基于FLAC3D的雙孔隧道圍巖穩定性數值模擬分析★

程長清，吳雪琴，趙文廣

(1.江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院,江蘇 無錫 214151; 2.河南金途科技集團股份有限公司,河南 鄭州 450000)

雙孔隧道作為現在主要的公路隧道形式,由于其獨特的構造以及復雜的受力形式,成為了現在隧道建設者研究的重點與難點,尤其當兩個隧道間距較小時,在圍巖上覆荷載與支護反力共同作用下就會形成更加復雜的應力場。

目前隧道穩定類的研究方法主要有解析法和數值模擬兩大類。對于隧道穩定類問題,有大量學者對此點進行了相關研究。趙明華等[1]基于有限元極限分析雙孔隧道的穩定性,得出影響隧道穩定的相關因素。李揚等[2]基于有限元軟件Midas對淺埋雙孔隧道開挖順序進行了相關研究。但是他們都是采用有限元軟件進行了相關研究工作。也有學者采用有限差分軟件[3-8]進行了相關研究,但是他們都是研究單孔隧道或者煤礦等,在開挖及支護后圍巖的應力及位移分布。采用有限差分軟件FLAC3D進行雙孔隧道開挖及支護研究的則相對更少。

因此本文采用有限差分軟件FLAC3D對雙孔隧道在開挖和支護兩種工況下,進行了相關的數值模擬,同時分析了開挖后以及采用錨噴支護后隧道塑性區分布特點,縱向應力場、位移場分布規律。

1 圓形隧道理論模型

關于圍巖塑性區發展理論,基于Mohr-Coulomb準則計算的Fenner公式比較經典,但其未考慮中間主應力對于巖石強度的影響。而中間主應力對巖石強度的影響程度為20%～50%[9],顯然不考慮中間主應力對于計算結果是有影響的。Drucker-Prager準則計算過程中考慮了中間主應力對于巖石強度的影響,且具有無棱角,易于數學處理的特點,在巖土工程中應用廣泛。

1.1 D-P強度準則[10]

(1)

其中,I1,J2分別為應力張量第一不變量和應力偏張量第二不變量;σ1,σ2,σ3分別為最大主應力,中間主應力和最小主應力;α,k均為與圍巖強度參數有關的常數。本文為平面應變問題,α和k的取值見式(2):

(2)

采用中間主應力系數l表示3個主應力之間的關系公式,見式(3):

(3)

由于σ1≥σ2≥σ3,顯然有0≤l≤1,將式(3)化簡后代入式(1)得式(4),式(5):

I1=(1+l)σ1+(2-l)σ3

(4)

(5)

將式(4),式(5)代入式(1)中,可得由σ1,σ3,l,m,α,k表示的D-P準則表達式(見式(6)):

f=(m-lα-α)σ1-(m-lα+2α)σ3-k=0

(6)

1.2 工程地質情況[11]

工程位置為蓖麻溪隧道K218+120—K218+135,為長期風化剝蝕切割作用形成的山區丘陵地貌。根據物探及工程地質測繪,隧道主要在強風化紅砂巖層中,節理裂隙以壓扭性為主,且裂隙面閉合,少數呈張性。該隧道為典型的山區高速越嶺隧道。隧道埋深100 m,隧道半徑為4 m,兩個隧道中間拱墻厚度為8 m。假設圍巖為理想彈塑性材料,巖土體材料黏聚力c=0.1 MPa,內摩擦角φ=30°,抗拉強度Rt=0.07 MPa,體積模量K=0.33 GPa,剪切模量G=34.48 MPa,重力加速度g=9.8 kg/N,巖體密度ρ=2 200 kg/m3。

1.3 數值計算模型建立

本工程隧道直徑8 m,因此取6倍隧道直徑為圍巖影響范圍,又由于本工程屬于雙孔隧道,于是取計算模型尺寸為72 m×72 m(長×高),為了避免邊界效應的影響,取5 m作為工程分析厚度,整個模型包含13 760個計算單元和16 962個網格節點,計算單元長度為1 m。計算時考慮采用Drucker-Prager準則計算其破壞模式。計算過程中固定x=43,x=-29,y=0,y=5,z=-28等位置巖土體的位移,將隧道上覆巖土體的重量換算成面力施加于模型z=8 m面上。本工程采用C25混凝土襯砌進行支護。以水平向右為X軸正向,向內為Y軸正向,向上為Z軸正向。

2 數值計算結果分析

2.1 塑性區

由圖1,圖2可知,在本工程的地質情況下,施工過程對于原應力場造成較大的影響,施工過程中,隧道開挖造成塑性區的發展,整體趨勢表現為:塑性區分布于隧道周圍以及上部區域,隧道下部區域塑性區較小,而當施加混噴錨支護后,塑性區明顯減小。由錨桿軸力圖可知,錨桿所受最大軸力為1.14 MPa,所在區域為兩個隧道中間墻上部區域,此處即為施工時需要重點關注部位,該部位應力復雜。另外上部交叉部位錨桿長度至少需要10 m,兩個隧道底部位置錨桿需要6 m,其他位置5 m即可穿越塑性區,這也是在設計中需要注意的問題。整體而言雙孔隧道需要特別注意隧道頂部與底部位置。

2.2 應力場

2.2.1Z向應力場

未進行支護時,連拱隧道Z向應力場較為復雜,整體表現為:在隧道兩側幫部,應力最大值約為4.2 MPa,而最小值在隧道頂部與底部,最小值約0.2 MPa～0.5 MPa,兩者相差38倍,主要原因是開挖引起內部巖土體塑性甚至完全破碎,隨著離洞口越來越遠,開挖影響則越來越小。

由圖3可知,當進行了隧道支護后,隧道周邊縱向應力場變的簡單,但最大值仍在隧道兩側內壁位置,壓應力值最大可達60 MPa左右,相當于未施作錨桿襯砌時的14倍左右,但是塑性區影響面積減小,原因是施加了錨桿與混凝土襯砌后整個體系約束增強,因此受力增大。兩隧道中間隔墻應力也由未支護前的0.4 MPa增大為0.6 MPa。

2.2.2X向應力場

未進行支護時,水平向應力整體值較小,為0.5 MPa～1.5 MPa左右。而由圖4可知當施加了錨噴支護后,隧道頂部與底部應力值增大到20 MPa左右。

由圖3,圖4可知:水平向應力最大值往往出現于隧道的頂部與底部,縱向應力的最大值往往出現于隧道兩側幫部。

2.3 位移場

未進行支護時,隧道Z向位移場也較為復雜,整體表現為:在隧道頂部位移數值較大,最大值為1.8 m,且整體而言兩個隧道共同上部區域位移量較大,這也與實際情況相符。而最小值在隧道底部,最小值約0.2 m,可見隧道上部位移量較大有垮塌的危險。

由圖5可知,進行支護后,隧道周邊縱向位移明顯減小(圖5中深色區域),但最大值仍然在隧道頂部位置,其值為11 cm左右,隧道底部位移為1 cm～2 cm,分別為未支護時的10%以內,由此可見:支護后隧道位移量大幅度減小,采用錨噴支護具有較好的工程效果。

3 結論

1)工程中采用錨噴支護能有效地減小塑性區的發展,雙拱隧道施工過程中的危險位置為隧道頂部與底部。

2)開挖施工后隧道頂部與底部豎向應力相差38倍左右,支護后隧道內整體應力值增大,約為未施作支護的14倍左右。

3)水平向應力最大值往往出現于隧道的頂部與底部,縱向應力的最大值往往出現于隧道兩側幫部。施作了錨噴支護能明顯地限制隧道圍巖位移的發展。