劉天宇

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤(pán)錦 124010)

0 引言

工程中偏壓隧道一般是指受偏壓荷載(不對(duì)稱(chēng)壓力)的隧道。產(chǎn)生偏壓的主要原因有地形原因和地質(zhì)原因。地形上原因是洞頂覆蓋較薄，地面橫坡顯著傾斜，多見(jiàn)于洞口淺埋地段及傍山淺埋地段[1]。地質(zhì)上，若圍巖為傾斜層狀結(jié)構(gòu)，層間粘結(jié)力差、伴隨有害節(jié)理裂隙切割時(shí)，或洞身有傾角較陡的軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖一部分較軟、一部分較硬時(shí)，或存在軟弱夾層斷裂帶時(shí)容易發(fā)生偏壓。另外，施工期間因各種原因造成的一側(cè)塌方，也易形成顯著偏壓[2]。

對(duì)于淺埋偏壓隧道，在力學(xué)形態(tài)分析上，一般可采用“荷載—結(jié)構(gòu)”模型[3]，但其荷載及結(jié)構(gòu)分析方法具有特殊性;在圍巖變形上由于荷載的不對(duì)稱(chēng)，而造成變形的不對(duì)稱(chēng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用不同的支護(hù)方式;在開(kāi)挖施工時(shí)也應(yīng)對(duì)斷面采用不同的開(kāi)挖順序[4]。對(duì)此本文將以西氣東輸三線(xiàn)西段紅石溝隧道工程為依托，利用有限元軟件(FlAC3D)對(duì)淺埋偏壓隧道圍巖的受力特性和變形特性進(jìn)行分析。

1 工程概況

擬建紅石溝隧道位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市迎水橋鎮(zhèn)孟家灣村，隧道自西向東方向穿越紅石溝山脈，地形高低起伏大，切割深，山谷陡峻、縱橫交錯(cuò)，通視條件較好。從大的地貌上看隧址區(qū)東西兩側(cè)高程相當(dāng)，進(jìn)洞口(西側(cè))地形起伏較大，自然坡角在40°～80°，坡高約60 m;洞口上方無(wú)植被覆蓋，表層基巖裸露，局部位置堆積有層厚約0.5 m的由砂巖風(fēng)化坡殘積而成的碎石，呈松散狀。巖體以砂巖為主，較為完整。但是，隧址區(qū)附近地區(qū)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為活躍。隧道K0+124 m位置附近發(fā)現(xiàn)有一處小型斷裂:該斷層為正斷層，帶寬約為1.5 m，斷層產(chǎn)狀 50°∠70°。

隧道入洞口全貌見(jiàn)圖1。

圖1 紅石溝隧道進(jìn)洞口地形地貌

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型建立及計(jì)算參數(shù)

本文依據(jù)紅石溝隧道入口處現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)概況建立了如圖2所示的三維計(jì)算模型，計(jì)算坐標(biāo)系X軸沿隧道軸線(xiàn)方向，Y軸為水平方向，Z軸豎直向上。計(jì)算范圍為:X方向長(zhǎng)度為250 m，Y方向長(zhǎng)度100 m，Z方向最大厚度約129 m。模型共有50.1萬(wàn)個(gè)單元，8.7萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。材料屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。邊界條件設(shè)置為四個(gè)側(cè)面和一個(gè)底面施加法向位移約束，頂面為自由面。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)紅石溝隧道的地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，隧道洞口處的圍巖為砂巖，隧道入口一直到隧道掌子面區(qū)間的巖體為泥巖與砂巖的膠結(jié)物，而且其強(qiáng)度較低，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)巖體參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，獲得計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體計(jì)算參數(shù)

圖3 隧道進(jìn)洞口不同斷面圍巖變形云圖

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1)位移場(chǎng)分析。

從三維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果看，受山體偏壓影響，隧道進(jìn)洞圍巖變形場(chǎng)非完全對(duì)稱(chēng)，而且不同洞段圍巖的變形量也不完全一樣，但變形矢量都指向臨空面。開(kāi)挖完成后，由于應(yīng)力釋放，圍巖變形表現(xiàn)為底板以豎向位移為主，拱部以水平位移為主，拱頂水平位移稍大于豎向位移(見(jiàn)圖3)。

圖4 隧道軸線(xiàn)位移剖面云圖

圖5 不同斷面圍巖最大位移

從圖4可以看出，圍巖的最大位移主要集中在位移拱頂?shù)钠覀?cè)以及底板位置，通過(guò)觀察記錄點(diǎn)位移，發(fā)現(xiàn)右側(cè)邊墻位移要明顯大于左側(cè)邊墻位移。各斷面最大位移量如圖5所示。由此可見(jiàn)，對(duì)于處在淺埋偏壓地段且?guī)r性較弱的洞口，應(yīng)及時(shí)施作仰拱，以盡早形成封閉受力環(huán)，以增強(qiáng)圍巖整體穩(wěn)定性。此外，通過(guò)隧道軸線(xiàn)剖面圖可以看出，在斷層位置，圍巖的變形會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變，因此建議在斷層區(qū)域開(kāi)挖時(shí)可以采用減小進(jìn)尺，以避免隧道出現(xiàn)大變形或者垮落現(xiàn)象。

2)應(yīng)力場(chǎng)分析。

由隧道剖面的計(jì)算結(jié)果可知，隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，使得圍巖應(yīng)力發(fā)生二次重分布，隧道周?chē)鷱较驊?yīng)力釋放，環(huán)向應(yīng)力增加，使得圍巖不同部位出現(xiàn)應(yīng)力松弛和應(yīng)力集中。應(yīng)力要集中在右側(cè)拱肩和左側(cè)墻腳處，不同斷面最大壓應(yīng)力值依次約為0.25 MPa，0.35 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，同時(shí)，在距洞口 20 m 和30 m時(shí)，右側(cè)拱部及底板小范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，但量值較小。同時(shí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果還表明隧道開(kāi)挖對(duì)上覆邊坡巖體應(yīng)力場(chǎng)具有一定程度的影響(見(jiàn)圖6，圖7)。

圖6 隧道進(jìn)洞口不同斷面最小主應(yīng)力云圖

3)塑性區(qū)分析。

從三維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果看，受強(qiáng)風(fēng)化和較低的巖體力學(xué)強(qiáng)度制約，隧道開(kāi)挖引起圍巖的破損，導(dǎo)致不同部位圍巖的屈服和塑性變形。從塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在隧道拱部、兩側(cè)邊墻及墻角位置產(chǎn)生了塑性區(qū)，同時(shí)，在斷層處也出現(xiàn)了塑性區(qū)集中。此外地表也出現(xiàn)了少量的塑性區(qū)，表明隧道開(kāi)挖對(duì)上覆邊坡巖體產(chǎn)生了一定的影響。上述塑性區(qū)主要以巖體的剪切破壞為主，因此極有可能誘發(fā)隧道入口與斷層處巖體的失穩(wěn)現(xiàn)象(見(jiàn)圖8，圖9)。因此，在隧道入口及斷層處需要對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖7 隧道進(jìn)洞口不同斷面最大主應(yīng)力云圖

圖8 隧道軸線(xiàn)剖面圖

圖9 隧道進(jìn)洞口不同斷面塑性區(qū)分布圖

4)塌陷區(qū)范圍。

圖10 隧道進(jìn)洞口不同斷面變形分布云圖

通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隧道開(kāi)挖后在開(kāi)挖斷面上側(cè)形成一個(gè)漏斗形的沉降區(qū)域，一直延伸到地表面，并且在地表面形成一定的沉降區(qū)(見(jiàn)圖10)。在隧道頂部地表設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，記錄沉降量如圖11所示。可以發(fā)現(xiàn)在距洞口30 m的地表沉降量最大，約為0.6 mm。

由計(jì)算變形分布云圖可以看出，距進(jìn)洞口的距離越大(埋深越深)，隧道引起的地表塌陷范圍越大，沉降值越大。塌陷范圍分別約為3.45 m，6.58 m，8.16 m，9.64 m。

圖11 地表位移變化

3 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)紅石溝隧道進(jìn)洞口進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了淺埋偏壓隧道圍巖開(kāi)挖后的應(yīng)力場(chǎng)、變形區(qū)、塑性區(qū)以及塌陷區(qū)的變化特征，得到如下結(jié)論:1)從模擬結(jié)果可以看出，由于偏壓作用，隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生了不對(duì)稱(chēng)變形。拱頂處的沉降變化比較嚴(yán)重，并且形成地表的沉降，且深埋側(cè)大于淺埋側(cè)，這對(duì)地表的一些建筑物很不利，可以通過(guò)增設(shè)超前支護(hù)和對(duì)開(kāi)挖斷面及時(shí)支護(hù)的方式減小拱頂?shù)某两?，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)圍巖的變形監(jiān)測(cè)并采取防護(hù)措施，確保隧道施工的安全。2)淺埋偏壓隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道右側(cè)拱部和底板產(chǎn)生了小范圍的拉應(yīng)力集中，量值較小。隧道深埋側(cè)拱腳和拱部存在不同程度的壓應(yīng)力集中區(qū)。進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠抵抗偏壓作用引起的不均勻變形。3)塑性區(qū)主要產(chǎn)生在隧道兩側(cè)邊墻及拱部，在隧道施工時(shí)，應(yīng)注意及時(shí)采取噴錨等措施，防止隧道洞周裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，從而減小塑性區(qū)范圍。此外，斷層穿過(guò)處產(chǎn)生了較多的塑性區(qū)并且圍巖變形在此處產(chǎn)生了突變，施工時(shí)應(yīng)減小進(jìn)尺并加強(qiáng)支護(hù)。

[1] 鐵道部第二設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1976.

[2] 王叔剛，李術(shù)才，王 剛，等.淺埋偏壓隧道洞口施工技術(shù)及穩(wěn)定性分析研究[J].巖土力學(xué)，2006(27):364-368.

[3] 立 敏，劉小兵.交通隧道工程[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2003.

[4] 李海威，李德武，常衛(wèi)鋒.淺埋偏壓隧道圍巖力學(xué)與變形研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(1):43-51.