張寶永

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176)

1 引 言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)產(chǎn)能需求量的增加，過(guò)去的淺部開(kāi)采已經(jīng)不能滿足日常生產(chǎn)與生活需要，深部區(qū)域資源開(kāi)采已成為必然趨勢(shì)。但由于特殊地質(zhì)條件的原因，深部開(kāi)采所挖隧道周邊應(yīng)力集中明顯，地震、機(jī)械振動(dòng)、爆破、相鄰巖爆等動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響極大，極易觸發(fā)巖爆，導(dǎo)致深部開(kāi)采的危險(xiǎn)系數(shù)極高[1－3]，人身安全受到威脅并對(duì)國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成重大損失，所以對(duì)于巖爆現(xiàn)象預(yù)警尤為重要。由于巖石的地質(zhì)條件及巖爆成因的復(fù)雜性，采用試驗(yàn)研究不同動(dòng)力擾動(dòng)下隧道圍巖穩(wěn)定性存在著操作困難、數(shù)據(jù)難以獲取、成本高等問(wèn)題，所以利用數(shù)值模擬研究不同動(dòng)力擾動(dòng)形式對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響有著一定的意義。

為此，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)隧道圍巖在動(dòng)力擾動(dòng)作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。朱萬(wàn)成等[4]利用數(shù)值軟件系統(tǒng)RFPA模擬不同側(cè)壓力系數(shù)下動(dòng)態(tài)擾動(dòng)觸發(fā)深部圍巖巷道失穩(wěn)破壞的過(guò)程；唐禮忠等[5]利用ABAQUS模擬動(dòng)力擾動(dòng)作用下不同位置、不同傾角、不同厚度軟弱夾層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響；張欣等[6]以青島膠州灣海底隧道為工程背景，提出了爆破施工荷載作用下隧道頂板厚度設(shè)計(jì)參考值，并驗(yàn)證其可行性；Zhao，J等[7]將離散元軟件與有限差分軟件相耦合，對(duì)沖擊波在節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律進(jìn)行分析；耿萍等[8]利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)穿越不同寬度和傾角斷層破碎帶的隧道動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；吉凌等[9]借助數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，研究隧道開(kāi)挖爆破作用下的圍巖振動(dòng)響應(yīng)特征；劉邦、郭東明、馮春等[10－12]研究了爆炸作用下隧道圍巖裂紋起裂與擴(kuò)展規(guī)律。然而，以上研究主要是通過(guò)改變動(dòng)力擾動(dòng)作用下的參數(shù)來(lái)分析隧道圍巖的穩(wěn)定性以及在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖穩(wěn)定性的靜力分析，并未考慮在開(kāi)挖過(guò)程中的動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

本文利用數(shù)值模擬軟件模擬隧道在開(kāi)挖過(guò)程中受到正弦波、折線波、梯形波三種不同動(dòng)力擾動(dòng)形式下隧道圍巖的受力情況，分析不同動(dòng)力擾動(dòng)形式、不同作用時(shí)間周期、不同應(yīng)力幅值、不同側(cè)壓力系數(shù)以及襯砌厚度對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)的影響。

2 動(dòng)力擾動(dòng)發(fā)生失穩(wěn)破壞數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

建立長(zhǎng)95 m、寬95 m、深度100 m的隧道圍巖模型，如圖1所示。在圍巖上部和右側(cè)施加均布荷載以考慮初始地應(yīng)力的影響，在左側(cè)和底端施加固定約束。

所建隧道模型高12 m，寬19 m，計(jì)算時(shí)將圍巖劃分成9個(gè)區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域單獨(dú)劃分網(wǎng)格，為了能準(zhǔn)確反映隧道圍巖塑性區(qū)的變化，對(duì)隧道區(qū)域進(jìn)行細(xì)化。以折線波形式、梯形波形式、正弦波形式作為3種典型動(dòng)力擾動(dòng)波，選取100 MPa、300 MPa和500 MPa作為擾動(dòng)波幅值，選取0.01 s、0.02 s和0.05 s作為3種不同的時(shí)間周期，對(duì)不同動(dòng)力擾動(dòng)波、不同應(yīng)力幅值及不同時(shí)間周期進(jìn)行組合，共27組動(dòng)力擾動(dòng)波組合形式。

本文利用有限元軟件模擬隧道分步開(kāi)挖過(guò)程，數(shù)值模擬中圍巖及襯砌參數(shù)如表1所示?？紤]實(shí)際工程開(kāi)挖進(jìn)展，模擬時(shí)選取4 m作為一個(gè)開(kāi)挖步，共25個(gè)開(kāi)挖步。在每個(gè)開(kāi)挖步開(kāi)始之前加入動(dòng)力擾動(dòng)形式，并在每個(gè)開(kāi)挖步結(jié)束之后激活對(duì)應(yīng)的襯砌支護(hù)。在開(kāi)挖結(jié)束之后，分析不同動(dòng)力擾動(dòng)組合形式下隧道圍巖的穩(wěn)定性、圍巖塑性區(qū)分布情況及變化規(guī)律。

表1 圍巖和襯砌力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

(1)正弦波動(dòng)力擾動(dòng)形式的影響

為探究正弦波動(dòng)力擾動(dòng)形式作用下隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖塑性區(qū)的變化情況，考慮側(cè)壓力系數(shù)為0.1時(shí)，應(yīng)力幅值及作用時(shí)間周期對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)的影響。

圖2為正弦波作用形式下，應(yīng)力幅值為100 MPa，作用周期分別為0.01 s、0.02 s、0.05 s的三種動(dòng)力擾動(dòng)組合下的隧道開(kāi)挖結(jié)束后洞周塑性區(qū)分布圖。

圖2 不同周期隧道開(kāi)挖結(jié)束后塑性區(qū)分布

圖3～圖4為作用周期為0.01 s時(shí)，應(yīng)力幅值分別為100 MPa、300 MPa及500 MPa所對(duì)應(yīng)的正弦波拱頂位移和應(yīng)力隨開(kāi)挖步變化曲線。

圖3 周期為0.01 s時(shí)不同幅值正弦波拱頂位移隨開(kāi)挖步變化曲線

圖4 周期為0.01 s時(shí)不同幅值正弦波拱頂應(yīng)力隨開(kāi)挖步變化曲線

正弦波應(yīng)力幅值為100 MPa時(shí)，不同時(shí)間作用周期得到的位移分別為0.074 6 m、0.074 7 m、0.074 9 m。由圖3、圖4可以看出，不同時(shí)間周期下的圍巖塑性區(qū)變化趨勢(shì)大致相同，均在隧道兩側(cè)拱腳和右側(cè)拱頂處出現(xiàn)塑性區(qū)，且不同作用時(shí)間周期下的圍巖塑性區(qū)面積相差不大。由此可見(jiàn)，作用周期的長(zhǎng)短對(duì)圍巖塑性區(qū)影響不大。

(2)折線波動(dòng)力擾動(dòng)形式的影響

折線波作用形式下不同幅值及不同作用時(shí)間周期下初始開(kāi)挖側(cè)隧道頂點(diǎn)的位移和應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 折線波組合下位移和應(yīng)力分步曲線

由圖5可知，隨著作用荷載逐漸增加，折線波形式作用下動(dòng)力擾動(dòng)的初始開(kāi)挖側(cè)洞頂位移由0.045 m逐漸增大至0.419 m。

在相同作用時(shí)間和荷載下，比較正弦波形式下擾動(dòng)所產(chǎn)生的位移和塑性區(qū)的變化情況與折線波形式下擾動(dòng)所產(chǎn)生的位移和塑性區(qū)的變化情況，發(fā)現(xiàn)正弦波作用情況下，隧道圍巖塑性區(qū)的面積大于折線波作用形式下圍巖塑性區(qū)的面積，說(shuō)明正弦波形式作用情況下圍巖的結(jié)構(gòu)更容易受到破壞。

(3)梯形波加載形式下的影響

不同幅值及不同作用時(shí)間周期在梯形波作用形式下初始開(kāi)挖側(cè)隧道頂點(diǎn)的位移和應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 梯形波組合位移和應(yīng)力分步曲線

由圖6可知，隨著開(kāi)挖步的增加，作用荷載增大，梯形波作用形式下隧道初始側(cè)開(kāi)挖位移從0.079 8 m增至0.436 m。在相同作用時(shí)間和應(yīng)力幅值下，比較正弦波形式下擾動(dòng)所產(chǎn)生的位移及塑性區(qū)變化情況、折線波形式下擾動(dòng)所產(chǎn)生的位移和塑性區(qū)分布情況與梯形波形式下擾動(dòng)所產(chǎn)生的位移與分布情況，發(fā)現(xiàn)梯形波作用形式下位移最大，在隧道兩側(cè)拱腳及拱頂都出現(xiàn)塑性區(qū)，折線波作用形式下位移最小，塑性區(qū)僅在隧道兩側(cè)拱腳處出現(xiàn)。如果長(zhǎng)時(shí)間處于梯形波作用形式下的動(dòng)力擾動(dòng)，圍巖容易失穩(wěn)，從而引發(fā)災(zāi)害。

3 其他因素影響

在工程實(shí)際中，側(cè)壓力系數(shù)不同、襯砌厚度的確定都會(huì)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，為了研究其影響程度，本文以正弦波形式為例，探究不同側(cè)壓力系數(shù)及不同襯砌厚度對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.1 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)的影響

為方便分析，在正弦波作用周期為0.01 s、應(yīng)力幅值為100 MPa的情況下，研究側(cè)壓力系數(shù)的變化對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。為了考慮不同的初始地應(yīng)力分布狀態(tài)，側(cè)壓力系數(shù)分別取k＝1.0、k＝2.0。

圖7為側(cè)壓力系數(shù)為1.0、2.0時(shí)開(kāi)挖結(jié)束后所對(duì)應(yīng)的洞周塑性區(qū)分布圖。

圖7 側(cè)壓力系數(shù)為1.0、2.0時(shí)開(kāi)挖結(jié)束隧道洞周塑性區(qū)分布

在k＝1.0時(shí)，由于側(cè)壓力的增加，會(huì)改善之前頂部與底部的受拉情況以及兩側(cè)拱腳的受壓情況，所以對(duì)于隧道塑性區(qū)發(fā)生改善現(xiàn)象，使等效塑性應(yīng)變變小。

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)k＝2.0時(shí)，隧道右側(cè)受到的側(cè)壓力大于隧道上部受到的主壓力，此時(shí)頂部與底部受壓，隧道兩側(cè)拱腳受拉，隧道圍巖塑性極值區(qū)位于隧道右側(cè)拱腳處附近，等效塑性應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

3.2 襯砌厚度對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)的影響

在正弦波形式作用下，取幅值為500 MPa、作用時(shí)長(zhǎng)為0.05 s的加載條件。根據(jù)規(guī)范GB 50086—2015，選取襯砌厚度為 150 mm、160 mm、170 mm、185 mm及200 mm來(lái)研究襯砌厚度對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)襯砌厚度不同時(shí)，第26步開(kāi)挖結(jié)束后的襯砌應(yīng)力分布形式如圖8所示。綜上可知，隨著襯砌的加厚，隧道開(kāi)挖結(jié)束后應(yīng)力會(huì)相對(duì)減小，隧道的穩(wěn)定性增強(qiáng)。但隨著襯砌厚度的增加，改善效果有限，考慮到實(shí)際工程的需要與成本問(wèn)題，當(dāng)襯砌厚度為150 mm時(shí)，既能增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，又能節(jié)約成本。

圖8 不同襯砌厚度對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)的影響

4 結(jié)論

本文通過(guò)改變擾動(dòng)作用形式、作用時(shí)間周期、應(yīng)力幅值來(lái)模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中受到的動(dòng)力擾動(dòng)，并通過(guò)改變側(cè)壓力系數(shù)及襯砌厚度對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論:

(1)不同擾動(dòng)作用形式對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，梯形波作用形式下對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成的破壞最大，折線波作用形式下造成的破壞最小，正弦波作用形式下造成的破壞居中。同種擾動(dòng)作用形式下，隨著應(yīng)力幅值的增加，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和位移隨之增加，隧道圍巖塑性區(qū)面積增大，隧道圍巖穩(wěn)定性越差；作用時(shí)間周期變化對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響不大。

(2)側(cè)壓力系數(shù)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。側(cè)壓力系數(shù)的變化會(huì)改變隧道洞周的應(yīng)力狀態(tài)，從而對(duì)塑性區(qū)的分布狀況造成影響。在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)考慮初始地應(yīng)力的分布情況以及施工過(guò)程中機(jī)械擾動(dòng)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

(3)襯砌厚度的增加會(huì)使隧道圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化選擇。