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        側(cè)壓力系數(shù)對(duì)含空洞地層隧道開挖的影響

        2021-11-22 03:10:50高情義李燕紅
        中國(guó)公路 2021年17期
        關(guān)鍵詞:側(cè)壓力空洞塑性

        高情義 李燕紅

        (云南展旭工程咨詢有限公司,云南 曲靖 655000)

        我國(guó)地域遼闊、地理?xiàng)l件復(fù)雜,地層中普遍存在空洞和暗河等結(jié)構(gòu)缺陷,是地下工程經(jīng)常面臨的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)統(tǒng)計(jì),空洞導(dǎo)致地層塌陷引發(fā)的地下施工安全事故占地下施工安全事故總數(shù)的30%。

        隧道開挖引起原地應(yīng)力重分布,導(dǎo)致地層處于不平衡狀態(tài),尤其是含空洞的部位應(yīng)力比較集中。開挖擾動(dòng)很容易造成含空洞的部位空洞結(jié)構(gòu)失穩(wěn),進(jìn)而導(dǎo)致開挖斷面坍塌,為地下施工埋下安全隱患。

        因?yàn)樗淼罁碛芯€狀結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn),所以開挖后的施工斷面處于不同的應(yīng)力環(huán)境。在開挖擾動(dòng)后,不同的應(yīng)力條件對(duì)地層穩(wěn)定性的影響不同。應(yīng)力條件的不同,加上含地層空洞的結(jié)構(gòu)缺陷,導(dǎo)致開挖斷面坍塌的機(jī)率大幅增加。因此,有必要模擬研究在不同應(yīng)力環(huán)境下,含空洞地層中的開挖隧道斷面,為含空洞地層開挖擾動(dòng)災(zāi)變事故提供一定的理論指導(dǎo)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

        一、工程依托

        依托重慶某隧道模擬數(shù)值,把地層假設(shè)為均質(zhì)地層,計(jì)算均按照平面應(yīng)變模型分析。初始側(cè)壓力系數(shù)λ為0,隧道開挖為全斷面開挖,斷面形狀為馬蹄形,跨徑8m,拱高7.5m。

        二、模型參數(shù)及網(wǎng)格模型

        利用有限元差分軟件flac3d建模,隧道半徑為8m。根據(jù)理論經(jīng)驗(yàn),取大于等于6倍隧道半徑為模型邊界范圍,因此模型尺寸為48m×2m×52m(X×Y×Z)。邊界約束條件為,X軸方向和Y軸方向?yàn)樗郊s束,Z軸方向?yàn)榇怪盭Y底面約束,頂部為自由面。采用六面體網(wǎng)格建模,共劃分1152個(gè)單元,1546個(gè)節(jié)點(diǎn),模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性模型,計(jì)算方法為先平衡含有空洞地層初始地的應(yīng)力,再模擬不同側(cè)壓力系數(shù)條件下的隧道全斷面開挖。圓形地層空洞位于隧道頂部,凈距2m、半徑1m。巖土體基本物理參數(shù)如表1所示。

        三、模擬結(jié)果分析

        分別模擬側(cè)壓力系數(shù)在0至1之間變化的情況下,地層空洞位于頂部的隧道在全斷面開挖擾動(dòng)時(shí),圍巖的應(yīng)力和位移狀態(tài)。

        (一)不同側(cè)壓力系數(shù)下的最大主應(yīng)力分析

        在不同側(cè)壓力系數(shù)的作用下,隧道的開挖圍巖從原來的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài),發(fā)生了應(yīng)力重分布。

        最大主應(yīng)力隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加逐漸增加。隧道頂部與空洞相連的范圍之內(nèi),主應(yīng)力重分布范圍不斷擴(kuò)大。隧道全斷面開挖圍巖應(yīng)力調(diào)整范圍也主要集中在隧道開挖斷面頂部與空洞相連的范圍之內(nèi)。

        表1 巖土體基本物理參數(shù)

        圖1 不同側(cè)壓力系數(shù)的塑性區(qū)

        圖2 不同側(cè)壓力系數(shù)豎向位移

        如果定義拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。拉應(yīng)力主要集中在隧道頂部和地表,是隧道開挖容易坍塌的原因,也是反映實(shí)際施工過程中地表出現(xiàn)拉裂縫的力學(xué)因素。但是,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大,地表拉應(yīng)力范圍逐漸減小,說明側(cè)壓力系數(shù)對(duì)地表開裂的影響較大,當(dāng)隧道所處地質(zhì)環(huán)境較差時(shí),地下開挖導(dǎo)致的地表開裂現(xiàn)象最為普遍。

        (二)不同側(cè)壓力系數(shù)下的塑性區(qū)分析

        如圖1所示,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加,開挖圍巖塑性區(qū)范圍不斷增加,在空洞和隧頂處塑性區(qū)貫通的范圍逐漸擴(kuò)大,隧道拱側(cè)塑性區(qū)呈現(xiàn)與空洞塑性區(qū)貫通的趨勢(shì),隧道拱腰處塑性區(qū)的活動(dòng)比其他部位明顯,這是因?yàn)樗淼篱_挖后在拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力,拱腰側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力。近地表層也會(huì)出現(xiàn)不同的塑性區(qū)影響范圍,根據(jù)pece公式的計(jì)算推演顯示,在開挖淺埋隧道時(shí),最先出現(xiàn)的大范圍開裂破壞通常發(fā)生在地表沉降曲線率最大的地表。

        (三)不同側(cè)壓力系數(shù)下的豎向位移分析

        如圖2所示,隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加,在隧道頂部與空洞之間的圍巖豎向位移不斷地增大,同時(shí)拱頂圍巖受擾動(dòng)范圍也有增大趨勢(shì),圍巖向隧道斷面內(nèi)收斂。拱頂最大位移約為0.246cm,拱底最大位移約為0.137cm。對(duì)比側(cè)壓力系數(shù)為0的位移云圖發(fā)現(xiàn),側(cè)壓力系數(shù)對(duì)拱頂位移和拱底位移的影響都較大。

        四、結(jié)語

        本文依托重慶某隧道開挖工程,模擬了在不同側(cè)壓力系數(shù)作用下,近拱頂含空洞全斷面開挖的數(shù)值,主要得出以下結(jié)論。

        最大主應(yīng)力隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加而逐漸增加。隧道頂部與空洞相連的范圍之內(nèi),主應(yīng)力重分布范圍不斷地?cái)U(kuò)大。

        隧道全斷面開挖時(shí),圍巖應(yīng)力的范圍主要集中在隧道開挖斷面頂部與空洞相連的區(qū)域,拉應(yīng)力主要集中在隧道頂部和地表。這是隧道開挖容易坍塌的原因,也與實(shí)際施工過程中地表出現(xiàn)拉裂縫的現(xiàn)象相符,但是隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大地表拉應(yīng)力范圍逐漸減小,說明側(cè)壓力系數(shù)對(duì)于地表開裂影響較大。

        隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加,開挖斷面圍巖塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大,在空洞和隧頂處塑性區(qū)貫通的范圍逐漸擴(kuò)大,隧道拱側(cè)塑性區(qū)出現(xiàn)與空洞塑性區(qū)貫通的趨勢(shì),隧道拱腰處塑性區(qū)活動(dòng)比其他部位更明顯。

        隨著側(cè)壓力系數(shù)的不斷增大,在隧道頂部與空洞之間的圍巖豎向洞內(nèi)收斂位移不斷增大,拱頂擾動(dòng)范圍也有增大的趨勢(shì),同時(shí)拱底隆起位移也會(huì)受到側(cè)壓力系數(shù)的影響。

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