淺埋偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析研究★

劉天宇

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010)

0 引言

工程中偏壓隧道一般是指受偏壓荷載(不對稱壓力)的隧道。產(chǎn)生偏壓的主要原因有地形原因和地質(zhì)原因。地形上原因是洞頂覆蓋較薄，地面橫坡顯著傾斜，多見于洞口淺埋地段及傍山淺埋地段[1]。地質(zhì)上，若圍巖為傾斜層狀結(jié)構(gòu)，層間粘結(jié)力差、伴隨有害節(jié)理裂隙切割時，或洞身有傾角較陡的軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖一部分較軟、一部分較硬時，或存在軟弱夾層斷裂帶時容易發(fā)生偏壓。另外，施工期間因各種原因造成的一側(cè)塌方，也易形成顯著偏壓[2]。

對于淺埋偏壓隧道，在力學形態(tài)分析上，一般可采用“荷載—結(jié)構(gòu)”模型[3]，但其荷載及結(jié)構(gòu)分析方法具有特殊性;在圍巖變形上由于荷載的不對稱，而造成變形的不對稱，在設(shè)計時應采用不同的支護方式;在開挖施工時也應對斷面采用不同的開挖順序[4]。對此本文將以西氣東輸三線西段紅石溝隧道工程為依托，利用有限元軟件(FlAC3D)對淺埋偏壓隧道圍巖的受力特性和變形特性進行分析。

1 工程概況

擬建紅石溝隧道位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市迎水橋鎮(zhèn)孟家灣村，隧道自西向東方向穿越紅石溝山脈，地形高低起伏大，切割深，山谷陡峻、縱橫交錯，通視條件較好。從大的地貌上看隧址區(qū)東西兩側(cè)高程相當，進洞口(西側(cè))地形起伏較大，自然坡角在40°～80°，坡高約60 m;洞口上方無植被覆蓋，表層基巖裸露，局部位置堆積有層厚約0.5 m的由砂巖風化坡殘積而成的碎石，呈松散狀。巖體以砂巖為主，較為完整。但是，隧址區(qū)附近地區(qū)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復雜，新構(gòu)造運動較為活躍。隧道K0+124 m位置附近發(fā)現(xiàn)有一處小型斷裂:該斷層為正斷層，帶寬約為1.5 m，斷層產(chǎn)狀 50°∠70°。

隧道入洞口全貌見圖1。

圖1 紅石溝隧道進洞口地形地貌

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 計算模型建立及計算參數(shù)

本文依據(jù)紅石溝隧道入口處現(xiàn)場實際地質(zhì)概況建立了如圖2所示的三維計算模型，計算坐標系X軸沿隧道軸線方向，Y軸為水平方向，Z軸豎直向上。計算范圍為:X方向長度為250 m，Y方向長度100 m，Z方向最大厚度約129 m。模型共有50.1萬個單元，8.7萬個節(jié)點。材料屈服準則采用Mohr-Coulomb準則。邊界條件設(shè)置為四個側(cè)面和一個底面施加法向位移約束，頂面為自由面。

圖2 數(shù)值計算模型

根據(jù)紅石溝隧道的地質(zhì)報告和現(xiàn)場實地勘察發(fā)現(xiàn)，隧道洞口處的圍巖為砂巖，隧道入口一直到隧道掌子面區(qū)間的巖體為泥巖與砂巖的膠結(jié)物，而且其強度較低，通過室內(nèi)試驗對巖體參數(shù)進行了測試，獲得計算參數(shù)見表1。

表1 巖體計算參數(shù)

圖3 隧道進洞口不同斷面圍巖變形云圖

2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

1)位移場分析。

從三維數(shù)值計算的結(jié)果看，受山體偏壓影響，隧道進洞圍巖變形場非完全對稱，而且不同洞段圍巖的變形量也不完全一樣，但變形矢量都指向臨空面。開挖完成后，由于應力釋放，圍巖變形表現(xiàn)為底板以豎向位移為主，拱部以水平位移為主，拱頂水平位移稍大于豎向位移(見圖3)。

圖4 隧道軸線位移剖面云圖

圖5 不同斷面圍巖最大位移

從圖4可以看出，圍巖的最大位移主要集中在位移拱頂?shù)钠覀?cè)以及底板位置，通過觀察記錄點位移，發(fā)現(xiàn)右側(cè)邊墻位移要明顯大于左側(cè)邊墻位移。各斷面最大位移量如圖5所示。由此可見，對于處在淺埋偏壓地段且?guī)r性較弱的洞口，應及時施作仰拱，以盡早形成封閉受力環(huán)，以增強圍巖整體穩(wěn)定性。此外，通過隧道軸線剖面圖可以看出，在斷層位置，圍巖的變形會產(chǎn)生一個突變，因此建議在斷層區(qū)域開挖時可以采用減小進尺，以避免隧道出現(xiàn)大變形或者垮落現(xiàn)象。

2)應力場分析。

由隧道剖面的計算結(jié)果可知，隧道開挖對圍巖產(chǎn)生擾動，使得圍巖應力發(fā)生二次重分布，隧道周圍徑向應力釋放，環(huán)向應力增加，使得圍巖不同部位出現(xiàn)應力松弛和應力集中。應力要集中在右側(cè)拱肩和左側(cè)墻腳處，不同斷面最大壓應力值依次約為0.25 MPa，0.35 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，同時，在距洞口 20 m 和30 m時，右側(cè)拱部及底板小范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應力，但量值較小。同時數(shù)值計算結(jié)果還表明隧道開挖對上覆邊坡巖體應力場具有一定程度的影響(見圖6，圖7)。

圖6 隧道進洞口不同斷面最小主應力云圖

3)塑性區(qū)分析。

從三維數(shù)值計算的結(jié)果看，受強風化和較低的巖體力學強度制約，隧道開挖引起圍巖的破損，導致不同部位圍巖的屈服和塑性變形。從塑性區(qū)計算結(jié)果來看，在隧道拱部、兩側(cè)邊墻及墻角位置產(chǎn)生了塑性區(qū)，同時，在斷層處也出現(xiàn)了塑性區(qū)集中。此外地表也出現(xiàn)了少量的塑性區(qū)，表明隧道開挖對上覆邊坡巖體產(chǎn)生了一定的影響。上述塑性區(qū)主要以巖體的剪切破壞為主，因此極有可能誘發(fā)隧道入口與斷層處巖體的失穩(wěn)現(xiàn)象(見圖8，圖9)。因此，在隧道入口及斷層處需要對圍巖進行加強支護。

圖7 隧道進洞口不同斷面最大主應力云圖

圖8 隧道軸線剖面圖

圖9 隧道進洞口不同斷面塑性區(qū)分布圖

4)塌陷區(qū)范圍。

圖10 隧道進洞口不同斷面變形分布云圖

通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，隧道開挖后在開挖斷面上側(cè)形成一個漏斗形的沉降區(qū)域，一直延伸到地表面，并且在地表面形成一定的沉降區(qū)(見圖10)。在隧道頂部地表設(shè)置觀測點，記錄沉降量如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在距洞口30 m的地表沉降量最大，約為0.6 mm。

由計算變形分布云圖可以看出，距進洞口的距離越大(埋深越深)，隧道引起的地表塌陷范圍越大，沉降值越大。塌陷范圍分別約為3.45 m，6.58 m，8.16 m，9.64 m。

圖11 地表位移變化

3 結(jié)語

本文應用FLAC3D軟件對紅石溝隧道進洞口進行了數(shù)值模擬，分析了淺埋偏壓隧道圍巖開挖后的應力場、變形區(qū)、塑性區(qū)以及塌陷區(qū)的變化特征，得到如下結(jié)論:1)從模擬結(jié)果可以看出，由于偏壓作用，隧道開挖后產(chǎn)生了不對稱變形。拱頂處的沉降變化比較嚴重，并且形成地表的沉降，且深埋側(cè)大于淺埋側(cè)，這對地表的一些建筑物很不利，可以通過增設(shè)超前支護和對開挖斷面及時支護的方式減小拱頂?shù)某两?，同時應加強對圍巖的變形監(jiān)測并采取防護措施，確保隧道施工的安全。2)淺埋偏壓隧道開挖過程中，隧道右側(cè)拱部和底板產(chǎn)生了小范圍的拉應力集中，量值較小。隧道深埋側(cè)拱腳和拱部存在不同程度的壓應力集中區(qū)。進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮支護結(jié)構(gòu)能夠抵抗偏壓作用引起的不均勻變形。3)塑性區(qū)主要產(chǎn)生在隧道兩側(cè)邊墻及拱部，在隧道施工時，應注意及時采取噴錨等措施，防止隧道洞周裂隙進一步擴展，從而減小塑性區(qū)范圍。此外，斷層穿過處產(chǎn)生了較多的塑性區(qū)并且圍巖變形在此處產(chǎn)生了突變，施工時應減小進尺并加強支護。

[1] 鐵道部第二設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1976.

[2] 王叔剛，李術(shù)才，王 剛，等.淺埋偏壓隧道洞口施工技術(shù)及穩(wěn)定性分析研究[J].巖土力學，2006(27):364-368.

[3] 立 敏，劉小兵.交通隧道工程[M].長沙:中南大學出版社，2003.

[4] 李海威，李德武，常衛(wèi)鋒.淺埋偏壓隧道圍巖力學與變形研究[J].蘭州交通大學學報，2012，31(1):43-51.