斜穿過砂卵石層地質(zhì)構(gòu)造隧道開挖的三維數(shù)值模擬分析

巨建民，任小惠

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

砂卵石地層一般由粘性土或砂卵石、粗砂、卵石等組成，偶遇巨石塊.大多數(shù)砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散，分布不勻，具有強(qiáng)烈的離散特性，砂卵石層的這種特性，在隧道開挖過程中，由于擾動(dòng)破壞了原有巖層的平衡狀態(tài)，洞室附近的應(yīng)力重新分配，當(dāng)遇到砂卵石層地質(zhì)時(shí)，砂卵石的粘聚力比較小，在掌子面一定高度范圍內(nèi)的砂卵石產(chǎn)生過度的松弛變形，形成松動(dòng)區(qū)，產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)隧道塌方現(xiàn)象.這里針對(duì)斜穿過砂卵石層地質(zhì)構(gòu)造隧道開挖的工程實(shí)例來分析這種不利情況下的隧道整體性態(tài)，同時(shí)考慮隧道實(shí)際開挖工序下的支護(hù)結(jié)構(gòu)情況.

1 工程概況

某地鐵隧道設(shè)計(jì)路線為單線，斷面近似橢圓形隧道，計(jì)算選取隧道的埋深為14.55 m，設(shè)計(jì)采用淺埋暗挖全斷面開挖施工方法開挖，跨度10.9 m，高8.45 m.初期支護(hù)襯砌的厚度為0.29 m，二期支護(hù)襯砌厚度為0.71 m.該地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要地層為:粉質(zhì)粘土層、砂卵石層、弱風(fēng)化層、中風(fēng)化泥巖層.錨桿采用圓形截面，鋼拱架采用工字型截面.隧道開挖時(shí)，土層和支護(hù)參數(shù)如附表.

附表 土層和支護(hù)參數(shù)

2 計(jì)算模型及條件

2.1 計(jì)算模型

模型以水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，以隧道長(zhǎng)度方向?yàn)閆軸.根據(jù)隧道開挖影響范圍的大小，參照巖石力學(xué)和隧道力學(xué)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算模型范圍取為60 m×35 m×50 m.隧道的開挖和支護(hù)通過控制單元生死進(jìn)行模擬，隧道分十一步開挖，1～9步每步開挖3.5 m，第10步開挖2.1 m，最后一步開挖1.4 m.為了更好仿真實(shí)際地質(zhì)情況，采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，圍巖和支護(hù)采用DP材料模擬.該隧道屬于淺埋段，采用自重應(yīng)力場(chǎng)分析，模型上部為自由邊界面，其它面為垂直于各面的約束.圍巖、初期支護(hù)、二期支護(hù)采用塊體單元，錨桿采用桿單元，鋼拱架采用梁?jiǎn)卧?為了控制計(jì)算模型并同時(shí)達(dá)到較好的計(jì)算精度，在劃分網(wǎng)格模型的時(shí)候，采用了不同精度的網(wǎng)格劃分，在計(jì)算關(guān)心的隧道體附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密.計(jì)算模型地層分布如圖1所示.

圖1 地層分布圖示意圖

2.2 模擬開挖、支護(hù)的施工方案

探討錨桿和二次襯砌在砂卵石層中的作用，本文分三種工況進(jìn)行了隧道開挖、支護(hù)施工方案的模擬:

Ⅰ隧道開挖完一步，進(jìn)行錨桿、鋼拱架、初期襯砌支護(hù)，接著循環(huán)下一步開挖、支護(hù);

Ⅱ隧道開挖完一步，進(jìn)行鋼拱架、初期襯砌支護(hù)，接著循環(huán)下一步開挖、支護(hù);

Ⅲ隧道開挖完35 m后，進(jìn)行二次襯砌.

3 計(jì)算機(jī)模擬分析

3.1Ⅰ、Ⅱ兩種工況位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)的分析

3.1.1 位移場(chǎng)分析

第Ⅰ種工況地鐵隧道圍巖的初始總位移場(chǎng)云圖如圖2(a)所示，在弱風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖層處位移基本上為0 mm.砂卵石層最厚處圍巖出現(xiàn)最大位移2.5 mm，這驗(yàn)證了砂卵石層結(jié)構(gòu)分布不均、結(jié)構(gòu)松散，粘聚力較小造成的.

第一次開挖完成后，由于隧道開挖造成卸載作用，在砂卵石層厚度最大處，圍巖急劇發(fā)生了較大位移，最大位移為99.75 mm，如圖2(b)所示.在第一步開挖之后的位移變化不大并趨于穩(wěn)定.隧道拱頂局部受拉，隧道拱頂上部的土向兩邊滑移，最后在隧道圍巖的兩側(cè)發(fā)生了較大的位移，如圖2(c)所示.有限元軟件建模模擬分析結(jié)果表明，第Ⅱ種工況和第Ⅰ種工況位移大小變化基本一致，開挖完第二步后圍巖部位的位移趨于穩(wěn)定.隨著施工步數(shù)的變化，圍巖部位最大位移變化情況如圖3所示.

圖2 不同工況下位移云圖

圖3 有無錨桿最大位移變化情況

3.1.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

(1)拱頂上部徑向應(yīng)力σy分析 隧道圍巖開挖前，整體性比較好，第一步開挖后，因土體原有的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，應(yīng)力重新分布，周圍土體發(fā)生位移和變形，上部圍巖處于臨空狀態(tài)，內(nèi)部應(yīng)力大量釋放，最大徑向壓應(yīng)力為0.265 MPa.隧道拱頂一定范圍內(nèi)最大徑向應(yīng)力在有、無錨桿的情況下，如圖4所示.分析結(jié)果顯示在有錨桿的情況下比無錨桿情況下徑向應(yīng)力小.錨桿受力后，在周圍一定范圍內(nèi)形成壓縮區(qū)，地層間相互擠壓，層間摩阻力增大，內(nèi)應(yīng)力減小.錨桿的減跨作用也使得圍巖的彎曲應(yīng)力減小.開挖隧道時(shí)，在砂卵石層處及時(shí)支護(hù)錨桿可有效減小圍巖的徑向力，防止圍巖由于受力過大造成隧道塌方.隧道側(cè)墻處的徑向應(yīng)力隨著開挖步步數(shù)的增大而增大，全部開挖后有錨桿時(shí)最大徑向應(yīng)力為2.73 MPa(如圖5)，無錨桿時(shí)最大徑向應(yīng)力為3.07 MPa.隨著開挖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，隧道臨空面增大，拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中且承受壓應(yīng)力逐漸增大.

(2)剪應(yīng)力τxy分析 在隧道開挖過程中，隧道頂部受力復(fù)雜，頂部以上區(qū)域變形較大，顆?；?如圖6所示，在拱腰的上半部分出現(xiàn)了最大的剪應(yīng)力，且隨著開挖進(jìn)尺逐漸增大，剪應(yīng)力也逐漸向前移動(dòng)并增大，這部分是剪切破壞的主要形式，如果長(zhǎng)期不支護(hù)，可能會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)生剪切破壞，造成隧道失穩(wěn).隧道拱頂上部圍巖在開挖過程中的剪應(yīng)力變化如圖7所示，從圖中可以看出有錨桿XY方向的切向徑力比無錨桿XY方向的切向徑力大.這說明在錨桿的作用下，由于錨桿的約束作用，臨空面附近穩(wěn)定性較弱的巖體與深部穩(wěn)定性較好的巖體通過錨桿連接在一起，增強(qiáng)了巖體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性.

(3)塑性區(qū)分析 隧洞開挖前，巖體是保持平衡的，沒有出現(xiàn)塑性區(qū).隧洞開挖后，原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，洞室附近的應(yīng)力重新分配，造成環(huán)向應(yīng)力集中，使巖體向臨空面產(chǎn)生位移，當(dāng)洞壁一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力超過極限強(qiáng)度時(shí)，該范圍內(nèi)的巖體呈塑性狀態(tài)，形成塑性區(qū)或松弛區(qū)，在此范圍之外巖體仍為彈性體.第一步開挖后，在弱風(fēng)化巖層和砂卵石層接觸處，由于應(yīng)力集中，出現(xiàn)了少量的塑性區(qū).待開挖到第五步時(shí)，掌子面上部全為砂卵石層，砂卵石粘聚力小，強(qiáng)度低，砂卵石面處出現(xiàn)大量的塑性區(qū)，如果產(chǎn)生無限發(fā)展很大的塑性變形和位移，隧道將會(huì)產(chǎn)生塌方，砂卵石層處產(chǎn)生的塑性區(qū)如8圖所示.

圖8 塑性區(qū)示意圖

隧道全部開挖完后，有錨桿和無錨桿情況下，在隧道面發(fā)生塑性區(qū)的位置是一致的，且沒有錨桿情況下塑性區(qū)處的位移相比較小.

3.2 第Ⅲ種工況分析

初期支護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行二期支護(hù)，最大位移為101.42 mm.無錨桿情況下的XY方向的最大剪應(yīng)力為2.57 MPa，第一主應(yīng)力最大為1.11 MPa，比初期支護(hù)完最大剪應(yīng)力減少76.84%，第一主應(yīng)力減少66.26%，如圖9所示.

圖9 應(yīng)力云圖

3.3 鋼拱架受力分析

鋼拱架在隧道中是主要的受力結(jié)構(gòu)，對(duì)控制隧道圍巖變形起著重要作用.分析結(jié)果表明，在無錨桿作用時(shí)，鋼拱架受力較小.無錨桿作用時(shí)全部開挖完后鋼拱架在隧道中以壓力為主，最大壓力發(fā)生在拱腰上半部分，只有拱腰下半部分出現(xiàn)少量的受拉部位，大部分鋼拱架受軸壓力在112.85～189.69 kN之間，最大壓力為650.8 kN，最大軸拉力為40.85 kN.

4 結(jié)論

本文針對(duì)某地鐵隧道施工過程中圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論.

(1)砂卵石的粘聚力小，強(qiáng)度低，在隧道開挖過程中，第一步開挖后圍巖位移比較小，但在第二步開挖過程中位移急劇變化，在砂卵石層最厚處圍巖產(chǎn)生了最大位移，在后面的開挖過程中，圍巖處的位移逐漸趨于穩(wěn)定;

(2)砂卵石結(jié)構(gòu)松散，分布不均，對(duì)有錨桿和無錨桿情況下的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)進(jìn)行了對(duì)比，經(jīng)分析對(duì)比得，錨桿在隧道中提高了圍巖的整體性能，使隧道拱頂上部一定范圍內(nèi)的圍巖徑向應(yīng)力降低，圍巖的強(qiáng)度和承載力提高了.開挖隧道時(shí)，在砂卵石層處及時(shí)支護(hù)錨桿可有效減小圍巖的徑向力，防止圍巖由于受力過大造成隧道塌方;

(3)在隧道開挖過程中，由于結(jié)構(gòu)扁平，拱腰部位形成了一定應(yīng)力力集中，在此部位剪應(yīng)力比較大.在圍巖自重力作用下，拱頂形成了拉應(yīng)力.如果超過了砂卵石所能承受的范圍，容易造成剪切和拉裂破壞.施工過程中初期支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)應(yīng)及時(shí)施做二期襯砌，可有效的使隧道受力大大減小，提高隧道使用的安全性.弱風(fēng)化巖層和砂卵石層接觸處容易出現(xiàn)塑性區(qū)，且在開挖到砂卵石層處時(shí)，掌子面出現(xiàn)大片塑性區(qū).

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