馬　龍，路錦標(biāo)，高　華

(中鐵九局重慶分公司， 重慶　401121)

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近水平巖層隧道貫通段受力機(jī)理研究

馬龍，路錦標(biāo)，高華

(中鐵九局重慶分公司， 重慶401121)

摘要：采用理論分析和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，基于實(shí)際隧道塌方實(shí)例，利用ANSYS軟件建立隧道貫通段開(kāi)挖三維模型，分析水平巖層隧道在施工過(guò)程中圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形規(guī)律，同時(shí)深入分析隧道貫通段塌方產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理和地下水、爆破振動(dòng)、空間效應(yīng)和施工等影響因素。研究成果可為深埋隧道現(xiàn)場(chǎng)判斷隧道貫通塌方起因和預(yù)測(cè)隧道塌方等提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；水平巖層；貫通段；變形；塌方機(jī)理

工程實(shí)踐中，在水平或近水平層狀巖(土)體修建隧道十分廣泛。當(dāng)在水平層狀巖體中修建地下洞室時(shí)，由于水平層狀巖體層面存在變形和強(qiáng)度的各向異性[1-3]，加之外界各種因素尤其是地下水的影響，導(dǎo)致水平巖層隧道受力變形機(jī)理十分復(fù)雜，施工中塌方現(xiàn)象不勝枚舉[4-5]。尤其是在隧道貫通階段發(fā)生的塌方，不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行治理，耽誤工期，而且還嚴(yán)重威脅施工人員的生命安全，存在掩埋施工機(jī)械的危險(xiǎn)。因此，對(duì)近水平巖層隧道塌方機(jī)理進(jìn)行研究顯得極為迫切。

近水平巖層隧道塌方形成機(jī)理引起了國(guó)內(nèi)外廣大專(zhuān)家和學(xué)者的注意，但對(duì)近水平巖層隧道塌方機(jī)理的研究主要依賴(lài)數(shù)值模擬或者具體的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累[6-8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用數(shù)值仿真對(duì)實(shí)際工程塌方機(jī)理進(jìn)行分析較多[9-11]，而系統(tǒng)性地研究近水平巖層隧道貫通段塌方機(jī)理的文獻(xiàn)較少。所以，開(kāi)展近水平巖層隧道貫通段塌方機(jī)理的規(guī)律研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以石塘隧道貫通段塌方過(guò)程為依托，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)隧道貫通段進(jìn)行受力及變形特征分析，得到此類(lèi)塌方的力學(xué)機(jī)理，為類(lèi)似塌方事件提供參考依據(jù)。

1工程概況與塌方過(guò)程

石塘隧道位于四川省萬(wàn)源縣，全長(zhǎng)2 730 m，是快速通道上的雙向長(zhǎng)隧道。隧址區(qū)地處四川盆地，穿越地層最高海拔為1 750 m，最低處僅810 m，相對(duì)高差達(dá)800～900 m。

該隧道處于石塘復(fù)背斜北翼，隧道線(xiàn)路未穿越褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，其所穿越地層巖體的裂隙傾角普遍較大，且其節(jié)理面較為平直。節(jié)理一般呈現(xiàn)微張狀態(tài)，較密，寬度一般在1～50 mm以?xún)?nèi)，內(nèi)部多被泥質(zhì)物所填塞，且節(jié)理延伸長(zhǎng)度可達(dá)到3 m以上。由于巖層中節(jié)理的存在，導(dǎo)致巖體不連續(xù)，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且層與層之間的粘合不緊密，巖體整體性較差。地勘資料顯示，隧道穿越區(qū)段地層巖性主要為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖以及礫巖等。該地區(qū)屬于多雨、多霧的濕潤(rùn)氣候，地下水類(lèi)型主要為松散土層空隙水以及巖體裂隙水。

2012年12月7日晚上10時(shí)半，該隧道貫通段拱頂出現(xiàn)坍塌，拱頂坍塌延伸范圍約為15 m，塌方量約1 000 m3，且坍塌深度不明，寬約10 m。此次坍塌致使K62+070～K62+075之間的拱架?chē)?yán)重變形，初期支護(hù)嚴(yán)重破壞，混凝土崩裂剝落和掉塊的現(xiàn)象較多，如圖1所示。

圖1　石塘隧道塌方情況

2模型建立

本文根據(jù)石塘隧道水平巖層貫通段的圍巖地質(zhì)情況，結(jié)合施工方法及貫通段支護(hù)結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件，建立石塘隧道貫通段開(kāi)挖的三維數(shù)值模型，分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖過(guò)程中的受力變形規(guī)律，研究其破壞機(jī)理。計(jì)算模型在開(kāi)挖方向選取100 m長(zhǎng)度模擬隧道雙向開(kāi)挖。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求，雙向開(kāi)挖隧道兩開(kāi)挖面間距剩下15～30 m時(shí)，應(yīng)改為單向開(kāi)挖。因此，根據(jù)該隧道開(kāi)挖方案，當(dāng)隧道開(kāi)挖至剩余20 m時(shí)，采取單向開(kāi)挖方式進(jìn)行開(kāi)挖。

分析計(jì)算過(guò)程中，采用地層-結(jié)構(gòu)法來(lái)模擬隧道開(kāi)挖。根據(jù)隧道地質(zhì)情況，將隧道圍巖按2層考慮。選用MESH200(3-D)4節(jié)點(diǎn)單元輔助完成平面模型的網(wǎng)格劃分，采用SOLID45三維實(shí)體單元模擬圍巖，采用shell181殼單元模擬隧道初期支護(hù)。隧道圍巖材料采用Drucker-Prager 屈服條件的(D-P) 材料進(jìn)行模擬，其用于計(jì)算隧道開(kāi)挖過(guò)程中地層發(fā)生的非線(xiàn)性變形特性。材料參數(shù)如表1所示。

表1　模型材料參數(shù)

石塘隧道埋深340 m，屬深埋隧道，故計(jì)算模型豎向共取80 m，將隧道上方巖土轉(zhuǎn)化為均布荷載施加于隧道上邊界，施加均布荷載為6.6 MPa，且隧道開(kāi)挖長(zhǎng)度取計(jì)算長(zhǎng)度100 m。隧道開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)控制單元“生死”來(lái)實(shí)現(xiàn)土體開(kāi)挖及支護(hù)施作過(guò)程。石塘隧道整體及初期支護(hù)三維有限元模型如圖2所示，隧道開(kāi)挖斷面如圖3所示。

圖2　石塘隧道整體有限元與初期支護(hù)模型

圖3　隧道開(kāi)挖斷面示意

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1初始階段

天然狀態(tài)下，巖層主要承受豎向壓應(yīng)力，壓力明顯成層分布。在模型底邊界豎向最大壓應(yīng)力為8 MPa。水平方向最大應(yīng)力也在底邊界，應(yīng)力大小主要受埋深影響。巖體變形主要是豎向變形，X、Z方向位移云圖雖有差異，但數(shù)值極小，可忽略不計(jì)。Y方向的初始位移主要由自重引起，之后計(jì)算分析過(guò)程中應(yīng)減去這部分位移。

3.2隧道雙向各開(kāi)挖20 m時(shí)初期支護(hù)應(yīng)力與變形分析

隧道雙向開(kāi)挖20 m時(shí)初期支護(hù)X、Y方向的應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，隧道拱頂X方向的應(yīng)力從-3.13 MPa變?yōu)?3.87 MPa，壓應(yīng)力有所增加，而Y方向的應(yīng)力從-7.31 MPa減至-2.25 MPa，壓應(yīng)力下降。隧道拱底處應(yīng)力變化較大，X方向應(yīng)力從-3.24 MPa減至-0.89 MPa，壓應(yīng)力下降；Y方向應(yīng)力由-7.55 MPa變?yōu)?0.844 MPa；Z方向應(yīng)力從-3.15 MPa變?yōu)?0.34 MPa。隧道左拱腰和右拱腰X、Y方向應(yīng)力變化基本相同，X方向壓應(yīng)力下降0.45 MPa；Y方向壓應(yīng)力存在少量上升，約0.6 MPa；Z方向壓應(yīng)力變化不大，約下降0.05 MPa。隧道左拱腳和右拱腳變化基本相同，X方向壓應(yīng)力下降0.7 MPa，Y方向壓應(yīng)力增加3 MPa，Z方向壓應(yīng)力增加0.9 MPa。

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖20 m時(shí)的位移云圖如圖5所示。

圖4　隧道雙向各掘進(jìn)20 m時(shí)支護(hù)各方向應(yīng)力云圖

圖5　隧道雙向各掘進(jìn)20 m時(shí)支護(hù)各方向位移云圖

由圖5可知，開(kāi)挖過(guò)程中隧道拱頂出現(xiàn)沉降，約2.7 cm；隧道底板存在往上隆起狀態(tài)；隧道左右拱腰處存在朝向洞內(nèi)的水平位移，約為3 mm；隧道左右邊墻水平相對(duì)位移約為3 mm，豎向位移約為3 mm。隧道豎向位移一般掌子面附近相對(duì)較小，主要是由于隧道開(kāi)挖掌子面的支撐作用所致。

3.3隧道雙向各開(kāi)挖40 m時(shí)應(yīng)力與變形分析

隧道雙向開(kāi)挖40 m時(shí)初期支護(hù)X、Y方向的應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著隧道往前開(kāi)挖，隧道內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)也在發(fā)生改變，拱頂X方向應(yīng)力為-3.9 MPa，應(yīng)力有所增大；Y方向應(yīng)力為-2.3 MPa，應(yīng)力增大，但增量較??；Z方向的應(yīng)力為-1.6 MPa。拱底X、Y和Z方向的應(yīng)力均有所增加，X方向應(yīng)力增加幅度為0.02 MPa，Y、Z方向應(yīng)力增加幅度為0.4 MPa。左右拱腰位置的應(yīng)力變化基本相同，表現(xiàn)為應(yīng)力增加，其中X、Z方向變化較小，而Y方向增加0.18 MPa。左右拱腳處應(yīng)力變化表現(xiàn)為應(yīng)力增加，X方向增量較小，Y方向增量在0.2 MPa左右。

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖40 m時(shí)的位移云圖如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著隧道掘進(jìn)，圍巖的空間效應(yīng)開(kāi)始消失，豎向位移開(kāi)始增大，而各點(diǎn)的水平位移變化較小。隧道拱底相對(duì)隧道雙向各掘進(jìn)40 m時(shí)表現(xiàn)為0.6 mm的下沉，主要是由于隧道開(kāi)挖所致。隧道開(kāi)挖掌子面附近Z向位移表現(xiàn)為朝隧道洞口方向的位移。隧道整體位移表現(xiàn)為拱頂附近的下沉，以及底板附近的上隆。左右拱腰處是朝向隧道洞內(nèi)的位移。

3.4隧道單向掘進(jìn)10 m時(shí)應(yīng)力與變形分析

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖10 m時(shí)的各方向應(yīng)力云圖如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著隧道從雙向掘進(jìn)轉(zhuǎn)為單向掘進(jìn)，隧道應(yīng)力也在發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為開(kāi)挖端應(yīng)力變化較停止開(kāi)挖端大，隧道入口處拱頂應(yīng)力有所增加。同時(shí)，在拱腳、拱底、拱腰、邊墻處應(yīng)力存在變化，但改變量不大，約為0.02 MPa，且越靠近隧道開(kāi)挖掌子面應(yīng)力變化越大。

隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在單向開(kāi)挖10 m時(shí)的位移云圖如圖9所示。

圖6　隧道雙向各掘進(jìn)40 m時(shí)支護(hù)各方向應(yīng)力云圖

圖7　隧道雙向各掘進(jìn)40 m時(shí)支護(hù)各方向位移云圖

圖8　隧道單向掘進(jìn)10 m時(shí)支護(hù)各方向應(yīng)力云圖

圖9　隧道單向掘進(jìn)10 m時(shí)支護(hù)各方向位移云圖

隨著隧道由雙向開(kāi)挖轉(zhuǎn)為單項(xiàng)開(kāi)挖，開(kāi)挖端掌子面向前推進(jìn)，隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移也隨之發(fā)生改變。由圖9可知，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，拱頂下沉趨勢(shì)基本不變；左右拱腰表現(xiàn)為朝向隧道洞內(nèi)的位移趨勢(shì)；拱底表現(xiàn)為往上隆起狀態(tài)；左右拱腳表現(xiàn)為朝隧道中線(xiàn)的水平位移。同時(shí)，由于隧道開(kāi)挖的空間效應(yīng)，距離掌子面越近，隧道變形越明顯；反之，隨著掌子面推進(jìn)，距離掌子面越遠(yuǎn)的截面，位移變形開(kāi)始減小。

3.5隧道貫通后應(yīng)力與變形分析

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道開(kāi)挖貫通后各方向應(yīng)力云圖如圖10所示。

由圖10可以看出，隨著整個(gè)隧道貫通，隧道應(yīng)力在最終10 m開(kāi)挖過(guò)程中表現(xiàn)為開(kāi)挖段劇烈變化，而已支護(hù)段應(yīng)力變化程度相對(duì)較小。拱底X方向的應(yīng)力變化主要位于開(kāi)挖處附近，該段應(yīng)力變化值為2.5 MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力下降。同時(shí)在開(kāi)挖段，隧道拱頂?shù)乃綁簯?yīng)力增加，變化量為1 MPa，變化值朝著洞口方向遞減。Y方向應(yīng)力在隧道開(kāi)挖處受影響最大，尤其是隧道開(kāi)挖段拱頂、拱底，變化值為 0.7 MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力下降。在開(kāi)挖段拱腳處，Y方向的應(yīng)力值增加，影響范圍擴(kuò)展到邊墻附近。

圖10　隧道貫通后支護(hù)各方向應(yīng)力云圖

圖11　隧道貫通后支護(hù)各方向位移云圖

隨著隧道最后10 m的開(kāi)挖，隧道位移發(fā)生改變，如圖11所示。由圖11可知，隧道位移變化段主要在最后10 m開(kāi)挖段附近。X方向位移表現(xiàn)為開(kāi)挖段附近左右拱腰朝向隧道內(nèi)的水平位移，位移值在1.8 mm左右，且水平位移往洞口方向呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。由于土體的開(kāi)挖導(dǎo)致開(kāi)挖段隧道拱頂在Y方向下沉3 cm，因此隧道底板呈現(xiàn)上隆狀態(tài)。另外，土體的開(kāi)挖導(dǎo)致開(kāi)挖段上覆土體兩端呈現(xiàn)往開(kāi)挖處擠壓的Z向位移，位移值接近2 mm。

4隧道貫通塌方力學(xué)機(jī)理分析

石塘隧道塌方前，該地區(qū)連續(xù)陰雨，地下水得到充分補(bǔ)給。隧道塌方后，拱頂處的鋼拱架已經(jīng)彎折，存在往洞軸線(xiàn)傾倒的趨勢(shì)。下面根據(jù)前面的數(shù)值模擬模型，并結(jié)合水平巖層的特點(diǎn)以及塌方時(shí)當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r來(lái)分析隧道塌方原因以及其作用機(jī)理。

4.1天氣影響

隧道塌方前，隧址區(qū)連續(xù)降雨，地下水得到充分補(bǔ)給。地下水對(duì)隧道的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1) 地下水補(bǔ)給導(dǎo)致隧道上覆巖土自重增加，初期支護(hù)承受的荷載增大。

2) 在水的作用下，巖體以及巖層之間層面的c、φ、E等物理力學(xué)指標(biāo)被水軟化，進(jìn)而影響其極限強(qiáng)度。

3) 從斷裂與損傷力學(xué)分析得知，由于開(kāi)挖卸載以及水的侵蝕，層面或軟弱夾層中出現(xiàn)空隙(類(lèi)似裂紋)，水的侵入降低了紋面的正壓力，對(duì)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子產(chǎn)生影響。

4) 孔隙水壓力的“楔入”作用推動(dòng)了層面之間裂隙的發(fā)展，最終導(dǎo)致裂隙貫通。

水的作用主要表現(xiàn)在力學(xué)作用以及侵蝕作用方面。因此，石塘隧道地下水的作用改變了巖層的力學(xué)性質(zhì)，弱化了層面之間的粘結(jié)，同時(shí)改變了各層的受力形式。

4.2爆破振動(dòng)影響

1) 隧道工程處于近水平巖層，巖體性質(zhì)表現(xiàn)為豎向各向異性。石塘隧道開(kāi)挖爆破過(guò)程中，引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。在隧道拱頂位置，受開(kāi)挖臨空面影響，拱頂豎向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大。且由于爆心距不同，導(dǎo)致各層之間的質(zhì)點(diǎn)振速不同，從而容易導(dǎo)致拱頂各層面之間出現(xiàn)裂隙。而裂隙在爆破振動(dòng)動(dòng)荷載作用下繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致層面離層。

2) 爆破震動(dòng)容易導(dǎo)致巖體中產(chǎn)生裂紋，包括水平和豎向裂紋。

3) 由于水平巖層的構(gòu)造特點(diǎn)，隧道開(kāi)挖爆破振動(dòng)容易造成拱頂出現(xiàn)平拱現(xiàn)象，在拱頂位置出現(xiàn)超挖，致使隧道拱頂各層巖層受力呈現(xiàn)板式受力形式。由于拱頂出現(xiàn)超挖，回填時(shí)便很難保證密實(shí)，會(huì)導(dǎo)致圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸不密實(shí)、圍巖與支護(hù)處于點(diǎn)接觸狀態(tài)、隧道拱頂處壓力增大，致使拱頂受力不利，從而容易造成拱頂彎矩超限。

4) 在爆破震動(dòng)影響下，圍巖巖體會(huì)出現(xiàn)各種裂縫。由于地下水補(bǔ)給，裂隙中充滿(mǎn)水，一旦炸藥爆炸后，高壓爆生氣體會(huì)推動(dòng)裂隙水形成“水楔”作用。其擠壓裂隙，致使裂隙擴(kuò)展、貫通。

4.3施工開(kāi)挖影響

隧道開(kāi)挖改變了原巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。隨著掌子面往前推進(jìn)，隧道空間受力受到掌子面推進(jìn)的影響。石塘隧道開(kāi)挖屬于雙向掘進(jìn)隧道，在隧道最終貫通處，由于支撐突然消失，其原本承擔(dān)的荷載立刻分擔(dān)給周?chē)鷰r體，致使巖層應(yīng)力突然增大，從而導(dǎo)致變形增大。

5結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬并結(jié)合工程實(shí)際，分析了石塘隧道貫通前后的受力特點(diǎn)和隧道塌方的原因，得到如下主要結(jié)論。

1) 隧道開(kāi)挖貫通過(guò)程中，拱頂水平方向位移較小，可以忽略不計(jì)。拱頂位移變化趨勢(shì)為：隧道掌子面接近某一斷面時(shí)，斷面處拱部下沉小幅增加；掌子面正好開(kāi)挖至該斷面時(shí)，豎向位移增量最大；掌子面繼續(xù)往前推進(jìn)時(shí)，隧道拱頂繼續(xù)沉降，但增量較小，最終趨于平緩。隧道底板存在向上隆起的趨勢(shì)。

2) 隧道開(kāi)挖過(guò)程中，拱頂X方向壓應(yīng)力表現(xiàn)為增大，水平擠壓隧道拱頂；而隧道左右拱腰處出現(xiàn)為X方向壓應(yīng)力降低；在隧道拱底也表現(xiàn)為壓應(yīng)力下降，而拱腳處出現(xiàn)X方向應(yīng)力集中。開(kāi)挖導(dǎo)致拱頂Y方向應(yīng)力降低，表現(xiàn)為拉應(yīng)力；拱腳處表現(xiàn)為壓應(yīng)力增加，應(yīng)力集中。

3) 由于石塘隧道為近水平巖層隧道，加上隧道爆破振動(dòng)的影響，故在拱頂以及隧道拱腰處最容易出現(xiàn)失穩(wěn)及超挖現(xiàn)象；而隧道邊墻位置相對(duì)較為穩(wěn)定，容易造成欠挖現(xiàn)象。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Stress Mechanism of Tunnel Through Section in Flat Rock Strata

MA Long, LU Jinbiao, GAO Hua

Abstract:This paper establishes a 3D model of excavation of the tunnel through section by means of the ANSYS software, based on the actual tunnel collapse examples in the method combining theoretical analysis and numerical analysis, analyzes the stress and deformation rules of wall rocks and supporting structures of tunnel in flat rock strata during construction, and meanwhile deeply analyzes the mechanical mechanism produced by collapse of tunnel through section and influence factors such as underground water, blasting vibration, spatial effect and construction, etc. The research results can provide a reference for on-site judgment of reasons of tunnel through collapse and prediction of collapse, etc. of deep-buried tunnels.

Key words:tunnel, flat rock strata; through section; deformation; collapse mechanism

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0087-06

中圖分類(lèi)號(hào)：U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：馬龍(1978-)，男，四川省南充市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-09-15

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.020