鄒 浩

(湖北省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡 438000)

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隧道工程

偏壓隧道大變形對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)敏感性分析

鄒 浩

(湖北省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡 438000)

片巖偏壓隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生大量大變形問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。為了給隧道圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)設(shè)計(jì)提供必要的圍巖力學(xué)參數(shù)選取依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法，研究了隧道變形對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角)的敏感性。

片巖；隧道偏壓；大變形；敏感性分析

1 引 言

大變形是隧道工程開(kāi)挖中常見(jiàn)問(wèn)題之一。鄂西地區(qū)武當(dāng)群片巖廣泛分布，由于片巖各向異性特性明顯，力學(xué)性質(zhì)較差，且山體起伏程度較大，這樣的片巖偏壓隧道中大變形問(wèn)題尤為突出。因此，有必要深入研究變質(zhì)軟巖隧道大變形機(jī)理。

受試驗(yàn)條件及試驗(yàn)成本等因素的制約，室內(nèi)物理模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)等方法均具有較大的局限性。數(shù)值模擬方法具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，在隧道工程穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，數(shù)值模擬方法也受到一些因素的制約，如：巖體材料力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確與否直接決定了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的好壞，室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的力學(xué)參數(shù)可能存在誤差，這種誤差直接導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重失真。因此，有必要對(duì)變形影響因子進(jìn)行敏感性分析，找出敏感因子，以提高數(shù)值分析的可靠性。

針對(duì)圍巖變形影響因素敏感性分析，許多學(xué)者開(kāi)展了研究。侯哲生等利用有限元法研究了某礦巷道變形對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的敏感性；黃書(shū)嶺等針對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)敏感性分析單指標(biāo)方法的局限性，提出了基于敏感度熵權(quán)的屬性識(shí)別綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞變形進(jìn)行了圍巖力學(xué)參數(shù)敏感性分析；夏元友采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究了邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性；王者超在室內(nèi)三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了花崗巖地層大型不襯砌地下水封石油洞庫(kù)圍巖完整性參數(shù)的敏感性；王長(zhǎng)柏等采用解析法對(duì)南水北調(diào)西線(xiàn)1期工程3#引水隧道圍巖及襯砌的力學(xué)參數(shù)開(kāi)展了動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)敏感性分析；劉寧等；杜玉東等采用Monte-Carlo隨機(jī)有限元理論研究了圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)變形收斂的影響程度；許建聰?shù)炔捎脤哟畏治龇?，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)影響水下隧道裂隙圍巖滲流控制的主要因素進(jìn)行了敏感性分析。

綜上，目前針對(duì)地下工程巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)變形的敏感性分析主要集中在采礦巷道、水電工程地下洞室等工程，而對(duì)軟巖隧道大變形對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的敏感性研究較少。本文以鄂西十房高速通省隧道為例，采用數(shù)值模擬方法研究隧道大變形對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的敏感性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和指導(dǎo)。

2 工程概況

在建的十房高速位于鄂西北地區(qū)，在區(qū)域上處于秦嶺、南陽(yáng)盆地、大巴山三大地貌之間，跨越武當(dāng)山山系。隧道區(qū)域主要發(fā)育有元古界武當(dāng)群(Pt2w)片巖。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查跟鉆孔資料可以看出，武當(dāng)群片巖主要為深灰色，成巖礦物以石英、云母為主，各向異性明顯。具體表現(xiàn)為，沿片理面方向，巖石的工程性質(zhì)較差，強(qiáng)度低，易與水等外界因素發(fā)生共同作用使得巖石軟化、泥化。并且受到這些不穩(wěn)定因素的影響，在整個(gè)隧道的工程建設(shè)過(guò)程中，隧道圍巖都不同程度的出現(xiàn)了大變形、支護(hù)失穩(wěn)等現(xiàn)象，不僅影響了工程進(jìn)度，導(dǎo)致項(xiàng)目無(wú)法按照既定時(shí)間竣工，而且造成了重大經(jīng)濟(jì)損失跟人員傷亡，應(yīng)當(dāng)加以重視。

3 參數(shù)敏感性數(shù)值計(jì)算

3.1 模型及參數(shù)

本文采用FLAC-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。隧道為雙洞分離式隧道，洞室軸距48.6 m，左右兩側(cè)洞室埋深分別為109 m、122 m。為減小邊界效應(yīng)的影響，水平方向距離取260.0 m。對(duì)X=0以及X=260 m邊界上約束水平方向位移，模型底部為固定約束，地表為自由邊界。

圖1 數(shù)值模型

本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算方案

為分析彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)隧道圍巖變形的影響程度大小，分別令各力學(xué)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，保持其他參數(shù)保持不變，計(jì)算各工況下洞室頂部位移及大變形一側(cè)洞腰位移，進(jìn)而得到各參數(shù)對(duì)圍巖變形的敏感性程度。各力學(xué)參數(shù)的變化范圍見(jiàn)表2。

表2 力學(xué)參數(shù)變化范圍

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，各工況下隧道大變形主要發(fā)生在洞頂和各洞左側(cè)邊墻，因此主要監(jiān)測(cè)兩個(gè)隧道洞頂和左側(cè)邊墻的位移。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 彈性模量

彈性模量E在1 000～10 000 MPa之間由小到大變化時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與彈性模量之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與E關(guān)系

由圖2可知，隨著彈性模量E增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移和水平位移均呈負(fù)指數(shù)減小，且E在1GPa～3GPa之間變化時(shí)相應(yīng)的位移增量變化幅度較大，當(dāng)E>3GPa時(shí)，位移變化幅度不明顯。整體而言，位移對(duì)彈性模量的敏感程度較高，且垂直、水平位移對(duì)彈性模量的敏感程度十分接近。

4.2 泊松比

泊松比μ在0.25～0.45之間由小到大變化時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移位移與泊松比之間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著泊松比μ增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移呈拋物線(xiàn)型逐漸減小，水平位移呈直線(xiàn)型逐漸增大?？梢?jiàn)，泊松比的變化對(duì)隧道斷面垂直方向和水平方向位移的影響截然不同。整體而言，垂直位移對(duì)泊松比的敏感性較低，水平位移對(duì)泊松比的敏感性較高。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與μ關(guān)系

4.3 內(nèi)聚力

內(nèi)聚力c在0.2～0.5 MPa之間由小到大變化時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與內(nèi)聚力之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

由圖4可知，隨著內(nèi)聚力c增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移近似線(xiàn)性減小。可見(jiàn)，內(nèi)聚力的變化對(duì)隧道斷面垂直方向和水平方向位移的影響基本一致。整體而言，隧道圍巖變形對(duì)內(nèi)聚力的敏感度較低。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與c關(guān)系

4.4 內(nèi)摩擦角

內(nèi)摩擦角φ在20～40°之間由小到大變化時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與φ關(guān)系

由圖4可知，隨著內(nèi)摩擦角φ增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化無(wú)明顯規(guī)律。其中，左洞腰垂直位移隨內(nèi)摩擦角增大而呈拋物線(xiàn)形增大，右洞頂水平位移隨內(nèi)摩擦角增大而先增大后減小，其他情況下位移均無(wú)明顯變化?？梢?jiàn)，僅右側(cè)洞腰的垂直位移和右側(cè)洞頂?shù)乃轿灰茖?duì)內(nèi)摩擦角的變化較敏感。

4.5 力學(xué)參數(shù)敏感性評(píng)價(jià)

針對(duì)變量進(jìn)行的敏感性分析過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是求解敏感系數(shù)η的過(guò)程。敏感系數(shù)可以定義為輸出結(jié)果的變化率跟輸入?yún)?shù)變化率的比值，即為：

(1)

式中：X是輸入的初始值；XL,R是后續(xù)輸入的變化值；而F(x)是所輸入初始值在對(duì)應(yīng)模型中計(jì)算得到的輸出值；F(XL,R)是后續(xù)輸入的變化值在對(duì)應(yīng)模型中計(jì)算得到的輸出值。

根據(jù)公式(1)，分別計(jì)算彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、摩擦角的敏感參數(shù)η的大小，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 圍巖參數(shù)敏感系數(shù)

由上述分析可以得到以下認(rèn)識(shí)：

(1) 整體而言，隧道位移對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的敏感性由高到低依次為：泊松比>摩擦角>彈性模量>內(nèi)聚力。但某些局部表現(xiàn)出不同的規(guī)律，如右洞頂水平方向位移及右洞左腰垂直位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性明顯大于泊松比。

(2) 圍巖變形對(duì)泊松比的敏感性與變形位置及變形方向有較大相關(guān)性。如：右洞左腰的水平位移對(duì)泊松比敏感性最高，敏感系數(shù)為3.48；左洞左腰水平位移次之，為2.00；再次是右洞頂，敏感系數(shù)為1.03；其余敏感系數(shù)均小于1。可見(jiàn)，隧洞左腰的水平位移對(duì)泊松比最為敏感。大體上，在同一位置，水平位移對(duì)泊松比的敏感系數(shù)要遠(yuǎn)高于垂直位移。

(3) 右洞頂水平位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性最高，敏感系數(shù)為2.5；其次是右洞左腰，敏感系數(shù)為1.62；其余各部位變形對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感系數(shù)均小于1。整體而言，右側(cè)隧洞位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性要高于左洞；洞頂水平位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性遠(yuǎn)高于垂直位移，洞腰垂直位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性要遠(yuǎn)高于水平位移。

(4) 所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)彈性模量的敏感性較低，且敏感系數(shù)較為一致，都接近于0.1。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)內(nèi)聚力的敏感性較低，敏感系數(shù)不超過(guò)0.13。

5 結(jié) 論

(1)整體而言，隧道變形對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的敏感性由大到小依次為：泊松比>摩擦角>彈性模量>內(nèi)聚力。

(2)圍巖變形對(duì)泊松比的敏感性與變形位置及變形方向有較大相關(guān)性；相對(duì)而言，隧洞左腰的水平位移對(duì)泊松比最為敏感；大體上，在同一位置，水平位移對(duì)泊松比的敏感性遠(yuǎn)高于垂直位移。

(3)右側(cè)隧洞位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性要高于左洞，洞頂水平位移對(duì)內(nèi)摩擦角的敏感性遠(yuǎn)高于垂直位移，對(duì)洞腰垂直位移的敏感性要遠(yuǎn)高于水平位移。

(4)隧道隧道變形對(duì)片巖力學(xué)參數(shù)的敏感性表現(xiàn)出各向異性特性的主要原因是，片巖屬于典型的層狀巖體，力學(xué)性質(zhì)具有各向異性特征；且隧道圍巖賦存于偏壓的應(yīng)力環(huán)境中，這種不對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力導(dǎo)致圍巖變形表現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。

[1] 侯哲生,李曉, 王思敬, 等. 金川二礦某巷道圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)變形的敏感性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(3):406-410.

[2] 章光, 朱維申. 參數(shù)敏感性分析與試驗(yàn)方案優(yōu)化[J]. 巖土力學(xué), 1993,14(1):51-58.

[3] 朱維申, 何滿(mǎn)潮. 復(fù)雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動(dòng)態(tài)施工力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1996.

[4] 張繼勛, 姜弘道,任旭華. 巖體參數(shù)對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性影響的敏感性分析[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2006,23(2):169-172.

Sensitivity analysis of large deformation of bias chist tunnel to rock mechanical parameters

ZOU Hao

(Third Geological Team of Hubei Geological Bureau, Huanggang, Hubei 438000，China)

There is varies large deformation phenomenon during excavation in bias tunnel, which may seriously affect the progress of project. In order to provide mechanical parameters selecting evidence for stability analysis and reinforcement design, the sensitivity that tunnel deformation to mechanical parameters (elastic modulus, Poisson ratio, cohesion and friction) of surrounding rock mass is analyzed by numerical simulation.

schist; bias tunnel; large deformation; sensitivity analysis

2015-12-07

鄒浩(1983-)，男，湖北公安人，研究方向：巖土體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治。

U451

C

1008-3383(2016)07-0139-03