侯瑞彬,申玉生,陳明奎

基于強度折減法的淺埋偏壓小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性分析

侯瑞彬,申玉生,陳明奎

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

針對廣東某淺埋偏壓小凈距高速公路隧道,采用有限元強度折減法基本原理,研究隧道施工過程中各施工工序的安全系數(shù)動態(tài)變化過程,并對極限狀態(tài)下關鍵施工工序的圍巖塑性區(qū)與隧道圍巖位移進行分析,結(jié)論為:隧道左洞第一步開挖時,由于中巖柱的出現(xiàn),其安全系數(shù)最小,為最危險施工步,其次為兩個洞室臨時巖柱上臺階開挖;施工中中巖柱、洞室左拱腰和右拱腳出現(xiàn)大量塑性區(qū),為圍巖應力危險區(qū)域;中巖柱水平位移在施工過程中呈現(xiàn)出左右往返變化,右側(cè)隧道豎向位移及其上部地表沉降較大,為監(jiān)控量測重點部位。

小凈距隧道;圍巖穩(wěn)定性;強度折減法;安全系數(shù)

我國地形、地質(zhì)條件復雜,高速公路建設中大量遇到隧道工程,受特殊地形、環(huán)境等條件的限制,小凈距隧道結(jié)構形式大量出現(xiàn)。小凈距隧道施工中工序多、圍巖擾動大,尤其是在地質(zhì)偏壓等惡劣環(huán)境下圍巖穩(wěn)定性更難以保證,因此很多學者通過數(shù)值模擬、模型試驗及現(xiàn)場監(jiān)控量測等方法對其進行研究:王明年等[1]通過模型試驗對軟弱圍巖下3孔小凈距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術和施工力學進行研究,對不同的圍巖預加固技術和施工進尺進行了評價;王更峰等[2]通過對不同圍巖條件下不同隧道施工方案的數(shù)值模擬,得出大跨小凈距隧道合理開挖方法與支護參數(shù);晏啟祥等[3-4]研究了軟巖小凈距隧道在不同開挖方式下穩(wěn)定后圍巖和襯砌的力學效應,得到不同后行隧道開挖方式對圍巖和支護結(jié)構的影響;楊小禮等[5]模擬了某偏壓公路隧道在不同開挖順序下的力學效應,得出先開挖深埋隧道圍巖塑性區(qū)較小的結(jié)論;龔建伍等[6]通過對淺埋小凈距隧道圍巖壓力分析,提出了考慮隧道施工過程的圍巖壓力分析方法和計算公式,并與工程實測結(jié)果進行對比驗證。

但是,這些研究僅是憑借應力、位移、塑性區(qū)大小來定性的評價隧道圍巖穩(wěn)定性,很難確定隧道的安全度和破壞面,因此,一些學者[7-11]提出安全系數(shù)的概念,利用有限元強度折減法來評價圍巖穩(wěn)定性和強度儲備。在此基礎上,本文選取廣東某淺埋偏壓小凈距高速公路隧道,嘗試將有限元強度折減法應用于隧道施工過程中各施工工序安全系數(shù)動態(tài)變化過程研究,并對其關鍵施工工序圍巖塑性區(qū)進行分析,指出施工過程中圍巖應力危險區(qū)域,為保證小凈距隧道施工的安全性提出警示信息。

1 強度折減法的安全系數(shù)分析

1.1 強度折減基本原理

巖土體的破壞多為剪切破壞,傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定極限平衡方法計算安全系數(shù)公式表示如下

將式(1)兩邊同除以ω,變?yōu)?/p>

式中,子f為滑動面上各點的抗剪強度;子為滑動面上各點的實際剪應力;c(c′)、φ(φ′)分別為折減前(后)土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角。

由此可見,傳統(tǒng)的極限平衡方法是將土體的抗剪指標c和tanφ減小為c/ω和tanφ/ω,使巖土體達到極限穩(wěn)定狀態(tài)?；诖嗽?利用有限元程序?qū)r土體的抗剪強度參數(shù)c和tanφ除以一個大于1的折減系數(shù)ω,從而將巖土體抗剪強度降低,當土體達到極限狀態(tài)而瀕臨破壞時的折減系數(shù)即為強度折減安全系數(shù)。

在隧道工程中,洞室的開挖使得圍巖應力場不斷進行調(diào)整,大量工程實踐表明:隧道圍巖失穩(wěn)最直觀的體現(xiàn)是洞周巖體發(fā)生大變形,其力學機理常是不利的應力狀態(tài)使巖體發(fā)生剪切屈服并出現(xiàn)塑性流動,故基于以上原理的強度儲備安全系數(shù)同樣適用于隧道工程中,此方法所確定的安全系數(shù)是把非等強度的真實巖體視為均質(zhì)等強的巖體,反映了隧道圍巖的整體強度儲備。

1.2 隧道失穩(wěn)在計算中的判定

ABAQUS有限元計算中采用力收斂標準和位移收斂標準作為收斂判別標準[12],使用向量方式的歐幾里得范數(shù)進行判別,準則如下:第r次殘余力(位移增量)向量范數(shù)與第r-1次迭代得到的殘余力(位移增量)向量范數(shù)比較,若逐漸減小表示運算過程趨于收斂

式中,ψr2為殘余力向量的二范數(shù);Δur2為位移增

巖土工程中土體破壞的標志是滑體出現(xiàn)無限移動,此時滑移面上的應變和位移發(fā)生突變并無限發(fā)展,與此同時在有限元計算中表現(xiàn)出計算不收斂。在隧道工程中,圍巖發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象時,將產(chǎn)生無限發(fā)展的塑性位移,有限元程序的迭代過程將無法繼續(xù),同樣出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象。因此,本文以巖土體的應變和位移突然增大而導致隧道結(jié)構失穩(wěn)為參考,分析隧道結(jié)構的安全系數(shù)變化特征。

2 隧道數(shù)值模型建立

2.1 依托工程概況

依托工程為廣東某雙向六車道小凈距公路隧道,隧道單洞最大開挖跨度為17.953 m,洞高為12.20 m,中間巖柱凈距為10.3 m,最小埋深僅為6 m;隧道穿越一孤峰,進洞口段洞軸線與山體斜坡走向相交,呈明顯的偏壓狀。隧道穿越地層為泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組(D2d),主要巖性為灰黑、深灰色石灰?guī)r。隧道支護結(jié)構采用復合式襯砌;斷面形式為受力條件好、利用率較高的三心圓斷面;初期支護以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)為主要手段,洞口段輔以超前小導管注漿支護措施,隧道襯砌設計如圖1所示。

2.2 數(shù)值計算模型的建立

數(shù)值計算采用平面應變彈塑性本構模型,利用ABAQUS有限元程序模擬隧道開挖和支護結(jié)構的施做。模型中,圍巖和初襯均采用實體單元,符合Mohr-Coulomb屈服準則,不進行二次襯砌的模擬,圍巖初始應力場僅考慮自重應力。錨桿的支護作用通過提高圍巖參數(shù)來實現(xiàn)[13],錨桿加固區(qū)厚度取為2.5 m;根據(jù)施工經(jīng)驗,小導管超前加固后,V級圍巖一般可提高至Ⅳ級,漿液擴散半徑取為0.5 m,隧道圍巖及支護的物理力學參數(shù)如表1所示。

圖1 隧道右洞襯砌

表1 圍巖及支護物理力學參數(shù)

按隧道開挖影響范圍的大小,計算模型邊界范圍:左、右邊界和下邊界均取隧道最大跨度3.5倍,上邊界取至地表自由面,隧道偏壓角度選取25°,淺埋側(cè)隧道埋深選取12 m,即模型范圍為166 m×(50～127)m;模型邊界僅作用位移約束,左、右邊界約束其水平方向位移,下邊界約束其豎向方向位移,上邊界為自由面,模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 有限元模型網(wǎng)格圖

2.3 隧道開挖計算方案

開挖模擬采用雙側(cè)壁導坑法,先施工深埋側(cè)隧道,施工分區(qū)和施工工序如圖3所示?？紤]隧道開挖過程中時空效應的影響,在有限元程序中設計隧道施工步時分2步釋放應力,即毛洞開挖釋放應力∶初期支護釋放應力=0.4∶0.6,數(shù)值計算中荷載步與施工工序?qū)P系如表2所示。

圖3 隧道開挖步驟和計算點位置(單位:m)

表2 計算模型荷載步與施工工序?qū)P系

3 計算結(jié)果分析

3.1 關鍵施工步中圍巖塑性區(qū)分析

小凈距隧道施工過程中施工工序繁多,圍巖和支護結(jié)構受力復雜,易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,研究其塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律是保證圍巖穩(wěn)定和施工安全的關鍵[14]。為更好地發(fā)現(xiàn)圍巖破壞發(fā)展規(guī)律,選取隧道施工中的關鍵施工工序,對其強度折減至破壞時的塑性區(qū)進行分析,如圖4所示。

與非偏壓隧道破壞區(qū)主要集中在隧道左右邊墻不同,第3步中開挖區(qū)域1時圍巖塑性區(qū)主要集中在導坑右側(cè)墻腳和左側(cè)拱腰處,偏壓作用下右側(cè)墻腳因過大應力集中而產(chǎn)生很大塑性應變,為施工中重點支護部位。

在第7步中,區(qū)域3開挖后在隧道左拱腰處出現(xiàn)一條滑移面貫穿至地表,施工過程中應采取必要的支護手段;同時在右拱腳和右側(cè)臨時支護與初期支護交接處圍巖,偏壓荷載集中,塑性應變較大。

右洞支護完成后,如圖4(c)所示,左拱腰處的塑性區(qū)大大減小,可見初期支護起到明顯效果,此時,左拱腰和右拱腳塑性應變最大,為最危險部位,以左拱腰處較為明顯。

在第12步中,區(qū)域5開挖后右洞塑性區(qū)位置變化不大,左洞塑性區(qū)出現(xiàn)在右拱腳和側(cè)墻頂部,中間巖柱塑性區(qū)呈貫通趨勢,此時中巖柱變?yōu)檩^危險區(qū)域。

開挖區(qū)域7時,中巖柱內(nèi)出現(xiàn)塑性區(qū)呈貫通趨勢,同時由于左洞埋深很淺及拱頂支護仍未施做,在左洞拱頂處出現(xiàn)一條向地表延伸的滑移面,易發(fā)生大面積塌方事故,施工中應格外注意。

隧道開挖并支護結(jié)束后,如圖4(f)所示,左洞拱頂處向地表延伸的塑性區(qū)消失,左洞上部松弛荷載作用使左洞左拱腰出現(xiàn)應力集中,出現(xiàn)向上延伸塑性區(qū),同時偏壓作用下中巖柱內(nèi)存在一斜向剪應力流,因而出現(xiàn)一條滑移面。

由塑性區(qū)變化過程可見,中巖柱、洞室左拱腰與右拱腳為隧道圍巖最危險部位。

圖4 關鍵施工工序中圍巖塑性區(qū)

3.2 隧道支護后圍巖位移分析

隧道開挖并支護完成后極限狀態(tài)下的位移如圖5所示。

圖5 隧道初支完成后的位移圖(單位:mm)

隧道支護完成后,偏壓作用下隧道位移呈現(xiàn)明顯不對稱現(xiàn)象,隧道開挖主要對其右上方圍巖影響較大。圖5(a)中,在洞室右上方很大區(qū)域產(chǎn)生向洞室方向的位移,這是由于洞室開挖引起應力釋放后,在偏壓荷載作用下,右上方土體產(chǎn)生斜向下滑動趨勢,圍巖強度折減后,就會出現(xiàn)圖4(f)中滑移面;同時,初期支護閉合形成一個剛性體,在右上方土體推力作用下襯砌會對洞室左側(cè)土體產(chǎn)生擠壓,因此中巖柱中上部出現(xiàn)很大的側(cè)向位移,洞室左拱腰易擠壓破壞。圖4(b)中,左洞上方土體形成土柱作用在襯砌上,是由于隧道埋深過淺,上部圍巖無法成拱,此時易發(fā)生整體坍塌破壞,施工中應采取超前大管棚等必要輔助措施。

選取計算點1、3、6、7、8,分析隧道施工完成并折減至極限狀態(tài)后的位移變化規(guī)律,如圖6所示,強度折減后位移曲線出現(xiàn)一個拐點并發(fā)生突變。圖6(a)中,計算點1、6(隧道拱頂)x向位移隨著施工的進行一直向左增大,而計算點3、7、8(中巖柱兩側(cè))x向位移則呈現(xiàn)出往返變化過程,且計算點7(雁形部右側(cè))表現(xiàn)更為明顯,可見中巖柱在施工中受擾動較大。圖6(b)中明顯看出計算點6、7、8(右洞)豎向位移更大,在施工過程中臨時巖柱上臺階的開挖對洞周圍巖豎向位移貢獻最大,且右洞施工中表現(xiàn)得更加明顯,可見淺埋隧道施工時隨著其上覆土壓的增大其豎向位移更大。

圖6 洞周計算點位移時程曲線

由圖5還可看出,由于洞室開挖引起的卸荷和圍巖偏壓的聯(lián)合作用,右洞上方地表產(chǎn)生很大位移,遠大于左洞上方地表位移,如表3所示,因此,對于地表沉降要求較高的工程在施工過程中應對右洞上方地表沉降量進行重點觀測。

表3 地表計算點位移mm____

3.3 隧道安全系數(shù)動態(tài)變化特征

對隧道8個施工區(qū)域分別在開挖和支護狀態(tài)時進行強度折減計算,得到對應荷載步的安全系數(shù)變化情況如圖7所示。

圖7 安全系數(shù)動態(tài)變化曲線

從圖7可以看出,隧道整體安全系數(shù)隨著施工過程中洞室開挖面積的增大而呈減小趨勢。右洞施工過程中,安全系數(shù)變化幅度較大,而左洞變化幅度較小,應為右洞施工完成后左洞偏壓效果減小所致;各洞室雙導坑和臨時巖柱上臺階施工過程中,安全系數(shù)變化較大,而預留核心土施工時,安全系數(shù)變化相對較安全。安全系數(shù)最小值ω=1.141,發(fā)生在第12步(左洞區(qū)域5開挖),該區(qū)域的開挖是施工過程中最危險的施工工序,由此可見后行洞施工對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響很大。

整個施工過程中,隧道開挖狀態(tài)下的安全系數(shù)均小于支護狀態(tài)下的安全系數(shù),各區(qū)域支護后安全系數(shù)均有不同程度的提高,可見及時施做初期支護有效地提高了隧道施工的安全性。在右洞施工過程中,第7步安全系數(shù)最小,ω=1.327,且區(qū)域3支護狀態(tài)下安全系數(shù)提高最明顯;左洞施工過程中,第12步(左洞區(qū)域5開挖)安全系數(shù)最小,第16步(左洞區(qū)域7開挖)次之,ω=1.269?？梢?左洞第一步開挖、臨時巖柱上臺階的開挖為危險施工步,對其進行深入分析,其安全系數(shù)及支護后提高值見表4。

表4 各工序安全系數(shù)及支護后提高值

開挖區(qū)域3(第7步)和開挖區(qū)域7(第16步)時安全系數(shù)較為接近,洞室的失穩(wěn)狀態(tài)也較相似,主要表現(xiàn)為臨時巖柱上臺階開挖后上部圍巖穩(wěn)定性不足而破壞,而在開挖區(qū)域7時,右洞上部圍巖穩(wěn)定性已得到很好保證,可見初期支護有利于隧道的安全。對于淺埋隧道,上部圍巖不易成拱,且其穩(wěn)定性對隧道施工安全起到至關重要的作用,因此,針對其穩(wěn)定性不足,開挖應采取必要的超前預加固手段,開挖后應及時進行支護。

開挖區(qū)域5(第12步)時,中巖柱出現(xiàn),安全系數(shù)最小,為整個施工過程中最危險施工工序,圍巖強度折減后,中巖柱出現(xiàn)很大塑性區(qū),隧道將從中巖柱處失穩(wěn)破壞。分析其原因,區(qū)域5開挖使中巖柱左側(cè)推力減小,加之右側(cè)偏壓作用,在中巖柱內(nèi)會形成一個斜向剪應力流,使中巖柱破壞。因此實際施工中,在區(qū)域1支護時應采取注漿、施做預應力錨桿等手段來提高中巖柱的抗剪強度,并且在區(qū)域5開挖后及時進行支護。

4 結(jié)論

本文將邊坡計算中常用的有限元強度折減法引入隧道圍巖穩(wěn)定性分析中,通過對淺埋偏壓小凈距隧道施工過程的模擬,得到了隧道施工過程中各施工步的安全系數(shù),并對關鍵施工工序中圍巖的塑性區(qū)和位移進行分析,得出以下結(jié)論:

(1)各開挖步中初期支護的施做都會對圍巖整體穩(wěn)定安全系數(shù)有不同程度的提高,其中左洞第一步開挖、臨時巖柱上臺階開挖為危險施工步;

(2)施工中極限狀態(tài)下圍巖塑性區(qū)主要集中在中巖柱、洞室左拱墻和右拱腳,為偏壓小凈距隧道圍巖應力危險區(qū)域;

(3)施工過程中,中巖柱水平位移左右往返變化,受擾動較大,施工中應采取注漿加固等措施,以保證其穩(wěn)定性;

(4)偏壓作用下,右側(cè)洞室上覆土壓更大,施工過程中右洞位移更大,且隧道開挖帶來的應力釋放導致右上方土體產(chǎn)生向洞室方向位移,使得右側(cè)隧道上方地表產(chǎn)生較大沉降,在施工中應重點監(jiān)測。

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Analysis on Surrounding Rock Stability of Shallowly-buried Eccentrically-loaded Tunnels with Small Interval Based on Strength Reduction Method

HOU Rui-bin,SHEN Yu-sheng,CHEN Ming-kui
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

For the shallowly-buried eccentrically-loaded tunnels with small interval on an express highway in Guangdong province,the basic principle of finite element strength reduction method was employed in this study.Further,the dynamic change process of the safety coefficient of every construction procedure during tunnel construction was researched,and then the plastic zones and the displacements of tunnel surrounding rocks at the important construction procedures under ultimate limited state were analyzed. The research conclusions are as follows:(a)The first excavation procedure of the left tunnel is the most dangerous construction procedure,because its safety coefficient is the smallest one due to the emerging of the middle rock pillar;followed by the top bench excavation of the temporary rock pillar between the two tunnels.(b)During construction,a lot of plastic zones will occur at the middle rock pillar and at the tunnel's haunch and arch springing,so these zones are the dangerous stress zones of surrounding rock. (c)During construction,the horizontal displacement of middle rock pillar will change from side to side, while the vertical displacement of the right tunnel and upper ground surface settlement are relatively larger;therefore these parts should be regarded as the key parts in the process of monitoring and measurement.

tunnels with small interval;surrounding rock stability;strength reduction method;safety coefficient

U451+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.013

1004-2954(2014)04-0055-06

2013-07-21;

2013-08-07

國家自然科學基金(41102220、51178398);教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT0955);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(SWJTUCX014、SWJTU11ZT33)

侯瑞彬(1990—),男,碩士研究生,E-mail:ruibin90816@ 163.com。