劉 寧，姚冠兵

(青海省公路科研勘測設(shè)計院，青海 西寧 810000)

隧道工程

基于離散元理論的風(fēng)積沙隧道無加固措施時隧洞破損狀態(tài)模擬

劉 寧，姚冠兵

(青海省公路科研勘測設(shè)計院，青海 西寧 810000)

依托青海省茶卡至格爾木段公路改擴(kuò)建工程脫土山隧道工程，利用離散元軟件UDEC對無任何加固措施下風(fēng)積沙地層中開挖隧道后圍巖的變形、破壞狀態(tài)進(jìn)行模擬。

風(fēng)積沙隧道；離散元理論；圍巖變形

1 離散元法基本理論

離散元法假設(shè)介質(zhì)是離散塊體的集合，因此單個塊體不會受到相鄰塊體變形協(xié)調(diào)的約束作用，而只需滿足單個塊體的平衡方程。如圖1所示，若塊體受到四周相接觸的單元作用的一組力Fxi，F(xiàn)yi(i=1-5，未考慮重力)。然后將單元所受到的力移動到重心處通過計算就得到合力矩M和合力F，根據(jù)F=ma和M=Iθ″在該組力的作用下塊體開始運(yùn)動，同時在運(yùn)動過程中相鄰塊體還不斷作用給該塊體新的作用力。

圖1 塊體上的集合及作用在部分塊體上的力

假設(shè)塊體相互間的法向力與法向“疊合”成正比，即

Fn=knun

(1)

式中：kn為法向剛度系數(shù)。

圖2 離散單元之間的作用力

在“疊合”的基礎(chǔ)上再乘以上比例系數(shù)便得到法向力。在兩個離散塊體的邊界“疊合”時(上圖b)，有兩個角點(diǎn)在邊界上接觸，則可用界面兩端的力替換該邊界上的力。

2 工程概況

茶卡至格爾木段公路改擴(kuò)建工程脫土山隧道為直線短隧道，隧道沿線圍巖質(zhì)量總體較差，圍巖級別為Ⅳ～Ⅵ級，且左線進(jìn)口、左右線出口為風(fēng)積沙，洞頂風(fēng)積沙覆蓋層厚度為4～26 m不等，且左線出口段150 m范圍內(nèi)洞底也為風(fēng)積沙，洞口處洞底風(fēng)積沙厚度達(dá)25 m。

根據(jù)脫土山隧道的相關(guān)地勘資料以及初步設(shè)計資料，結(jié)合其他地區(qū)類似的工程經(jīng)驗(yàn)和《巖土工程勘察設(shè)計手冊》選取數(shù)值計算的材料參數(shù)如表1～表2。

表1 地層力學(xué)參數(shù)

表2 C25噴射混凝土力學(xué)參數(shù)

3 風(fēng)積沙隧道施工模擬

3.1 計算模型

選取左線出口ZK2476+730處斷面計算斷面，根據(jù)地質(zhì)資料建立如圖3所示的數(shù)值計算模型，為二維的平面應(yīng)變模型，尺寸為80 m×60 m，隧道埋深10 m，洞壁距離模型邊界約4倍隧洞跨度。如圖中所示，模型上部的風(fēng)積沙地層用間距0.5 m、傾角±45°的貫通節(jié)理形成的密集變形塊體模擬；下部為地層性質(zhì)較好的石英片巖混合地層。

圖3 風(fēng)積沙隧道計算模型圖

3.2 結(jié)果分析

(1)毛洞狀態(tài)

采用二臺階法施工，在形成地應(yīng)力平衡狀態(tài)后進(jìn)行開挖并暫不施作支護(hù)，觀察洞周的變形特征?？紤]到無加固措施下風(fēng)積沙地層開挖洞室后應(yīng)力釋放較快，因此僅計算上臺階開挖后的圍巖變形響應(yīng)。

圖4為上臺階開挖后不同計算時步下毛洞的變形特征，圖中節(jié)理呈藍(lán)色時表示該節(jié)理所受剪切力已超過其抗剪強(qiáng)度，即節(jié)理開始滑移，節(jié)理呈紅色時表示該處節(jié)理的法向力等于0，即節(jié)理已經(jīng)張開，塊體開始脫落分離。由圖中可看出上臺階開挖后不久(僅200時步)洞壁附近塊體便開始滑移，并向上擴(kuò)展，延伸至地面，引起洞頂上方整個地層向下塌落，無法形成塌落拱。洞壁掉塊始于拱頂和拱肩處，也是塊體擠壓最嚴(yán)重的部位。

圖4 毛洞狀態(tài)下圍巖隨時間的變形特征

從圖5中的拱頂和拱肩豎向位移曲線圖也可知從開挖到整個洞室坍塌，圍巖不僅未曾穩(wěn)定，其位移速率還逐漸增大，直至洞室最終坍塌。

圖5 毛洞狀態(tài)下拱頂、拱肩的豎向位移曲線

(2)施作初期支護(hù)

由3.2.1節(jié)分析可知，風(fēng)積沙地層中隧道開挖后洞室完全沒有自穩(wěn)能力，無法成洞，為此本節(jié)將探討在支護(hù)作用下洞室的穩(wěn)定情況。

分別采用10%、20%、30%、40%的應(yīng)力釋放率后，施作30 cm厚C25噴射混凝土，計算之后發(fā)現(xiàn)，不論在何時施作支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)最終都將隨圍巖一起變形并破壞，隧洞仍然無法成形，且各應(yīng)力釋放率下的破壞狀態(tài)基本一致，此處僅部分工況計算到一定時步時的洞室狀態(tài)圖(圖6)，可看出二臺階法下隧道主要會從左側(cè)或者右側(cè)拱肩部位開始破壞，直到整個拱部圍巖坍塌。

由于本節(jié)采用的襯砌結(jié)構(gòu)單元只能發(fā)生屈服而不能產(chǎn)生斷裂破壞，因此實(shí)際工程中的圍巖及結(jié)構(gòu)破壞應(yīng)比此次數(shù)值模擬中的更加嚴(yán)重。

圖6 不同應(yīng)力釋放率下支護(hù)后隧道破壞狀態(tài)

4 結(jié) 論

(1)離散元理論軟件UDEC對風(fēng)積沙地層結(jié)構(gòu)松散、粘聚力低等特點(diǎn)的模擬效果較好，通過計算可以直觀、準(zhǔn)確地模擬出風(fēng)積沙地層中開挖隧道后圍巖的變形狀態(tài)。

(2)在風(fēng)積沙地層中采用二臺階法開挖隧道時，上臺階開挖后不久洞壁附近塊體便開始滑移，并向上擴(kuò)展，延伸至地面，引起洞頂上方整個地層向下塌落，無法形成塌落拱。洞壁掉塊始于拱頂和拱肩處，也是塊體擠壓最嚴(yán)重的部位。

(3)在無任何加固措施下，即使在開挖后立即施作支護(hù)仍然不能控制圍巖的變形，最終形成坍塌，因此在風(fēng)積沙地層開挖隧道必須考慮預(yù)加固措施。

[1] 牟獻(xiàn)友, 谷攀. 國內(nèi)風(fēng)積沙工程特性研究綜述[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2010, 31(1):307-310.

[2] 金翔. 基于UDEC的巖石接力滲流與強(qiáng)度數(shù)值模擬研究[D]. 西安理工大學(xué), 2014.

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2016-12-11

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