張 宇

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，沈陽110000)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隧道工程的重要性逐漸顯現(xiàn)，近年來，隧道工程的數(shù)量不斷增多，建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，對隧道工程質(zhì)量提出了更高的要求。如何既能夠保證隧道工程的安全性和穩(wěn)定性，又能夠節(jié)約建設(shè)成本，是設(shè)計(jì)人員必須解決的問題，也是隧道工程建設(shè)必須要攻克的第一道難關(guān)。隧道位置選定后，周圍介質(zhì)以及初始應(yīng)力場等客觀條件是不可改變的，要想改變圍巖的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性，只能通過調(diào)整隧洞斷面的幾何形態(tài)來實(shí)現(xiàn)，因此，隧道斷面形狀的選擇和設(shè)計(jì)的好壞將直接關(guān)系到隧道工程的安全和造價(jià)。常見的斷面形式有圓形斷面、矩形斷面、直墻式斷面以及曲墻式斷面4 種類型，隧道斷面形式的選擇要受到來自主客觀兩個(gè)方面多種因素的制約，如建筑界限、使用功能、周圍介質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)、初始應(yīng)力場等。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，隧道開挖空間越大，圍巖受力的穩(wěn)定性就越差，應(yīng)力分布也就越不均勻，整個(gè)工程對支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求也就越高，因此，對隧道斷面形狀的選擇以及對不同斷面形狀隧洞圍巖穩(wěn)定性的評價(jià)是整個(gè)隧道工程設(shè)計(jì)必不可少環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最重要的內(nèi)容?，F(xiàn)利用FLAC 軟件系統(tǒng)分析圓形斷面、矩形斷面、直墻式斷面以及曲墻式斷面形狀隧道圍巖位移、塑性區(qū)和應(yīng)力的集中分布規(guī)律，對4 種斷面形狀進(jìn)行優(yōu)選，以期能夠?yàn)樗淼拦こ淘O(shè)計(jì)及施工提供必要的參考。

1 計(jì)算模型

現(xiàn)對4 種斷面形狀的隧道進(jìn)行建模，以獲取最優(yōu)斷面形狀。本次研究是在周圍介質(zhì)以及初始應(yīng)力場等客觀條件固定的情況下進(jìn)行，利用FLAC 軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，在此過程中，應(yīng)先將求解域劃分為若干網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的微分方程用差分方程來表示，近似解的精度取決于網(wǎng)格劃分時(shí)產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，多步運(yùn)算產(chǎn)生的小變形最后等效為大變形［1］。圍巖介質(zhì)采用的彈塑性模型的應(yīng)變增量表達(dá)式如下:

運(yùn)用FLAC 軟件系統(tǒng)對四種斷面形狀進(jìn)行模擬，如圖1，隧道圍巖類型以IV 級和III 級為主，本次研究圍巖類型選擇III 級，具體圍巖參數(shù)見表1［2］。

圖1 4 種典型的隧洞斷面形狀

表1 隧洞圍巖參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 圓形斷面

2.1.1 位移分布情況

從圓形斷面位移分布情況來看，隧洞圍巖的總體最大位移出現(xiàn)在拱頂處，位移值＞21 mm，側(cè)壁位移相對較小，收斂值與半徑之比(相對位移收斂值)為0.314%;水平方向的最大位移出現(xiàn)在側(cè)壁中部，位移值≥15.4 mm，側(cè)壁向兩端的位移逐漸減小，由此可以得出，圓形斷面隧洞的拱頂較容易出現(xiàn)松動，松動巖體會直接作用于隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)，增加其承受的荷載，有鑒于此，在圓形斷面隧洞設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測其拱頂［3］。

2.1.2 塑性區(qū)分布情況

從圓形斷面塑性區(qū)分布情況來看，隧洞圍巖的塑性區(qū)分布比較均勻，塑性區(qū)厚度較小，最大厚度僅為2.3 m。

2.1.3 應(yīng)力分布情況

現(xiàn)就圓形斷面的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，隧洞圍巖應(yīng)力情況隨著位置的變化而不斷變化，不同位置的應(yīng)力情況是不同的，隧洞圍巖主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在側(cè)壁內(nèi)部，在1.5 ～2 m處，應(yīng)力值區(qū)間為5 ～12.3 MPa，應(yīng)力分布比較均勻，基本規(guī)律為:由側(cè)壁向上下兩側(cè)逐漸遞減，側(cè)壁附近的應(yīng)力值最大［4］。

2.2 矩形斷面

計(jì)算結(jié)果顯示，與圓形斷面相比，矩形斷面隧洞圍巖位移分布的均勻性相對較差。

2.2.1 位移分布情況

現(xiàn)就矩形斷面的位移分布情況進(jìn)行分析，隧洞圍巖的總體最大位移出現(xiàn)在拱頂處，位移值≥33.5 mm，側(cè)壁位移相對較小，收斂值與半徑之比(相對位移收斂值)為0.48%;水平方向集中分布在側(cè)壁部分，最大位移出現(xiàn)在側(cè)壁中部，位移值≥25.7 mm，拱頂和拱底的水平位移相對較小。

2.2.2 塑性區(qū)分布情況

從矩形斷面位移分布情況來看，隧洞開挖后圍巖總體上出現(xiàn)了較大范圍的塑性破壞，在頂部、底部和側(cè)壁等區(qū)域都有體現(xiàn)，其中，拱頂出現(xiàn)的塑性破壞由于面積較大，而且會直接作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，增加其承受的荷載。

2.2.3 應(yīng)力分布情況

從矩形斷面位移分布情況來看，隧洞開挖后，圍巖應(yīng)力場在各區(qū)域內(nèi)分布比較集中，主要呈現(xiàn)出多處分布的特點(diǎn)，上下頂角部位的應(yīng)力值較大，側(cè)壁區(qū)域的應(yīng)力值較小。

2.3 直墻式斷面

該斷面隧洞是由直邊墻、圓拱以及底板3 部分組成，與圓形斷面隧道相比，其使用空間和寬度要更大，與矩形斷面隧道相比，其位移場和應(yīng)力常要更為有利，能夠有效較小支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載。

2.3.1 位移分布情況

現(xiàn)就直墻式斷面的位移分布情況進(jìn)行分析，隧洞圍巖拱頂處的位移最大，位移值＜24 mm，收斂值與半徑之比(相對位移收斂值)為0.343%;水平位移集中在側(cè)壁處，向兩側(cè)遞減，最大位移出現(xiàn)在側(cè)壁中部，位移值≤21 mm，側(cè)壁向兩端的位移逐漸減小;總體上來看，該斷面隧洞圍巖體現(xiàn)出來的位移差異并不是很明顯，位移場分布也相對均勻，拱頂上方變形荷載范圍在30°～90°，對此，應(yīng)采取針對性措施提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承受荷載。

2.3.2 直墻式斷面塑性區(qū)分布情況分析

從直墻式斷面塑性區(qū)分布情況來看，隧洞開挖后圍巖拱頂處的塑性區(qū)分布較少，厚度在2.5 m上下，塑性區(qū)厚度較大處集中在直墻段和底板兩個(gè)部分，厚度≤4.2 m，說明這2 個(gè)部分的應(yīng)力釋放比較嚴(yán)重，圍巖遭到破壞的可能性也相對較大。

2.3.3 直墻式斷面應(yīng)力分布情況分析

從直墻式斷面應(yīng)力分布情況來看，隧洞圍巖應(yīng)力場在上部和底端的分布存在較大差異，上部應(yīng)力布均勻，應(yīng)力值相對較小，底端應(yīng)力比較集中，并呈現(xiàn)出從墻角向上部圍巖發(fā)展的分布規(guī)律，而且在邊界局部區(qū)域存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，為此，在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)妥善處理直墻式斷面隧洞圍巖支架結(jié)構(gòu)的承載問題。

2.4 曲墻式斷面

2.4.1 曲墻式斷面位移分布情況分析

現(xiàn)就曲墻式斷面的位移分布情況進(jìn)行分析，隧洞圍巖拱頂處的位移最大，位移值＜22.6 mm，收斂值與半徑之比(相對位移收斂值)為0.322%;與圓形斷面相比，垂直位移略大。通過比較發(fā)現(xiàn)，曲墻式斷面與圓形斷面的位移分布情況比較接近，均為出現(xiàn)較大的位移跳躍現(xiàn)象，分布也較為均勻［5］。

2.4.2 曲墻式斷面位移分布情況分析

從曲墻式斷面塑性區(qū)分布情況來看，隧洞開挖后圍巖拱底處的塑性區(qū)較大，從塑性區(qū)厚度來看，拱圈和曲邊墻的厚度相對均勻。曲墻式斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)需要承受來自拱頂區(qū)域圍巖的松動壓力，所以，要想減小支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載，就應(yīng)較小拱頂區(qū)域塑性區(qū)的厚度。

2.4.3 曲墻式斷面應(yīng)力分布情況分析

從曲墻式斷面應(yīng)力分布情況來看，隧洞開挖后內(nèi)部邊界區(qū)域并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而是出現(xiàn)在與之相距＜2 m的曲邊墻與拱圈交界處，應(yīng)力集中位置的轉(zhuǎn)移有利于降低支護(hù)結(jié)構(gòu)所要承受的壓力，能夠有效減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度。

3 結(jié) 論

運(yùn)用FLAC 軟件系統(tǒng)繪制了不同斷面形狀隧道圍巖應(yīng)力集中系數(shù)的變化情況，并分別對四種形式隧洞開挖后圍巖的位移、塑性區(qū)以及應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:①隧洞內(nèi)邊界處的應(yīng)力集中系數(shù)普遍較小，其中，圓形斷面和曲墻式斷面的應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)小于矩形和直墻式斷面;②4 種斷面形式的應(yīng)力集中位置各不相同，其中，圓形和曲墻式斷面的最大應(yīng)力集中在內(nèi)部較深處，矩形斷面和直墻式斷面的最大應(yīng)力集中在邊界附近，應(yīng)力集中位置向深部轉(zhuǎn)移有利于降低支護(hù)結(jié)構(gòu)所要承受的壓力。結(jié)果顯示:圓形斷面隧洞圍巖位移、應(yīng)力集中系數(shù)、塑性區(qū)厚度均最小，表明其支護(hù)受到的圍巖壓力也最小，其次為曲墻式斷面，理論上圓形斷面是最優(yōu)斷面形狀，然而考慮到使用空間和經(jīng)濟(jì)效益等因素，圓形斷面存在一定的局限性，在此建議隧道斷面形狀選用曲墻式斷面。

［1］李浩，朱向陽，徐永福，陳寅奕.斷面形狀對隧洞圍巖位移和應(yīng)力的影響分析［J］.隧道建設(shè)，2009，10(01):40－44.

［2］董書明，辛全才，盧樹盛.斷面形狀對隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2011，11(01):102－104.

［3］何悅.裂隙巖體中隧洞圍巖滲流場及穩(wěn)定性研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2014.

［4］王振，韓春，王倫祥，等.側(cè)壓力系數(shù)對節(jié)理巖體隧洞位移響應(yīng)模擬研究［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2013，12(03):26－29.

［5］尤哲敏.大斷裂區(qū)深埋隧道地應(yīng)力特征及圍巖穩(wěn)定性分析［D］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)，2013.