隧道穿越軟硬互層地區(qū)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(jīng)濟飛速發(fā)展,交通線路不斷增多,已建、在建和規(guī)劃建設的隧道數(shù)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(jù)四川省某高速公路隧道,結(jié)合規(guī)范對軟硬互層巖體參數(shù)進行簡化,改建現(xiàn)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(shù)值模擬結(jié)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(zhì)巖和砂質(zhì)巖交互時的圍巖變形進行現(xiàn)場監(jiān)測試驗和三維仿真分析,研究了其圍巖變形規(guī)律。陳洋宏等[3]研究了高地應力區(qū)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(jié)構(gòu)的存在對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,并將動態(tài)模擬試驗結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)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(nèi)模型試驗和ABAQUS數(shù)值仿真試驗。

1 隧道穿越軟硬互層圍巖破壞特征室內(nèi)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(jù)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(yōu)質(zhì)石膏粉,按一定配合比調(diào)制而成。砂巖所用砂膠比為3∶1,膠結(jié)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(jié)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(shù)為200,容重相似函數(shù)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(yǎng)護期結(jié)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(huán)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(cè)向約束。試驗以模型首次出現(xiàn)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(xiàn)裂縫,隧道拱頂處出現(xiàn)下沉。軟硬互層的層厚比越大,則裂縫數(shù)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(shù)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(fā)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(jù)前文室內(nèi)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(wěn)定性狀態(tài),與試驗結(jié)果相互驗證,得到更適用于實際生產(chǎn)的變化規(guī)律。根據(jù)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(fā)育,地質(zhì)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(jié)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(jié)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(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)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(shù)如表2所示,可根據(jù)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(wǎng)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(guī)律。

表2 隧道圍巖力學參數(shù)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(jié)果的應力情況可知,未開挖前土體處于平衡狀態(tài),整體較為穩(wěn)定。隧道開挖后,由于卸荷作用,出現(xiàn)應力重分布,圍巖產(chǎn)生變形。該4種工況下的豎向應力均呈現(xiàn)出以隧道為中心的左右對稱分布,而隧道四周則出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)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(jiān)測點,其結(jié)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(xiàn)為沉降,拱底豎向位移主要表現(xiàn)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(nèi)部應力發(fā)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(fā)的變形速率相對較小。此外,4種工況下,隧道拱底隆起的數(shù)值均小于拱頂沉降的數(shù)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(jiān)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(jiān)測點,其結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,水平位移呈現(xiàn)出以隧道為中心的左右對稱分布,表現(xiàn)為“蝴蝶狀”,在隧道兩側(cè)表現(xiàn)出明顯的集中現(xiàn)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(shù)值比豎向位移數(shù)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(jié)果的應力情況可知,砂層開挖后,隧道拱頂和拱底應力表現(xiàn)為最大拉壓力,左右拱腰處表現(xiàn)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(xiàn)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(jiān)測點,其結(jié)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(fā)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(guī)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(shù)值均小于拱頂沉降的數(shù)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(jiān)測點,其結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,水平位移呈現(xiàn)出以隧道為中心的左右對稱分布,表現(xiàn)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(shù)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(jié)語

為研究隧道穿越軟硬互層時其圍巖變形規(guī)律,本文依托某隧道實際工況,采用室內(nèi)模型試驗和ABAQUS有限元數(shù)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(jié)論如下:

(1)根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)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(shù)量越多,隧道拱頂沉降越明顯,圍巖變形越劇烈。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(xiàn)明顯的應力集中,拱腰區(qū)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(cè)拱腰水平位移值均越大。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(xiàn)明顯的應力集中,拱腰區(qū)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(cè)拱腰水平位移值均越大。