靜荷載下水平巖層隧道圍巖力學行為研究

陳能力,鐘志欽

(1.鐘山縣交通運輸局,廣西 賀州 542699;2.廣西交科工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

步入21世紀以來,為了提供更多的出行便利,我國交通行業迎來了前所未有的發展機遇。在山地路線修建的交通基礎設施難免需要隧道結構使其連接起來,而隧道結構的設計和施工是一項十分復雜的工作,在施工過程中往往會遇到水平巖層等一系列不良地質,對隧道的施工安全造成巨大影響[1-2]。

在水平巖層地質帶進行隧道結構的施工,對比一般地質條件下的工況,其隧道圍巖及水平巖層的力學行為及其變化規律是十分復雜的。針對水平巖層地質帶的不同構造特點,需要提前準備具有針對性的解決方案來應對可能出現的各種地質災害[3-4]。眾多學者針對水平巖層的構造特點開展了大量研究,獲得了一系列成果。

在隧道結構穿過水平巖層地質帶的施工條件下,針對隧道圍巖的力學行為,李有生等[5]研究了軟弱相間水平巖層內的隧道圍巖變形破壞特征及其機理,采用現場試驗和離散元數值模擬結合的方法,通過現場隧道圍巖松動圈的測試,確定了隧道圍巖松動圈的范圍及其最大位置,利用三維離散元模型研究了有、無支護條件下的隧道圍巖變形特征,并借此明確最優的隧道支護方案,通過兩種不同的研究手段對比分析了不同工況下隧道圍巖塑性區的分布特征和變形位移,對隧道結構的施工具有一定的指導意義。羅彥斌等[6]研究了簡化后的錨固梁和簡支梁模型,結合簡支梁模型的協調變形條件,建立了層間粘聚力計算公式,并依托實際工程,對比分析了有、無考慮層間粘聚力這兩種不同工況下,利用梁模型計算隧道臨界開挖跨度的計算結果,結果表明是否考慮層間粘聚力對隧道臨界開挖跨度的計算結果影響較大,結合現場隧道工程結構的施工結果,得到水平層狀圍巖隧道結構的力學模型中,考慮層間粘聚力的計算結果與工程實際情況更接近。高新強等[7]依托某特長公路隧道的現場試驗,研究了水平泥砂巖互層路段中隧道結構的初期支護和二期襯砌等支護體系的力學行為及其特征,研究獲得的一系列成果對水平層狀巖層隧道的施工具有一定的參考價值。王亞瓊等[8]依托某高速公路隧道,研究了高地應力下水平層狀隧道圍巖的變形破壞特征,通過現場測試確定了地應力條件及其實際圍巖變形破壞情況,利用3DEC三維離散元模擬軟件,建立了不同巖層厚度、側壓力系數和地應力水平的工況,研究了這些參數的改變對水平層狀隧道圍巖受力特點及變形破壞特征的影響,進一步明確了水平層狀隧道圍巖的變形破壞機理,這一系列研究成果對實際施工具有一定的指導意義。

本文為研究水平巖層厚度和施工方法對隧道圍巖力學行為的影響規律,基于數值計算軟件Midas-GTS建立隧道三維數值模型,通過對比六種不同水平巖層厚度和施工方法工況下圍巖上各監測點的數據,明確了全斷面法和臺階法施工下,水平巖層厚度改變對圍巖各監測點豎向位移、豎向應力和剪切應力的影響規律,對實際工程施工起到一定的指導作用。

1 工程背景與模型設計

1.1 工程背景

采用五心圓+仰拱來設計隧道的輪廓,其上部圓弧半徑R1、R2、R3分別為2.522 m、3.512 m、9.651 m,同時仰拱的半徑R4為5.913 m,隧道內寬度為5.87 m、高度為7.94 m。針對單線鐵路隧道斷面具有斷面小、施工不方便等特點,本文模擬全斷面法和臺階法對隧道進行施工。其中鐵路隧道斷面輪廓如圖1所示。

圖1 鐵路隧道斷面輪廓圖

1.2 計算軟件

本文采用數值計算軟件Midas-GTS對巖土進行建模分析計算。該計算軟件的主要特點如圖2所示。

圖2 Midas-GTS軟件主要特點示意圖

利用Midas-GTS軟件進行建模計算時,采用摩爾-庫侖材料模型模擬隧道結構周圍的巖土材料,該材料模型可有效模擬一般巖土體的非線性計算結構。如圖3所示為摩爾-庫侖屈服準則。

圖3 摩爾-庫侖材料模型屈服準則示意圖

1.3 模型的建立

參考以往的隧道數值計算模擬案例,為減小邊界效應,同時提高計算效率,綜合選取隧道及水平巖層計算模型尺寸如表1所示,計算模型如圖4所示。

表1 隧道模型尺寸表(m)

圖4 隧道計算模型圖

在隧道結構受到靜力作用時,對隧道計算模型的四個側面進行法向位移的約束,對其底面積進行全約束來固定,而不約束計算模型的頂面。同時,對計算模型的頂面施加1 000 kN/m2的豎向垂直均布荷載,并施加初始應力場,模擬上部埋深。

在設置計算模型中的監測點時,選取如圖5所示的5個監測點。因為計算模型為對稱結構,因此僅選取一側進行監測。

圖5 隧道計算模型監測點設置示意圖

建立隧道結構三維數值模型所需要的相關材料參數如表2所示。

表2 各級圍巖力學指標參數表

2 施工方法對圍巖力學行為的影響

針對這條單線鐵路隧道,為了研究水平巖層的厚度變化對隧道圍巖力學行為的影響,建立了六種工況,如表3所示。

表3 六種工況描述表

2.1 水平巖層厚度為1 m

工況1和工況4分別為1 m厚度水平巖層下采用全斷面法和臺階法進行隧道施工,分別提取各監測點的位移和應力監測數據,對比分析結果如圖6所示。

由圖6可知,對比分析豎向位移計算結果,在1 m厚度水平巖層工況下,采用全斷面法和臺階法進行隧道施工對隧道各監測點的豎向位移影響不大;對比分析豎向應力計算結果,兩種施工方法下最大豎向應力均出現在圍巖拱腰處,這與隧道拱頂結構形式有關;相比臺階法,全斷面法的豎向應力在拱頂和拱肩較小,在拱腰、拱腳、拱底較大,可能因為全斷面法施工的應力能更快傳遞至下部;對比分析剪切應力計算結果,全斷面法比臺階法小,特別是在拱腰處,可能因為臺階法施工時存在應力集中現象。

2.2 水平巖層厚度為2 m

工況2和工況5分別為2 m厚度水平巖層下采用全斷面法和臺階法進行隧道施工,分別提取各監測點的位移和應力監測數據,對比分析結果如圖7所示。

(a)豎向位移

由圖7可知,對比分析豎向位移計算結果,在2 m厚度水平巖層工況下,采用全斷面法和臺階法進行隧道施工對隧道各監測點的豎向位移總體上影響不大;對比分析豎向應力計算結果,兩種施工方法下最大豎向應力均出現在圍巖拱腰處,而拱頂和拱底處較小;相比臺階法,全斷面法的豎向應力在拱頂和拱肩較小,在拱腰、拱腳、拱底較大;對比分析剪切應力計算結果,全斷面法比臺階法小,特別是在拱腰處,全斷面法施工的剪切應力是臺階法施工的64.3%。

2.3 水平巖層厚度為3 m

工況3和工況6分別為3 m厚度水平巖層下采用全斷面法和臺階法進行隧道施工,分別提取各監測點的位移和應力監測數據,對比分析結果如圖8所示。

(a)豎向位移

由圖8可知,對比分析豎向位移計算結果,在3 m厚度水平巖層工況下,采用兩種不同施工方法對隧道各監測點豎向位移影響不大,在實際工程中綜合考慮效率和經濟性可采用全斷面法施工;對比分析豎向應力計算結果,兩種施工方法下圍巖豎向應力最大值均位于拱腳處,拱底應力受到兩側的擠壓向上變形位移,因此其豎向應力較小;對比兩種方法,拱頂和拱肩處臺階法更大,拱腰、拱腳、拱底處全斷面法更大;對比分析剪切應力計算結果,全斷面法的比臺階法小,特別是在拱腰處,全斷面法施工的剪切應力是臺階法施工的64.6%。

3 水平巖層厚度對圍巖力學行為的影響

3.1 圍巖變形

工況1～3和工況4～6分別為在不同水平巖層厚度下采用全斷面法和臺階法施工方法的情況,因此對比分析這兩組結果中的變形位移數據即可得到水平巖層厚度變化對圍巖力學行為的影響情況。結果如圖9所示。

(a)全斷面法

對比圖9(a)和圖9(b)可知,兩圖中各豎向變形曲線隨水平巖層厚度的變形趨勢基本一致,因此施工方法的改變對圍巖各監測點豎向位移的影響不大。在水平巖層厚度為1 m的工況下,圍巖豎向變形整體上是最小的,說明施工開挖后的圍巖穩定性會隨著水平巖層厚度減小而增加。這可能是由于水平巖層厚度越小,圍巖越均勻,可有效減少其豎向位移,有利于圍巖穩定。

3.2 圍巖剪切應力

對比分析工況1～3和工況4～6兩組結果中的剪切應力數據可得到水平巖層厚度變化對圍巖剪切應力的影響情況。結果如圖10所示。

(a)全斷面法

對比圖10(a)和圖10(b)可知,兩圖中各剪切應力曲線隨水平巖層厚度的變形趨勢基本一致,因此施工方法的改變對圍巖各監測點剪切應力的影響不大。在水平巖層厚度為1 m的工況下,圍巖剪切應力整體上是最小的,說明施工開挖后的圍巖穩定性會隨著水平巖層厚度減小而增加,因為厚度減小能有效減小其剪切應力,有利于圍巖穩定。

4 結語

本文為研究水平巖層厚度和施工方法對隧道圍巖力學行為的影響規律,基于數值計算軟件Midas-GTS建立隧道三維數值模型,通過對比六種不同水平巖層厚度和施工方法工況下的圍巖上各監測點的數據,明確了全斷面法和臺階法施工下,水平巖層厚度改變對圍巖各監測點豎向位移、豎向應力和剪切應力的影響規律,主要結論如下:

(1)采用不同的施工方法對隧道圍巖的變形和受力影響不大,隧道圍巖力學行為基本一致,因此綜合考慮效率和經濟性可采用全斷面法施工。

(2)當水平巖層厚度發生改變時,圍巖變形較大,隨著厚度增加,圍巖各監測點的豎向位移增大,當水平巖層最小時,隧道變形最小,具有更好的穩定性。

(3)隧道圍巖拱肩處剪切應力最大,拱腳處最小,其余位置數值較小。

(4)水平巖層厚度的變化會引起隧道圍巖力學行為較大改變,圍巖應變隨巖層厚度增加而增大,因此實際施工中應注意水平巖層厚度過大時的施工安全問題。