陳能力,鐘志欽

(1.鐘山縣交通運(yùn)輸局,廣西 賀州 542699;2.廣西交科工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

步入21世紀(jì)以來(lái),為了提供更多的出行便利,我國(guó)交通行業(yè)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。在山地路線修建的交通基礎(chǔ)設(shè)施難免需要隧道結(jié)構(gòu)使其連接起來(lái),而隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作,在施工過(guò)程中往往會(huì)遇到水平巖層等一系列不良地質(zhì),對(duì)隧道的施工安全造成巨大影響[1-2]。

在水平巖層地質(zhì)帶進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的施工,對(duì)比一般地質(zhì)條件下的工況,其隧道圍巖及水平巖層的力學(xué)行為及其變化規(guī)律是十分復(fù)雜的。針對(duì)水平巖層地質(zhì)帶的不同構(gòu)造特點(diǎn),需要提前準(zhǔn)備具有針對(duì)性的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種地質(zhì)災(zāi)害[3-4]。眾多學(xué)者針對(duì)水平巖層的構(gòu)造特點(diǎn)開(kāi)展了大量研究,獲得了一系列成果。

在隧道結(jié)構(gòu)穿過(guò)水平巖層地質(zhì)帶的施工條件下,針對(duì)隧道圍巖的力學(xué)行為,李有生等[5]研究了軟弱相間水平巖層內(nèi)的隧道圍巖變形破壞特征及其機(jī)理,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬結(jié)合的方法,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)隧道圍巖松動(dòng)圈的測(cè)試,確定了隧道圍巖松動(dòng)圈的范圍及其最大位置,利用三維離散元模型研究了有、無(wú)支護(hù)條件下的隧道圍巖變形特征,并借此明確最優(yōu)的隧道支護(hù)方案,通過(guò)兩種不同的研究手段對(duì)比分析了不同工況下隧道圍巖塑性區(qū)的分布特征和變形位移,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的施工具有一定的指導(dǎo)意義。羅彥斌等[6]研究了簡(jiǎn)化后的錨固梁和簡(jiǎn)支梁模型,結(jié)合簡(jiǎn)支梁模型的協(xié)調(diào)變形條件,建立了層間粘聚力計(jì)算公式,并依托實(shí)際工程,對(duì)比分析了有、無(wú)考慮層間粘聚力這兩種不同工況下,利用梁模型計(jì)算隧道臨界開(kāi)挖跨度的計(jì)算結(jié)果,結(jié)果表明是否考慮層間粘聚力對(duì)隧道臨界開(kāi)挖跨度的計(jì)算結(jié)果影響較大,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隧道工程結(jié)構(gòu)的施工結(jié)果,得到水平層狀圍巖隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型中,考慮層間粘聚力的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況更接近。高新強(qiáng)等[7]依托某特長(zhǎng)公路隧道的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了水平泥砂巖互層路段中隧道結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)和二期襯砌等支護(hù)體系的力學(xué)行為及其特征,研究獲得的一系列成果對(duì)水平層狀巖層隧道的施工具有一定的參考價(jià)值。王亞瓊等[8]依托某高速公路隧道,研究了高地應(yīng)力下水平層狀隧道圍巖的變形破壞特征,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定了地應(yīng)力條件及其實(shí)際圍巖變形破壞情況,利用3DEC三維離散元模擬軟件,建立了不同巖層厚度、側(cè)壓力系數(shù)和地應(yīng)力水平的工況,研究了這些參數(shù)的改變對(duì)水平層狀隧道圍巖受力特點(diǎn)及變形破壞特征的影響,進(jìn)一步明確了水平層狀隧道圍巖的變形破壞機(jī)理,這一系列研究成果對(duì)實(shí)際施工具有一定的指導(dǎo)意義。

本文為研究水平巖層厚度和施工方法對(duì)隧道圍巖力學(xué)行為的影響規(guī)律,基于數(shù)值計(jì)算軟件Midas-GTS建立隧道三維數(shù)值模型,通過(guò)對(duì)比六種不同水平巖層厚度和施工方法工況下圍巖上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),明確了全斷面法和臺(tái)階法施工下,水平巖層厚度改變對(duì)圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移、豎向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的影響規(guī)律,對(duì)實(shí)際工程施工起到一定的指導(dǎo)作用。

1 工程背景與模型設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

采用五心圓+仰拱來(lái)設(shè)計(jì)隧道的輪廓,其上部圓弧半徑R1、R2、R3分別為2.522 m、3.512 m、9.651 m,同時(shí)仰拱的半徑R4為5.913 m,隧道內(nèi)寬度為5.87 m、高度為7.94 m。針對(duì)單線鐵路隧道斷面具有斷面小、施工不方便等特點(diǎn),本文模擬全斷面法和臺(tái)階法對(duì)隧道進(jìn)行施工。其中鐵路隧道斷面輪廓如圖1所示。

圖1 鐵路隧道斷面輪廓圖

1.2 計(jì)算軟件

本文采用數(shù)值計(jì)算軟件Midas-GTS對(duì)巖土進(jìn)行建模分析計(jì)算。該計(jì)算軟件的主要特點(diǎn)如圖2所示。

圖2 Midas-GTS軟件主要特點(diǎn)示意圖

利用Midas-GTS軟件進(jìn)行建模計(jì)算時(shí),采用摩爾-庫(kù)侖材料模型模擬隧道結(jié)構(gòu)周圍的巖土材料,該材料模型可有效模擬一般巖土體的非線性計(jì)算結(jié)構(gòu)。如圖3所示為摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。

圖3 摩爾-庫(kù)侖材料模型屈服準(zhǔn)則示意圖

1.3 模型的建立

參考以往的隧道數(shù)值計(jì)算模擬案例,為減小邊界效應(yīng),同時(shí)提高計(jì)算效率,綜合選取隧道及水平巖層計(jì)算模型尺寸如表1所示,計(jì)算模型如圖4所示。

表1 隧道模型尺寸表(m)

圖4 隧道計(jì)算模型圖

在隧道結(jié)構(gòu)受到靜力作用時(shí),對(duì)隧道計(jì)算模型的四個(gè)側(cè)面進(jìn)行法向位移的約束,對(duì)其底面積進(jìn)行全約束來(lái)固定,而不約束計(jì)算模型的頂面。同時(shí),對(duì)計(jì)算模型的頂面施加1 000 kN/m2的豎向垂直均布荷載,并施加初始應(yīng)力場(chǎng),模擬上部埋深。

在設(shè)置計(jì)算模型中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),選取如圖5所示的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。因?yàn)橛?jì)算模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此僅選取一側(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 隧道計(jì)算模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置示意圖

建立隧道結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型所需要的相關(guān)材料參數(shù)如表2所示。

表2 各級(jí)圍巖力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

2 施工方法對(duì)圍巖力學(xué)行為的影響

針對(duì)這條單線鐵路隧道,為了研究水平巖層的厚度變化對(duì)隧道圍巖力學(xué)行為的影響,建立了六種工況,如表3所示。

表3 六種工況描述表

2.1 水平巖層厚度為1 m

工況1和工況4分別為1 m厚度水平巖層下采用全斷面法和臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工,分別提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知,對(duì)比分析豎向位移計(jì)算結(jié)果,在1 m厚度水平巖層工況下,采用全斷面法和臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工對(duì)隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移影響不大;對(duì)比分析豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,兩種施工方法下最大豎向應(yīng)力均出現(xiàn)在圍巖拱腰處,這與隧道拱頂結(jié)構(gòu)形式有關(guān);相比臺(tái)階法,全斷面法的豎向應(yīng)力在拱頂和拱肩較小,在拱腰、拱腳、拱底較大,可能因?yàn)槿珨嗝娣ㄊ┕さ膽?yīng)力能更快傳遞至下部;對(duì)比分析剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,全斷面法比臺(tái)階法小,特別是在拱腰處,可能因?yàn)榕_(tái)階法施工時(shí)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 水平巖層厚度為2 m

工況2和工況5分別為2 m厚度水平巖層下采用全斷面法和臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工,分別提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比分析結(jié)果如圖7所示。

(a)豎向位移

由圖7可知,對(duì)比分析豎向位移計(jì)算結(jié)果,在2 m厚度水平巖層工況下,采用全斷面法和臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工對(duì)隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移總體上影響不大;對(duì)比分析豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,兩種施工方法下最大豎向應(yīng)力均出現(xiàn)在圍巖拱腰處,而拱頂和拱底處較小;相比臺(tái)階法,全斷面法的豎向應(yīng)力在拱頂和拱肩較小,在拱腰、拱腳、拱底較大;對(duì)比分析剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,全斷面法比臺(tái)階法小,特別是在拱腰處,全斷面法施工的剪切應(yīng)力是臺(tái)階法施工的64.3%。

2.3 水平巖層厚度為3 m

工況3和工況6分別為3 m厚度水平巖層下采用全斷面法和臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工,分別提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比分析結(jié)果如圖8所示。

(a)豎向位移

由圖8可知,對(duì)比分析豎向位移計(jì)算結(jié)果,在3 m厚度水平巖層工況下,采用兩種不同施工方法對(duì)隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移影響不大,在實(shí)際工程中綜合考慮效率和經(jīng)濟(jì)性可采用全斷面法施工;對(duì)比分析豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,兩種施工方法下圍巖豎向應(yīng)力最大值均位于拱腳處,拱底應(yīng)力受到兩側(cè)的擠壓向上變形位移,因此其豎向應(yīng)力較小;對(duì)比兩種方法,拱頂和拱肩處臺(tái)階法更大,拱腰、拱腳、拱底處全斷面法更大;對(duì)比分析剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,全斷面法的比臺(tái)階法小,特別是在拱腰處,全斷面法施工的剪切應(yīng)力是臺(tái)階法施工的64.6%。

3 水平巖層厚度對(duì)圍巖力學(xué)行為的影響

3.1 圍巖變形

工況1～3和工況4～6分別為在不同水平巖層厚度下采用全斷面法和臺(tái)階法施工方法的情況,因此對(duì)比分析這兩組結(jié)果中的變形位移數(shù)據(jù)即可得到水平巖層厚度變化對(duì)圍巖力學(xué)行為的影響情況。結(jié)果如圖9所示。

(a)全斷面法

對(duì)比圖9(a)和圖9(b)可知,兩圖中各豎向變形曲線隨水平巖層厚度的變形趨勢(shì)基本一致,因此施工方法的改變對(duì)圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移的影響不大。在水平巖層厚度為1 m的工況下,圍巖豎向變形整體上是最小的,說(shuō)明施工開(kāi)挖后的圍巖穩(wěn)定性會(huì)隨著水平巖層厚度減小而增加。這可能是由于水平巖層厚度越小,圍巖越均勻,可有效減少其豎向位移,有利于圍巖穩(wěn)定。

3.2 圍巖剪切應(yīng)力

對(duì)比分析工況1～3和工況4～6兩組結(jié)果中的剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)可得到水平巖層厚度變化對(duì)圍巖剪切應(yīng)力的影響情況。結(jié)果如圖10所示。

(a)全斷面法

對(duì)比圖10(a)和圖10(b)可知,兩圖中各剪切應(yīng)力曲線隨水平巖層厚度的變形趨勢(shì)基本一致,因此施工方法的改變對(duì)圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪切應(yīng)力的影響不大。在水平巖層厚度為1 m的工況下,圍巖剪切應(yīng)力整體上是最小的,說(shuō)明施工開(kāi)挖后的圍巖穩(wěn)定性會(huì)隨著水平巖層厚度減小而增加,因?yàn)楹穸葴p小能有效減小其剪切應(yīng)力,有利于圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為研究水平巖層厚度和施工方法對(duì)隧道圍巖力學(xué)行為的影響規(guī)律,基于數(shù)值計(jì)算軟件Midas-GTS建立隧道三維數(shù)值模型,通過(guò)對(duì)比六種不同水平巖層厚度和施工方法工況下的圍巖上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),明確了全斷面法和臺(tái)階法施工下,水平巖層厚度改變對(duì)圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移、豎向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)采用不同的施工方法對(duì)隧道圍巖的變形和受力影響不大,隧道圍巖力學(xué)行為基本一致,因此綜合考慮效率和經(jīng)濟(jì)性可采用全斷面法施工。

(2)當(dāng)水平巖層厚度發(fā)生改變時(shí),圍巖變形較大,隨著厚度增加,圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移增大,當(dāng)水平巖層最小時(shí),隧道變形最小,具有更好的穩(wěn)定性。

(3)隧道圍巖拱肩處剪切應(yīng)力最大,拱腳處最小,其余位置數(shù)值較小。

(4)水平巖層厚度的變化會(huì)引起隧道圍巖力學(xué)行為較大改變,圍巖應(yīng)變隨巖層厚度增加而增大,因此實(shí)際施工中應(yīng)注意水平巖層厚度過(guò)大時(shí)的施工安全問(wèn)題。