周瀟朗，張常亮，喬朋騰

(長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隧道建設(shè)打破了巖體天然應(yīng)力的平衡狀態(tài)，這種不平衡的應(yīng)力會通過隧道圍巖的卸荷回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)二者的綜合作用超過了圍巖強(qiáng)度所能承受的范圍時(shí)，圍巖就會產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，給隧道施工和維護(hù)帶來危害。在隧道設(shè)計(jì)前開展圍巖應(yīng)力變化研究，將直接影響隧道襯砌方式和施工工藝的選擇及其所帶來的造價(jià)和圍巖穩(wěn)定性。因此，開展隧道圍巖穩(wěn)定性研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，隧道圍巖穩(wěn)定性研究主要有定性分析和定量分析兩大途徑。定性分析主要有經(jīng)驗(yàn)類比法、巖體結(jié)構(gòu)分析法等，這些方法以圍巖自身的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系來定性分析圍巖穩(wěn)定性以及劃分圍巖類別，但是不能提供設(shè)計(jì)所需的具體應(yīng)力值[1-4]；定量分析主要包含解析法[5-6]、極限分析法[7-9]和數(shù)值模擬法[10-14]等技術(shù)手段，針對簡單的圍巖，可通過模型上的概化，利用解析法和極限分析法獲得較為理想的結(jié)果，但是當(dāng)圍巖總類較多，相互組合關(guān)系比較復(fù)雜時(shí)，這兩種方法就無法很好地與實(shí)際相契合，而數(shù)值模擬法則具有更加明顯的優(yōu)勢[15-16]。隧道圍巖分析中常用數(shù)值模擬法主要有邊界元法、離散元法和有限元法3種[17]。英國學(xué)者Nikadat等總結(jié)提出的邊界元法對常系數(shù)和線彈性模型問題有較為完善的解決體系，但其受限于方程求解的不確定性，且難以處理幾何非線性問題[18]；離散元法常用于非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值分析，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面切割的圍巖應(yīng)力和位移的計(jì)算，但其計(jì)算單元假定為剛體，無法考慮單元自身應(yīng)變，這與實(shí)際存在一定差異，此外，沒有形成貫通節(jié)理面的巖層也有較大的誤差[19]；有限元法綜合巖體自身的特性，如非連續(xù)、非均質(zhì)等，在一定地質(zhì)環(huán)境和地應(yīng)力下，可以近似得出應(yīng)力-應(yīng)變分布，此外，其發(fā)展時(shí)間長，理論基礎(chǔ)完善，且模型構(gòu)建相對簡單，尤其是三維模型更有優(yōu)勢，使其在工程地質(zhì)條件相對復(fù)雜的隧道圍巖分析中應(yīng)用廣泛[20-21]。

本文以陜西省石泉縣喜河經(jīng)熨斗至后柳改建公路(簡稱“喜河—后柳改建公路”)的擬建隧道為研究對象，利用MIDAS/GTS軟件，根據(jù)擬建隧道的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等資料構(gòu)建與實(shí)際相似的三維數(shù)值模型，模擬單向全斷面開挖的施工工況，探究隧道施工時(shí)圍巖的應(yīng)力分布特征及變化規(guī)律，為隧道的設(shè)計(jì)與施工決策提供技術(shù)方法和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建隧道屬于陜西省石泉縣喜河—后柳改建公路中的重要部分，位于石泉縣樹林村以南，北接樹林村小橋。該隧道為單洞式隧道，設(shè)計(jì)總長1 170 m，總體呈SN向，隧道中間部分為直線，兩端洞口部分為圓弧狀，其曲率半徑較大，從隧道起點(diǎn)(K4+560)向隧道終點(diǎn)(K5+730)整體高程逐漸下降，兩個(gè)洞口之間的高差為32 m，總體坡度近似為0°，設(shè)計(jì)斷面凈寬為11 m，凈高為10 m，隧道單洞跨度為12 m，隧道最大埋深為193 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建隧道位于狹窄分水嶺區(qū)，地面起伏明顯，地層巖性變化較大[圖1(a)]。地表出露大部分為松散巖體，主要為第四系全新統(tǒng)坡積物粉質(zhì)黏土以及強(qiáng)風(fēng)化的巖層；之下主要為中風(fēng)化和微風(fēng)化綠泥石石英片巖和碳質(zhì)石英片巖互層；再下為微風(fēng)化石灰?guī)r；最底層為微風(fēng)化碳質(zhì)石英片巖[圖1(b)]。在分水嶺至隧道終點(diǎn)附近有大范圍侵入巖，在噴出過程中抬升了上部巖層，導(dǎo)致了分水嶺后的部分地層因剝蝕風(fēng)化而缺失上部片巖，破壞了原本地層結(jié)構(gòu)，改變了初始應(yīng)力場。經(jīng)勘察后，確定了隧道圍巖等級：強(qiáng)風(fēng)化巖層為Ⅴ級；中風(fēng)化巖層為Ⅳ級；微風(fēng)化巖層為Ⅲ級；斷層部分的圍巖等級做降級處理。

圖1 陜西省石泉縣喜河—后柳改建公路隧道地層巖性概況Fig.1 Tunnel Strata Lithology of Xihe-Houliu Rebuild Highway in Shiquan County of Shaanxi Province

隧道起點(diǎn)到分水嶺之間的區(qū)域性大斷裂對該區(qū)域的工程地質(zhì)環(huán)境造成一定影響。擬建隧道斷層為正斷層，帶寬幾十米，傾向SW10°，傾角65°，與兩側(cè)地層大角度相交，局部有邊界內(nèi)小斷層發(fā)育，使原本較大的斷層帶內(nèi)地質(zhì)情況更加復(fù)雜。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，地下水以基巖風(fēng)化裂隙水為主。

在地層巖性變化大、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域范圍內(nèi)，想要全面把握隧道內(nèi)全部圍巖狀態(tài)，在實(shí)際工程中有難度，可能會造成隧道圍巖穩(wěn)定性判定產(chǎn)生遺漏。為了對大范圍內(nèi)的圍巖有全面認(rèn)識，把握其關(guān)鍵變化點(diǎn)，據(jù)此做出數(shù)值模擬分析。

2 隧道有限元模型建立

2.1 本構(gòu)模型

根據(jù)軟件對隧道圍巖巖性的適用條件、材料模型采用理想彈塑性模型，以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則(M-C準(zhǔn)則)為破壞條件。彈塑性本構(gòu)關(guān)系的增量表達(dá)式為[22]

(1)

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則彈塑性模型屈服函數(shù)的表達(dá)式為[23]

基于云平臺的洛溪大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用…………………………………………… 李真興，王身寧（6-129）

(2)

式中：F為屈服函數(shù)；σ1為第一主應(yīng)力；σ3為第三主應(yīng)力；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 參數(shù)選取

擬建隧道地層巖性復(fù)雜多變，給建模帶來很大困難，故對于隧道沒有直接穿越地層，而是綜合考慮其重度以及巖性先進(jìn)行簡化處理。擬建隧道內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化巖層較薄，綜合考慮后，將強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層統(tǒng)一簡化為相應(yīng)中風(fēng)化巖層；片巖中互層較多，成分略有不同，分層時(shí)概化為同一巖性。概化后的巖層及其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 模型建立

根據(jù)地下洞室開挖理論中應(yīng)力數(shù)值分布規(guī)律和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為地下洞室開挖引起的圍巖重分布應(yīng)力影響范圍在6倍隧道半徑內(nèi)，在該范圍外不受開挖影響。出于保守考慮，本文取8倍隧道半徑，其最大半徑為9 m，故該模型的尺寸為1 170 m×150 m，隧道底距模型底部距離取72 m，頂面以實(shí)際的高程數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。模型尺寸遠(yuǎn)大于隧道圍巖重分布應(yīng)力影響范圍，即除了地面以外5個(gè)面的應(yīng)力和應(yīng)變均不受隧道開挖影響。因此，將地面定義為自由位移邊界，其余5個(gè)面為固定位移邊界。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Model

模型建立采用四面體單元格進(jìn)行劃分，整個(gè)計(jì)算模型共劃分為334 319個(gè)單元、58 368個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元格劃分三維模型見圖2。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格Fig.2 Grids of Numerical Model

擬建隧道內(nèi)的歷史構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，水平構(gòu)造應(yīng)力較大。綜合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]和《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[25]中關(guān)于構(gòu)造應(yīng)力的相關(guān)內(nèi)容，x軸方向的側(cè)壓力系數(shù)(K0x)和y軸方向的側(cè)壓力系數(shù)(K0y)分別為1.0和0.8，據(jù)此建立其初始應(yīng)力場。

3 隧道開挖的有限元分析

3.1 施工工況

隧道采用全斷面開挖施工，其軟件實(shí)現(xiàn)主要是通過MIDAS/GTS軟件對隧道網(wǎng)格的鈍化或者激活來模擬具體施工過程。在實(shí)際開挖時(shí)采用單項(xiàng)全斷面開挖施工，開挖最大進(jìn)尺為5 m?？紤]到本構(gòu)模型的尺寸較大，為了方便計(jì)算，將模擬開挖進(jìn)尺擴(kuò)大為20 m，從隧道一側(cè)鈍化隧道網(wǎng)格，模擬單向全斷面開挖施工工況。

3.2 模擬結(jié)果分析

為研究隧道橫向應(yīng)力，選取較為典型的縱斷面為研究對象，提取其上的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從應(yīng)力分布曲線[圖3(c)]上可看出：在垂直方向上，遠(yuǎn)離洞口的圍巖最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值較小，更加穩(wěn)定；反之，其比值較大，相對不穩(wěn)定。這反映了洞口應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，中風(fēng)化綠泥石石英片巖和斷層的最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力比值更大。從圍巖應(yīng)力云圖[圖3(a)、(b)]可以看出，隧道頂部的圍巖最大主應(yīng)力較其他部分小，而最小主應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)巖體的破壞準(zhǔn)則，最小主應(yīng)力越大，其理論最大主應(yīng)力就越大；當(dāng)理論最大主應(yīng)力超過實(shí)際最大主應(yīng)力時(shí)，圍巖就產(chǎn)生了破壞。據(jù)此選取隧道頂部為圍巖應(yīng)力分析對象，進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖3 圍巖應(yīng)力云圖及其分布Fig.3 Nephograms and Their Distribution of Surrounding Rock Stress

研究縱向應(yīng)力，以頂部為對象，每隔5 m提取其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力數(shù)據(jù)，將最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力沿坐標(biāo)軸方向展示，了解其縱向應(yīng)力分布[圖4(c)]。根據(jù)主應(yīng)力表示的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則強(qiáng)度公式做出實(shí)際最大主應(yīng)力和理論計(jì)算的最大主應(yīng)力曲線，通過對比實(shí)際最大主應(yīng)力和理論計(jì)算的最大主應(yīng)力來判定相應(yīng)地層圍巖穩(wěn)定性。從開挖應(yīng)力云圖及其分布(圖4)可以看出，在開挖支護(hù)穩(wěn)定后，隧道大部分圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有局部圍巖失穩(wěn)。

圖4 開挖應(yīng)力云圖及其分布Fig.4 Nephograms and Their Distribution of Excavation Stress

中風(fēng)化綠泥石石英片巖的局部[圖5(a)]和斷層帶[圖5(b)]在開挖前自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力經(jīng)過長期的自我平衡，各巖層基本處于穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，但也十分接近臨界狀態(tài)；在開挖時(shí)，受開挖影響的中風(fēng)化綠泥石石英片巖初始應(yīng)力被破壞，重分布應(yīng)力大都處于破壞的應(yīng)力狀態(tài)。微風(fēng)化綠泥石石英片巖[圖5(c)]、微風(fēng)化石灰?guī)r[圖5(d)]以及微風(fēng)化閃長巖[圖5(f)]在開挖前的自重應(yīng)力下基本處于穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)；在開挖時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)向不穩(wěn)定方向發(fā)展，但除了局部受開挖影響，其重分布應(yīng)力大都處于破壞的應(yīng)力狀態(tài)外，大部分較為穩(wěn)定。微風(fēng)化碳質(zhì)石英片巖[圖5(e)]無論是開挖前的自重應(yīng)力，還是開挖時(shí)的重分布應(yīng)力，微風(fēng)化碳質(zhì)石英片巖始終處于穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 主應(yīng)力曲線Fig.5 Curves of Principal Stress

綜上所述，在天然應(yīng)力狀態(tài)下更加接近于臨界狀態(tài)的中風(fēng)化綠泥石石英片巖和斷層帶在開挖時(shí)更容易達(dá)到破壞應(yīng)力狀態(tài)；在天然應(yīng)力狀態(tài)下更穩(wěn)定的微風(fēng)化綠泥石石英片巖、微風(fēng)化石灰?guī)r、微風(fēng)化閃長巖在開挖時(shí)較為穩(wěn)定，只有局部破壞；微風(fēng)化碳質(zhì)石英片巖在開挖前后都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 監(jiān)測結(jié)果對比

該擬建隧道尚未施工，暫無法獲得隧道開挖后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過參考其他工程數(shù)據(jù)(圖6)[26]可以看出，中風(fēng)化綠泥石石英片巖開挖后被破壞，其他巖層較為安全，數(shù)值模擬結(jié)果有一定參考價(jià)值。

1為中風(fēng)化綠泥石石英片巖；2為微風(fēng)化綠泥石石英片巖；3為微風(fēng)化碳質(zhì)石英片巖；4為微風(fēng)化石灰?guī)r；5為微風(fēng)化閃長巖圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring Data

4 結(jié) 語

(1)隧道開挖會顯著改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，在本模型中具體表現(xiàn)為：開挖的隧道會表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其對隧道頂部圍巖穩(wěn)定性影響最大。

(2)在較為不利的物理力學(xué)參數(shù)組合中，通過對隧道頂部圍巖應(yīng)力分析可以看出：單向隧道開挖未支護(hù)時(shí)，中風(fēng)化綠泥石石英片巖和斷層帶都出現(xiàn)失穩(wěn)，實(shí)際施工過程中，一定要針對此做好應(yīng)對措施；微風(fēng)化的巖層(包括綠泥石石英片巖、石灰?guī)r和閃長巖)只會在局部出現(xiàn)失穩(wěn)；而微風(fēng)化碳質(zhì)石英片巖開挖后仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)利用地層產(chǎn)狀、地面高程和巖層物理力學(xué)參數(shù)等數(shù)據(jù)，通過MIDAS/GTS軟件，可以實(shí)現(xiàn)對隧道開挖引起的圍巖重分布應(yīng)力的模擬，根據(jù)一定的屈服理論，可以對隧道圍巖的穩(wěn)定性做出定性評價(jià)。模型建立所涉及的范圍較大，本文選取相對較不利的參數(shù)，并不能完全模擬實(shí)際工程地質(zhì)條件和應(yīng)力場，會有一定誤差。因此，數(shù)值模擬必須以獲取足夠數(shù)據(jù)并達(dá)到建立與實(shí)際較為吻合的模型為前提，才能更加廣泛地應(yīng)用。