牟 丹
(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030032)
隨著我國(guó)交通工程的快速建設(shè),我國(guó)公路網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)四通八達(dá),鐵路建設(shè)也緊隨其后,大量山嶺隧道已被修建[1]。隧道內(nèi)部原巖開挖會(huì)導(dǎo)致周圍巖土體的應(yīng)力發(fā)生二次重分布,尤其當(dāng)巖層為工程軟巖時(shí),由于軟巖具有自身強(qiáng)度低、變形大、自穩(wěn)和自承能力等特性而發(fā)生大變形;另外,山嶺鐵路隧道開挖經(jīng)常采用爆破施工方法,難度大、干擾因素多,對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,直接影響隧道圍巖穩(wěn)定性[2-4]。隧道周邊巖體直接影響隧道開挖以后的穩(wěn)定性以及襯砌設(shè)計(jì)的強(qiáng)度,因此,隧道圍巖穩(wěn)定性問題成為地下工程界亟待解決的難題之一。
由于巖石力學(xué)不斷向深埋地下領(lǐng)域發(fā)展,尤其是隧道工程,這就對(duì)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析的精度有更高的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,一些有限元計(jì)算軟件被廣泛用于隧道數(shù)值模擬[5-7],包括ANSYS、ABAQUS、Midas/GTS 以及有限差分軟件FLAC3D。針對(duì)重慶某雙線鐵路隧道,初期支護(hù)采取錨噴聯(lián)合支護(hù),噴射層厚度為20 cm,錨桿長(zhǎng)度3 m;二次襯砌采用復(fù)合式襯砌,厚度為40 cm。選取該隧道Ⅳ級(jí)深埋軟巖段作為研究對(duì)象,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,該段隧道在施工期間圍巖發(fā)生較大變形,由于FLAC3D 更適用于解決隧道施工過程中的軟巖大變形等非線性問題,因此,選用FLAC3D 有限差分軟件來(lái)模擬該段隧道的三維動(dòng)態(tài)開挖過程并對(duì)隧道循環(huán)施工過程中的圍巖變形與受力特征進(jìn)行分析。
鐵路隧道隧道全長(zhǎng)910 m,起訖里程K500+082—DK500+992,地面高程約在520~710 m,相對(duì)高差約190 m 左右,隧道最大埋深約183 m。隧道進(jìn)口位于基巖內(nèi),洞身地段巖性泥巖夾頁(yè)巖、泥巖夾泥灰?guī)r、泥灰?guī)r等,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,圍巖基本質(zhì)量等級(jí)為IV 級(jí)。隧道IV 級(jí)圍巖采用復(fù)合式襯砌,通過工程類比結(jié)合隧道設(shè)計(jì)資料確定巖體與支護(hù)參數(shù)見表1。
表1 襯砌支護(hù)參數(shù)
表2 圍巖參數(shù)
FLAC3D 有限差分軟件模擬計(jì)算范圍確定原則:通常情況下,隧道開挖僅對(duì)距開挖中心3~5 倍范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生影響,由于實(shí)際依托工程為深埋軟巖隧道,適當(dāng)增加數(shù)值模擬計(jì)算模型。因此,本次模擬計(jì)算區(qū)間為橫向100 m,豎向100 m,縱向30 m,由CAD 圖件導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分并拉伸成體,建立模型后保存單元及節(jié)點(diǎn)等信息并通過接口程序轉(zhuǎn)換導(dǎo)入FLAC3D 中進(jìn)行計(jì)算,模型共有單元數(shù)為48 780 個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為51 894 個(gè)。模擬圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌均采用實(shí)體單元模擬,初期支護(hù)和二次襯砌視為線彈性材料并采用彈性本構(gòu)模型;將圍巖視為理想彈塑性材料并賦予摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,計(jì)算模型的邊界條件主要采用位移邊界條件:模型4 個(gè)側(cè)面和和底面均采用位移邊界條件,約束其法向位移;初始地應(yīng)力場(chǎng)近視看作自重應(yīng)力場(chǎng),為減少模型單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)并降低計(jì)算量,應(yīng)根據(jù)隧道實(shí)際埋深將模型上部巖體重力荷載轉(zhuǎn)換為均布荷載施加在模型上表面,荷載大小為3 MPa。隧道開挖工法采用上下臺(tái)階法進(jìn)行爆破開挖,開挖進(jìn)尺為 2 m,上下臺(tái)階相距6 m。模型見圖1。
圖1 計(jì)算模型
隧道在開挖過程中,開挖掌子面的存在會(huì)影響圍巖應(yīng)力與監(jiān)測(cè)斷面特征點(diǎn)位移的釋放,這種現(xiàn)象被稱為掌子面空間約束效應(yīng),離開挖掌子面越近這種效應(yīng)越明顯,離開挖掌子面越遠(yuǎn)這種空間效應(yīng)越來(lái)越小,直到一定距離處圍巖則不再受圍巖的空間約束作用。基于FLAC3D 有限差分軟件對(duì)隧道三維動(dòng)態(tài)開挖進(jìn)行模擬,獲得隧道在開挖過程中圍巖應(yīng)力與監(jiān)測(cè)斷面特征點(diǎn)位移變化規(guī)律,研究隧道開挖的空間效應(yīng)并分析隧道施工期間的穩(wěn)定性。
隨著隧道開挖,隧道周邊圍巖會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布見圖2。由圖2 可知,應(yīng)力分布規(guī)律為拱頂區(qū)域應(yīng)力減小,隧道拱頂上方一定范圍內(nèi)形成形似漏斗狀的卸壓區(qū)域;而拱腳出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)力增大;隨著隧道不斷開挖,最終形成拱頂處圍巖應(yīng)力較少,拱腳處圍巖應(yīng)力增加的現(xiàn)象,同時(shí)說(shuō)明拱腳為隧道施工過程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位。
隧洞開挖應(yīng)力云圖揭示了隧道采用上下臺(tái)階法動(dòng)態(tài)開挖工程中圍巖的受力情況。由圖2(f)可知,在隧道下臺(tái)階循環(huán)開挖支護(hù)過程中,圍巖的豎向最大應(yīng)力集中于上臺(tái)階與下臺(tái)階交界拱腰處,并且發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位不斷向掌子面逼近,最大豎向壓應(yīng)力值為11.14 MPa,當(dāng)前支護(hù)能夠充分維持隧道圍巖穩(wěn)定。
圖2 隧道開挖過程圍巖豎向應(yīng)力
從隧道遠(yuǎn)端不斷接近開挖掌子面時(shí),拱腰、拱肩、拱腳的豎向壓應(yīng)力不斷減小,分析其原因主要是隨著下臺(tái)階原巖開挖,圍巖應(yīng)力不斷釋放,開挖掌子面的空間約束作用不斷弱化。
以IV 級(jí)圍巖模型縱向長(zhǎng)度為15 m 的斷面(即隧道縱向中心,為消除邊界效應(yīng))為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象,針對(duì)必測(cè)項(xiàng)目的拱頂下沉和周邊收斂進(jìn)行研究。利用FLAC3D 中的history 命令來(lái)監(jiān)測(cè)隧道在施工過程中拱頂、拱腳位移變化規(guī)律,進(jìn)而判斷隧道在施工期間的穩(wěn)定性。隧道開挖監(jiān)測(cè)斷面位移曲線見圖3。
由圖3 可知,隧道開挖行為導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布的同時(shí)伴隨著變形的產(chǎn)生,開挖掌子面在監(jiān)測(cè)斷面2 倍洞徑之內(nèi)時(shí),開挖會(huì)引起監(jiān)測(cè)斷面位移的變化,在1 倍洞徑之內(nèi)變化較為明顯;在監(jiān)測(cè)斷面前大概0.3 洞徑時(shí)發(fā)生急劇變化。上臺(tái)階開挖后,監(jiān)測(cè)斷面特征點(diǎn)會(huì)發(fā)生急劇下降,并持續(xù)4~5 d,拱頂下沉量達(dá)到位移總下沉量的60%以上;隨著開挖斷面繼續(xù)向前推進(jìn)1 倍洞徑,拱頂下沉速率不斷減小,進(jìn)入緩慢變形階段。隨著下臺(tái)階開挖與仰拱閉合,拱頂沉降速明顯減小,并逐漸趨于平緩,監(jiān)測(cè)斷面特征點(diǎn)位移幾乎不變,隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖3 隧道開挖監(jiān)測(cè)斷面位移曲線
(1)在隧道施工過程中,由于隧道開挖造成圍巖應(yīng)力重分布,其中拱腳產(chǎn)生應(yīng)力集中屬于加載區(qū)域,施工過程中應(yīng)加強(qiáng)拱腳處的監(jiān)測(cè)。(2)影響隧道穩(wěn)定性的因素很多,支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制隧道圍巖變形,改善圍巖受力;隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合,能夠有效提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。(3)監(jiān)測(cè)斷面距開挖掌子面距離越遠(yuǎn),監(jiān)測(cè)斷面特征點(diǎn)變形速率越小,圍巖應(yīng)力值越大,掌子面的空間約束效應(yīng)在距監(jiān)測(cè)斷面1 倍洞徑到2 倍洞徑基本消失。(4)在隧道開挖瞬間并施作初支后,監(jiān)測(cè)斷面特征點(diǎn)位移變化比較明顯,開挖后前4 d 的累計(jì)變形量占總變形量的50%以上,因此,可以認(rèn)為最不利出現(xiàn)在開挖并支護(hù)的第4 d 左右,要加強(qiáng)開挖掌子面前0.5 倍洞徑到1 倍洞徑斷面處的監(jiān)測(cè)。