李文俊 韓煬 張海東

1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司測繪分院 廣東 廣州 511400

2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院 河北 石家莊 050000

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隧道及地下工程開發(fā)越來越多，但由于隧道施工地質(zhì)條件和周圍環(huán)境的復(fù)雜性，以及隧道開挖施工的管理等人為原因影響，隧道開挖過程中塌方事故時(shí)有發(fā)生，塌方不僅造成工程施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性的損失，也嚴(yán)重威脅著現(xiàn)場施工人員安全。因此，對(duì)塌方原因及影響需做深入研究，以便于后續(xù)針對(duì)性的提前防范和處理，保證后續(xù)隧道施工及運(yùn)營安全。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)塌方的影響因素進(jìn)行了大量研究。劉國偉[1]以山西白龍山隧道為例，采用三維有限元模擬分析得出隧道軸線方向上的初始地應(yīng)力場特征,發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)存在較高地應(yīng)力場區(qū)域。駱俊暉[2]等人基于Midas模型下考慮構(gòu)造應(yīng)力場深埋隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，通過對(duì)受力、變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出了其分布規(guī)律，為類似工程提供了參考。陳強(qiáng)[3]等人針對(duì)秦嶺越嶺長隧道地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出了主應(yīng)力作用方式基本為水平擠壓或水平拉伸特征。

本文依托新旗下營隧道，通過對(duì)塌方段進(jìn)行三維計(jì)算模型，從塌方斷面位移變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)以及圍巖塑性區(qū)分布等三個(gè)方面對(duì)有無構(gòu)造應(yīng)力場狀態(tài)下的隧道塌方段進(jìn)行分析，為后續(xù)隧道塌方的治理研究提供參考。

1 工程概況

隧址所在地為陰山山脈東部，山體受大黑河侵蝕導(dǎo)致山體較為陡傾，地形高地起伏大，地下水賦存狀態(tài)為第四系空隙潛水，晝夜溫差大，受蒙古及西伯利亞高壓影響常伴有大風(fēng)和寒潮。主要地層為第四系全新細(xì)圓礫土、加里東期閃長巖、坡積碎石土，太古界大理巖等。同時(shí)由于隧址屬華北地臺(tái)，涼城斷隆與陰山斷隆的相交處，受侵入性巖體擠壓作用影響，山體巖層較破碎，裂紋廣泛分布，隧道施工時(shí)極易發(fā)生坍塌。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

分別考慮兩種不同的工況，即僅自重應(yīng)力（工況1）和自重應(yīng)力加構(gòu)造應(yīng)力（工況2），利用巖土專用常用有限元分析軟件Midas GTS，建立隧道塌方段數(shù)值模型，以圣維南原理為依據(jù)，以地表平面為上邊界，坡度為30°，拱頂?shù)狡矫婢嚯x為60m，以3～5倍的洞高約50 m范圍作為下邊界，取隧道左右邊界輪廓線3～5倍洞徑120m范圍作為 XZ平面，基于隧道開挖縱向效應(yīng)和隱伏斷層分布范圍的因素，沿Y軸縱向取100m。參考相關(guān)TSP探測結(jié)果、地勘資料等，隧道軸線與斷層以60°傾角相交，以30 m的斷層及其影響寬度建模。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘資料及相關(guān)規(guī)范確定整個(gè)模型計(jì)算中各單元結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，由于本隧道發(fā)生塌方段未施作二次襯砌，因此僅有初期支護(hù)的支撐作用，對(duì)鋼支撐、鋼筋網(wǎng)片及噴射混凝土之間的彈性模量進(jìn)行換算，保證上述支護(hù)結(jié)構(gòu)均能充分發(fā)揮支撐效果，計(jì)算公式(1)為：

確定后的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1所示。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬參數(shù)表

2.3 開挖工法模擬

根據(jù)工程地質(zhì)及工期要求，Ⅳ圍巖采用三臺(tái)階法施工，每循環(huán)開挖深度2m，臺(tái)階間間隔長度為6m，三臺(tái)階法施工工序橫斷面示意圖見圖2。有限元模擬時(shí)運(yùn)用Midas GTS施工階段助手，通過“鈍化R”、“激活A(yù)”模型中邊界條件、各單元及荷載等方式，模擬隧道開挖過程，具體模擬開挖工序如圖1所示。

圖1 臺(tái)階法施工工序橫斷面示意圖

圖2 考慮構(gòu)造應(yīng)力場豎向沉降沉降位移

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 初期支護(hù)位移

3.1.1 塌方段整體位移

初期支護(hù)位移變化包括豎向位移（拱頂沉降）、水平位移（凈空收斂）等，現(xiàn)場通過對(duì)隧道上述位移的不間斷監(jiān)測，分析初期支護(hù)位移變化趨勢，判定隧道施工安全性，同時(shí)也作為優(yōu)化開挖方法和調(diào)整設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的重要依據(jù)，豎向拱頂沉降總位移與水平凈空收斂總位移分別如圖2、圖3所示。

圖3 考慮構(gòu)造應(yīng)力場水平凈空收斂位移

開挖施工完成后，隧道縱向即沿?cái)?shù)值模擬Y方向上，斷層內(nèi)各初期支護(hù)斷面豎向沉降位移呈起伏狀態(tài)，其中斷層內(nèi)拱頂和仰拱位置豎向位移最大。XZ平面內(nèi)隧道截面中心線左右120°范圍內(nèi)隧道豎向位移大致呈拱形分布，隨著距離的增大擾動(dòng)逐漸減小。工況1 在僅考慮自重應(yīng)力影響下，拱頂最大沉降值達(dá)到40.13mm，仰拱隆起的最大位移值仍達(dá)到38.69mm。在同時(shí)考慮自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力作用下的工況2中拱頂沉降最大值42.65mm，仰拱隆起最大為40.72mm。通過工況1與工況2最大值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工況2的豎向位移較工況 1分別增加了6.27%，5.24%，說明構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)初期支護(hù)豎向位移有一定影響，兩種工況下豎向位移均發(fā)生較大位移，施工過程中拱頂?shù)某跗谥ёo(hù)極易被破壞進(jìn)而產(chǎn)生塌方事故，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

隧道初期支護(hù)受地形偏壓的影響，水平收斂位移變形呈不對(duì)稱分布，側(cè)墻及拱腰位置水平收斂位移較大，處在斷層范圍內(nèi)則水平收斂位移更大。只考慮自重應(yīng)力影響的工況1中水平收斂最大為29.59mm，在同時(shí)考慮自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力場作用下的工況2中受水平最大主應(yīng)力的作用其水平收斂最大值達(dá)到34.23mm，較工況1的水平收斂最大值增加15.68%。對(duì)比前后工況1、2對(duì)初期支護(hù)位移值的影響可以得知構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)隧道初期支護(hù)水平收斂位移的影響要大于豎向位移。

3.1.2 塌方斷面位移分析

為準(zhǔn)確掌握隧道塌方斷面位移變形，在DK587+926塌方斷面，計(jì)算模型Y=45m處，分別在拱頂、拱腰及仰拱等處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，最后把三處位置數(shù)值模擬得出的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成圍巖位移與分析階段的曲線，見圖4所示。

圖4 塌方段斷面水平收斂曲線

根據(jù)上述模擬得出圖形及數(shù)據(jù)得出，隧道開挖到塌方處時(shí)的拱頂沉降值約占其最終沉降的30% ，水平凈空收斂值約占其最終位移的50%，仰拱豎向隆起值約占其最終位移的25% ，說明隧道開挖施工對(duì)圍巖有明顯擾動(dòng)作用，現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)注重開挖完成后支護(hù)的時(shí)效性。工況1條件下模擬得出的最終拱頂、收斂及仰拱隆起數(shù)據(jù)分別為33.31mm、27.74mm、37.81mm，工況2對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別為35.22mm、31.22mm及39.31mm。對(duì)比不同工況下相同位置處的圍巖位移數(shù)據(jù)可知，工況2 拱頂沉降、水平收斂以及仰拱隆起的數(shù)值較工況1分別提高了5.73%、11.15%、3.97%，說明構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)軟弱斷面變形有一定影響，其中對(duì)水平收斂位移變形影響更為明顯。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為了解掌握塌方處支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)模擬計(jì)算，具體范圍為塌方斷面2m，計(jì)算模型Y=45～47m處，分別得出兩種不同工況條件下最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力云圖。計(jì)算得出工況2中主要位置應(yīng)力值。如下表2所示。

表2 工況2條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值

不同工況下的不同應(yīng)力值可以看出，在構(gòu)造應(yīng)力場影響下，相比較僅考慮自重應(yīng)力場，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別提高了8.72%、7.45%、18.35%，由上述數(shù)值可知，剪應(yīng)力受構(gòu)造應(yīng)力場影響最大。同時(shí)由上表可知，豎向壓力主要影響位置為拱頂和仰拱，水平應(yīng)力主要影響位置為拱腰和拱腳，隧道塌方處的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征主要表現(xiàn)為大部分支護(hù)結(jié)構(gòu)受壓應(yīng)力，仰拱受拉應(yīng)力為主，其中壓應(yīng)力和剪應(yīng)力在拱腰位置最大，達(dá)到18.95MPa和7.35MPa，超過初期支護(hù)C25噴射混凝土的極限抗壓強(qiáng)度和極限抗剪強(qiáng)度，因此在后續(xù)施工中應(yīng)對(duì)拱腰位置加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測，防止噴射混凝土由于變形而剝落掉塊。

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

隨著隧道開挖的進(jìn)行，對(duì)隧道周圍圍巖應(yīng)力會(huì)進(jìn)行再分布，為了解應(yīng)力再分布后對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，對(duì)開挖后圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬，形成的圍巖塑性區(qū)云如圖5所示。

圖5 工況2塑性區(qū)云圖

由上述圍巖塑性區(qū)云圖可知，隧道開挖使得一部分圍巖達(dá)到塑性狀態(tài)，形成一定范圍的塑性區(qū)域，該區(qū)域以類似“蝴蝶型”分布，拱腰和拱腳位置應(yīng)力相對(duì)集中，在構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，塑性區(qū)沿洞周延伸，其中水平向延伸要大于豎向延伸。

4 結(jié)束語

本文主要以新旗下營隧道塌方為依托，結(jié)合隧道塌方的成因，分別在有無構(gòu)造應(yīng)力場條件下對(duì)隧道塌方段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過分析有以下結(jié)論：

（1）隧道塌方段豎向位移在XZ平面內(nèi)大致呈拱形分布，且在斷層范圍內(nèi)沿Y方向起伏較大，其豎向位移變形最大值位于拱頂和仰拱位置。受地形偏壓的影響，水平位移分布不對(duì)稱，其變形最大值位于拱腰和側(cè)墻位置。相較工況1僅考慮自重應(yīng)力，在工況2增加考慮構(gòu)造應(yīng)力場的條件下，塌方段拱頂沉降、仰拱隆起及水平收斂分別達(dá)42.65mm，40.72mm及34.23mm，較工況1分別提高了6.27%、5.24%、15.68%，構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)水平位移影響相對(duì)較大。

（2）通過塌方斷面位移分析可以看出，圍巖變形基本經(jīng)歷緩慢增大、快速增大、趨于穩(wěn)定三個(gè)階段，且通過模擬結(jié)果可知，在到達(dá)塌方斷面前圍巖已發(fā)生部分變形，表面前期隧道開挖對(duì)圍巖存在較大擾動(dòng)，開挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)。

（3）隧道塌方斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)以受壓為主，其中拱腰和拱腳為主要受壓位置，拱腰位置壓應(yīng)力和剪應(yīng)力最大，施工中極易發(fā)生破壞，進(jìn)而產(chǎn)生初支剝落掉塊。在考慮構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力分別提高了8.72%、7.45%.、18.35%，構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)剪應(yīng)力影響較大。

（4）塌方段塑性區(qū)在拱腰和拱腳位置呈“蝴蝶型”分布，考慮構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，塑性區(qū)沿洞周延伸，水平延伸略大于豎向延伸。