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        淺析FLAC3D對軟質(zhì)巖隧道的變形與應(yīng)力分布規(guī)律

        2018-08-21 07:11:58核工業(yè)華南建設(shè)工程集團公司生顯偉
        中國公路 2018年14期
        關(guān)鍵詞:下臺階拱頂臺階

        文/核工業(yè)華南建設(shè)工程集團公司 生顯偉

        在濕陷性淺埋、偏壓軟質(zhì)巖隧道施工中,若隧道開挖跨度較大可能會導(dǎo)致隧道掘進過程中發(fā)生拱部土體剝落、局部土體坍塌等現(xiàn)象,安全隱患較大,施工進度受較大制約。本文以某高速公路軟質(zhì)巖隧道為研究對象,通過采用FLAC3D軟件模擬隧道上下臺階法施工過程中的圍巖穩(wěn)定性狀況,得出軟質(zhì)巖隧道圍巖的變形規(guī)律和應(yīng)力分布規(guī)律。

        某高速公路隧道為分離式雙洞隧道,最大斷面169.5m2。隧道進出屬濕陷性淺埋、偏壓軟質(zhì)巖隧道,隧址地表溝壑縱橫,最小埋深僅0.8m。隧道開挖跨度大,土體含水率高,隧道掘進過程中經(jīng)常發(fā)生拱部土體剝落,局部土體坍塌等現(xiàn)象。

        FLAC3D基本原理

        FLAC3D是基于顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)的三維分析軟件,采用通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合巖體結(jié)構(gòu),進而研究三維巖體結(jié)構(gòu)的受力特性,準確地模擬材料的塑性破壞和流動分析。FLAC3D軟件內(nèi)置Mohr-Coulomb屈服準則模擬開挖圍巖的應(yīng)力和位移變化,模擬步驟劃分為網(wǎng)格劃分;模型定型、參數(shù)賦值;初始應(yīng)力、邊界條件設(shè)置。

        巖體模型

        初始應(yīng)力場主要由地球引力場和等效荷載構(gòu)成,模型模擬過程中忽略地下水影響,隧道最大埋深、跨度、高分別為95m、16m、10m,左右隧道外輪廓間距23m。隧道兩外側(cè)邊界距離模型外邊界48m,隧道下邊界距模型底邊界20m,模型尺寸如圖1所示。選取里程范圍為K178+080至K178+085段,地下埋深-95m的隧道圍巖為研究對象,X軸、Y軸、Z軸正向分別為隧道右側(cè)、垂直隧道面向里、垂直隧道軸線向上。模型X軸、Y軸計算區(qū)域為150m、5m,此范圍內(nèi)的模型由87800個節(jié)點、75325個單元構(gòu)成。模型左右邊界X方向上的位移為0,前后面邊界Y方向上位移為0,底面邊界上Z方向位移為0,模型上邊界不受約束,三維模型,如圖2所示。

        計算參數(shù)確定

        根據(jù)前期地質(zhì)勘察、相關(guān)材料構(gòu)件與巖石力學(xué)試驗報告,模型內(nèi)各類構(gòu)件與巖土的參數(shù),如表1所示。

        右側(cè)隧道分析

        右側(cè)隧道上臺階位移模擬

        右側(cè)隧道初始開挖階段,隧道中軸線左右兩側(cè)豎向位移呈現(xiàn)對稱分布,位移量較小,拱頂中軸線位置出現(xiàn)17.5mm的豎向位移。拱頂以上至巖體深部位移值越來越小,拱頂上方20m~25m范圍內(nèi)垂直位移較大,平均約10mm。拱低中軸線位置出現(xiàn)19.8mm的最大豎向位移。拱底部以上至巖體深部16m范圍內(nèi)位移較小約6mm,此處的圍巖穩(wěn)定性較差,需加強支護。隧道初始開挖后,隧道中軸線左右兩側(cè)橫向位移呈現(xiàn)對稱分布,拱腳巖壁處向內(nèi)距離0.5m處有最大4.1mm的橫向位移,隨巖體深處延伸橫向位移越來越小。

        圖1 隧道斷面尺寸示意

        圖2 隧道三維模型

        表1 模型參數(shù)

        隧道上臺階開挖支護后,拱頂范圍內(nèi)豎向變形區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢,拱頂中軸線位置的豎向位移增加了0.4mm,但就全區(qū)域而言位移變形量降低;拱低中軸線位置的最大豎向位移減少了0.2mm,橫向最大位移位置無變化,數(shù)值與變形區(qū)域略微減小,表明隧道內(nèi)的初期支護阻止了隧道圍巖的初始大變形。

        右側(cè)隧道上臺階應(yīng)力模擬

        由于隧道開挖干擾了原巖應(yīng)力,使得拱頂和拱底應(yīng)力釋放此時隧道拱頂和拱底壓應(yīng)力為約0.2MPa~0.6MPa。但隧道開挖造成拱腳處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象,此處的應(yīng)力值達到3.1MPa~4.2MPa,大于圍巖的抗壓強度,此處易發(fā)生圍巖破壞,須加強支護。拱腰左右兩側(cè)一定范圍內(nèi),出現(xiàn)了范圍在0.1MPa~0.3MPa的較大拉應(yīng)力區(qū)域,但小于巖體的抗拉強度,拱腰處巖土此時處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        初支后,隧道拱腳處壓應(yīng)力的集中現(xiàn)象未減弱,支護區(qū)的拉應(yīng)力范圍與最大值均增大,表明支護后引起隧道巖壁拉應(yīng)力值與范圍的持續(xù)擴大。

        右隧道下臺階位移模擬

        右隧道下臺階開挖未支護,拱頂區(qū)臨空面最大豎向位移值增大為18.3mm,下沉影響的范圍大于上臺階開挖時期。較大沉降區(qū)域平均約15mm,范圍未發(fā)生明顯變化。拱腰區(qū)域垂直向上最大位移數(shù)值減小為17.1mm。下臺階施工開挖后,拱腳最大橫向位移增加到4.4mm。右隧道下臺階開挖支護后,拱頂區(qū)域豎向變形區(qū)持續(xù)增大,最大豎向位移增加到18.5mm;拱底圍巖隆起減為17.5mm;橫向最大變形位置未轉(zhuǎn)移。

        右隧道下臺階應(yīng)力模擬

        右線隧道下臺階開挖后未加支護措施時隧道拱頂和拱底壓應(yīng)力、拱腳區(qū)域壓應(yīng)力值總體情況和上臺階施工后相似,但數(shù)值增大。下臺階開挖支護后隧道拱腳處的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象持續(xù)存在。拉應(yīng)力范圍與值均增大,表明支護起到一定作用。

        左隧道模擬分析

        左隧道上臺階位移分析

        受到右側(cè)隧道影響,左隧道上臺階開挖后,垂直方向位移存在兩種對稱形式。一種是左洞與右洞沿自身中垂面左右對稱,一種是左右兩側(cè)隧道關(guān)于兩洞間中分面大致對稱。隧道拱頂以上出現(xiàn)了約22mm的最大位移,拱頂上方24m范圍內(nèi)的垂直位移平均約為15mm。隧道底部最大垂直向上位移值約18.5mm。左側(cè)隧道受右側(cè)隧道影響,豎向位移相對大。左隧道上臺階開挖后,橫向位移云圖呈現(xiàn)非對稱分布,開挖區(qū)拱腳處的最大橫向位移值約為5.0mm,左側(cè)拱璧圍巖向左側(cè)移動5.0mm。隧道拱頂區(qū)域內(nèi)豎向變形最大值增加了0.1mm,拱底圍巖隆起減少了0.1mm。拱腳處橫向最大位移與左洞右側(cè)變形變化不大。

        左隧道上臺階應(yīng)力分析

        隧道中軸面兩側(cè)的最小主應(yīng)力呈對稱分布,左側(cè)隧道開挖區(qū)拱頂和拱底的壓應(yīng)力較小,約為0.3MPa~0.5MPa。受右側(cè)隧道影響,左側(cè)隧道右側(cè)巖壁壓力分布區(qū)呈現(xiàn)向下轉(zhuǎn)移,壓力值范圍為4MPa~4.5MPa,大于巖石抗壓強度,此處的圍巖穩(wěn)定性差,易破壞。拱腰區(qū)域拉應(yīng)力值達到0.2MPa;在隧洞頂部和底部出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中現(xiàn)象,但拉應(yīng)力值為0.03MPa,小于圍巖體的抗拉強度。

        初支后圍巖拱腳處的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象持續(xù)存在,支護區(qū)拉應(yīng)力范圍擴大,拉應(yīng)力最大值增大到0.15Mpa,支護后圍巖穩(wěn)定性相對改善。

        左隧道下臺階位移分析

        受右側(cè)隧道影響,左側(cè)隧道內(nèi)下臺階開挖后拱頂范圍的臨空面最大垂直位移為22.5mm,拱頂上方25m范圍內(nèi)平均垂直位移約18mm,拱腰區(qū)域兩邊向下位移值比較均勻,最大值約為15mm。拱腳附近最大垂直向上位移值減小為15.5mm,左側(cè)隧道內(nèi)下臺階開挖后,在拱腳內(nèi)壁0.8m的位置出現(xiàn)了最大橫向位移,左側(cè)拱璧圍巖向外側(cè)移動約5.0mm。左側(cè)隧道內(nèi)下臺階開挖經(jīng)過支護后,拱頂區(qū)域豎向變形區(qū)范圍持續(xù)增大,豎向位移的最大值增加到22.5mm。隧道拱底圍巖隆起減少到15.5mm;拱腳處出現(xiàn)了橫向最大變形,此處的橫向位移最大值變化不大。

        左隧道下臺階應(yīng)力分析

        左隧道上臺階開挖未采取支護措施時,拱腳處左右兩側(cè)的壓應(yīng)力比右側(cè)隧道開挖時大3.5MPa,拱底壓應(yīng)力較小。而在上臺階仰拱支護邊緣則出現(xiàn)了較為顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象,壓應(yīng)力約4.75MPa,大于圍巖抗壓強度。上臺階拱頂拉應(yīng)力約0.2MPa。右側(cè)隧道拱腳處的拉應(yīng)力出現(xiàn)顯著集中現(xiàn)象的原因在于,左側(cè)隧道開挖的影響。左側(cè)隧道下臺階開挖初支后,隧道周界圍巖應(yīng)力整體都呈現(xiàn)減小態(tài)勢,拱腳壓應(yīng)力減小為1.25MPa,拱底壓力減小為0.2MPa,下臺階拉應(yīng)力范圍減小,拱頂拉應(yīng)力變大為0.2MPa,拉應(yīng)力集中狀況依舊明顯。

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