胡章新 陳燕華

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

目前有大量學(xué)者對隧道的受力特征[1]、圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)理[2]、治理措施[3]等方面開展了大量的理論研究、數(shù)值模擬和試驗分析。Li Dongliang等通過數(shù)值模擬的方法對偏壓結(jié)構(gòu)受力特征等參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究；在模型試驗方面，雷明鋒等對偏壓隧道破壞及圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了試驗?zāi)M和分析，揭示了隧道圍巖中關(guān)鍵裂縫為淺埋側(cè)的拉伸裂縫，隧道初支形成以拱頂為頂點(diǎn)，以邊坡為底的倒錐形裂縫最終破壞；Sun Lixia等對偏壓隧道的預(yù)加固方案選擇進(jìn)行了研究。但是，在建立數(shù)值模型時往往未考慮真實的地層情況，而是將結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了單一化處理，不能很好的反映隧道圍巖的受力變形特征。

1 工程概況

2 三維數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

近年來，由于1號施工支洞ZK0+000～ZK0+062段出現(xiàn)了襯砌剝落、掉塊等現(xiàn)象，其中ZK0+040斷面附近破壞較為集中，將ZK0+040斷面作為研究的關(guān)鍵斷面。因此采用Flac3D數(shù)值分析軟件對隧道開挖后和開挖后10年的應(yīng)力、應(yīng)變特征進(jìn)行研究。根據(jù)實際的工程地質(zhì)條件，并考慮結(jié)構(gòu)面對隧道的影響，計算模型如圖1所示。通過對實際地質(zhì)塊體情況分析，發(fā)現(xiàn)對隧道影響較大的結(jié)構(gòu)面主要有1個剪切帶(g48)、2個斷層(F140和f17)和4組裂隙(T36，T24，T25和T26)，各結(jié)構(gòu)面與1號施工支洞的位置關(guān)系如圖2所示。為了對隧道開挖后和開挖后10年的應(yīng)力、應(yīng)變特征進(jìn)行研究，三維計算時對未考慮蠕變影響和考慮蠕變影響兩種情況進(jìn)行對比分析。

2.2 三維數(shù)值分析

2.2.1 未考慮蠕變影響

計算采用三維彈塑性(Mohr-Coulomb模型)進(jìn)行分析，計算參數(shù)如表1所示。

表1 模型選取的材料參數(shù)

名稱變形模量/Pa摩擦角/(°)黏聚力/kPa泊松比砂巖5.0×109376000.30灰?guī)r1.5×1010501 0000.25裂隙1.5×10810100.35斷層1.0×109273000.35剪切帶1.5×10812100.35襯砌2.6×1010——0.17

將結(jié)構(gòu)面集中的斷面(ZK0+040)作為關(guān)鍵研究面，對其受力、變形特征進(jìn)行分析，并選取隧道斷面的四個關(guān)鍵點(diǎn)(拱頂、右拱腰、左拱腰、底板)作為研究點(diǎn)。隧道開挖后，研究面的應(yīng)力特征如圖3所示，可以看出ZK0+040斷面拱圈范圍內(nèi)分布了較多的拉應(yīng)力，最大值約為24.63 kPa。從豎向位移云圖可以看出，ZK0+040斷面拱頂豎向位移約為3.05 mm，底板回彈位移約為2.48 mm，左右拱腰位移均較小。整個隧道中變形最大出現(xiàn)在ZK0+040斷面的拱頂，最大位移約為3.05 mm。隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 考慮蠕變影響

采用粘彈塑性CVISC模型(Burgers模型M-C元件串聯(lián)模型)進(jìn)行計算。選取上述關(guān)鍵研究面對1號施工支洞開挖10年后的受力、變形特征進(jìn)行分析。隧道開挖10年后，從圖4中的應(yīng)力分布可以看出，ZK0+040斷面拱頂范圍出現(xiàn)約0.30 MPa的拉應(yīng)力，受剪切帶g48的影響，邊墻兩側(cè)出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力，最大約為6.5 MPa。從豎向位移云圖可以看出，相較于初始變形，10年后ZK0+040斷面的位移均有較為明顯的增加；ZK0+040斷面拱頂下沉約為2.33 cm，底板回彈位移約為1.34 cm，左右拱腰位移均不大。整個隧道中變形最大出現(xiàn)在ZK0+040斷面的拱頂，最大位移約為2.33 cm。該斷面應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

通過以上對比分析可以看出：隧道受結(jié)構(gòu)面的影響較為明顯，在結(jié)構(gòu)面集中部位，ZK0+040斷面應(yīng)力、應(yīng)變均較大。當(dāng)隧道開挖后，關(guān)鍵研究面的拱頂下沉值較小約為3.05 mm，出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力在拱頂，最大約為24.63 kPa，隧道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。開挖10年后，關(guān)鍵研究面的應(yīng)力、應(yīng)變均明顯增大，其中ZK0+040斷面裂隙貫穿的拱頂部位拱頂下沉值較大，約為2.33 cm，隧道拱頂?shù)睦瓚?yīng)力約為0.3 MPa，很有可能導(dǎo)致ZK0+040斷面附近的破壞。

3 結(jié)語

通過對1號施工支洞開挖和開挖10年后的應(yīng)力、應(yīng)變特征進(jìn)行研究，得到以下兩個主要結(jié)論：一是隧道受結(jié)構(gòu)面的影響較大。開挖后，隧道的應(yīng)力、應(yīng)變均較小，隧道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；二是開挖10年后，關(guān)鍵斷面的應(yīng)力、應(yīng)變均明顯增大，其中ZK0+040斷面裂隙貫穿的拱頂部位應(yīng)力、應(yīng)變均較大，很有可能導(dǎo)致隧道在ZK0+040斷面附近的局部破壞。