7 軟硬互層不同層厚隧道拱頂拱底豎向位移曲線圖

在隧道左右拱腰處分別設置水平向位移監測點,其結果如圖8所示。由圖8可知,水平位移呈現出以隧道為中心的左右對稱分布,表現為“蝴蝶狀”,左右拱腰處的水平位移值最大。隧道開挖至相同深度時,軟硬互層的層厚越小,其水平向位移值越大,其變形范圍也越大。3種工況下隧道左右拱腰處的水平位移變化趨勢基本一致。初始開挖時,左右拱腰水平位移值均大幅增加,后變形速率逐漸減小,數值增加緩慢。

圖8 軟硬互層不同層厚隧道左右拱腰位移曲線圖

3 結語

為研究隧道穿越軟硬互層時其圍巖變形規律,本文依托某隧道實際工況,采用室內模型試驗和ABAQUS有限元數值模擬的方式分析了不同層厚比與層厚的軟硬互層對圍巖的影響,得到結論如下:

(1)根據室內試驗結果可知,穿越軟硬互層隧道,其層厚比越小,極限承載力越小,拱腰處裂縫數量越多,隧道拱頂沉降越明顯,圍巖變形越劇烈。

(2)根據數值模擬結果可知,不同層厚比的穿越軟硬互層隧道完成開挖支護之后,其斷面四周因卸荷效應出現明顯的應力集中,拱腰區域應力集中最為明顯。而層厚比越小,應力集中效應越明顯,拱頂沉降值、拱底隆起值、兩側拱腰水平位移值均越大。

(3)根據數值模擬結果可知,不同層厚的穿越軟硬互層隧道完成開挖支護之后,其斷面四周因卸荷效應出現明顯的應力集中,拱腰區域應力集中最為明顯。而層厚越小,拱頂沉降值、拱底隆起值、兩側拱腰水平位移值均越大。