基于圍巖特性的黃土隧道力學(xué)性能分析

魏瑞芬

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

隧道交通事業(yè)的發(fā)展，黃土隧道在我國(guó)越來越多。目前黃土隧道的相關(guān)規(guī)范[1-3]基本參照巖質(zhì)隧道[4]。而通過大量研究發(fā)現(xiàn)，黃土隧道和巖質(zhì)隧道的力學(xué)形態(tài)有很大差別，特別是隧道的圍巖性質(zhì)差異顯著。如黃土具有大孔隙結(jié)構(gòu)、垂直節(jié)理發(fā)育、遇水濕陷大變形等[5-6]特征，在工程中易產(chǎn)生較嚴(yán)重病害，而巖質(zhì)隧道則不具有這些病因。

綜上，認(rèn)為在進(jìn)行黃土隧道相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須考慮圍巖性質(zhì)的影響，而不是完全照搬規(guī)范規(guī)定的參數(shù)取值。因此筆者通過有限差分軟件FLAC3D建立隧道開挖模型，通過fish編程考慮圍巖特性對(duì)隧道開挖變形的影響，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以揭示黃土隧道中圍巖結(jié)構(gòu)的重要影響。

1 工程概況

喬原隧道位于鄉(xiāng)寧縣喬原村東側(cè)約20 m，設(shè)計(jì)為左右分離式，隧道左右線均屬長(zhǎng)隧道，總體走向呈西北-東南向，兩洞中軸線最大間距約32 m。右線洞體全長(zhǎng)1 626 m，吉縣端洞口里程樁號(hào)K9+152，洞口底板設(shè)計(jì)高程1 033.922 m，河津端洞口里程樁號(hào)K10+778，洞口底板設(shè)計(jì)高程1 033.734 m，洞體最大埋深114.98 m，位于K10+100處；左線洞體全長(zhǎng)1 572 m，吉縣端洞口里程樁號(hào)ZK9+163，洞口底板設(shè)計(jì)高程1 034.041 m，河津端洞口里程樁號(hào)ZK10+735，洞口底板設(shè)計(jì)高程1 034.352 m，洞體最大埋深116.254 m，河津端洞口里程樁號(hào)ZK10+100處。洞口均位于黃土沖溝北岸斜坡上，交通較為困難。

2 數(shù)值模擬方法

根據(jù)喬原隧道的地質(zhì)資料及研究?jī)?nèi)容需要，建立如圖1的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算參數(shù)如表1，模型尺寸為長(zhǎng)108 m，寬35 m，高54 m，為雙洞模型，考慮開挖過程中左右洞的相互影響。模型共140 200個(gè)單元，145 707個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件為模型底部3個(gè)方向全約束，沿隧道軸線方向約束前后兩個(gè)表面的y方向，垂直隧道軸線方向約束左右兩個(gè)表面的x方向，上表面為自由表面?？紤]到實(shí)際開挖情況，右洞在開挖時(shí)滯后于左洞5個(gè)開挖步，每個(gè)開挖步開挖0.7 m。

圖1 喬原隧道計(jì)算模型

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

考慮到邊界效應(yīng)的影響，選取隧道左洞開挖至y=24.5 m，右洞開挖至y=17.5 m處的模型進(jìn)行分析，首先考察了隧道開挖后左右洞的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。

3.1 不考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)的隧道變形分析

圖2 雙洞開挖后塑性圖

雙洞開挖后的塑性圖2說明，隧道開挖后其洞周發(fā)生了明顯的塑性破壞，且呈現(xiàn)出規(guī)律性。左洞周圍基本為過去發(fā)生的塑性破壞，而右洞周圍靠近左洞側(cè)為正在發(fā)生的塑性變形，遠(yuǎn)離左洞側(cè)為過去發(fā)生的塑性變形，左右洞的塑性變形區(qū)域呈對(duì)稱分布。

從圖3中可以看出，隧道開挖后最大沉降出現(xiàn)在拱頂處，之后向地表方向呈柱狀減小。仰拱處表現(xiàn)為隆起，呈半圓狀向基層減小。左右洞開挖后整體豎向位移呈對(duì)稱分布。其最大位移值為1.8 cm，最大隆起量為2.47 cm。

考察了雙洞開挖后不同位置處的沉降曲線，如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)左右洞拱頂?shù)某两登€基本都可分為3個(gè)階段，即緩慢增長(zhǎng)段、陡增段和穩(wěn)定段，地表縱向沉降由于總體沉降偏小，不同位置處差異不大，且相對(duì)拱頂位移更小，在圖中顯示為較平滑的曲線形態(tài)。同時(shí)可以看出，在洞口處左右洞拱頂處的沉降值大致相同，可初步判斷為左右洞拱頂沉降相互影響較小，主要受各自洞掌子面的位置影響。地表的沉降曲線則為左右洞共同影響的結(jié)果。

圖4 不同位置的豎向沉降曲線

3.2 考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)的隧道變形分析

圖5 隧道開挖塑性區(qū)

圖5給出了隧道開挖塑性區(qū)在是否考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)的對(duì)比云圖。可以看出兩幅圖均是左洞的塑性區(qū)面積較右洞的塑性區(qū)面積大，原因主要是因?yàn)樽蠖礊橄刃卸矗扔谟叶?個(gè)開挖步距所致。比較圖5a、圖5b兩圖還可發(fā)現(xiàn)，不考慮結(jié)構(gòu)性變化時(shí)塑性區(qū)主要表現(xiàn)為正在發(fā)生的剪切破壞，在中線位置和掌子面周邊表現(xiàn)為較少的正在發(fā)生和已經(jīng)發(fā)生的剪切破壞。而考慮結(jié)構(gòu)性影響后，塑性區(qū)主要表現(xiàn)為正在發(fā)生和已經(jīng)發(fā)生的剪切破壞共同作用，影響面積較未考慮結(jié)構(gòu)性影響時(shí)大。

圖6 黃土結(jié)構(gòu)性對(duì)隧道開挖變形的影響

圖6給出了黃土結(jié)構(gòu)性對(duì)隧道開挖后左洞拱頂縱向沉降曲線、右洞拱頂縱向沉降曲線及隧道中線地表縱向沉降曲線的影響規(guī)律?？梢钥闯?，無論是左洞拱頂沉降、右洞拱頂沉降，還是地表沉降，在考慮結(jié)構(gòu)性變化后三者的沉降值均大于未考慮結(jié)構(gòu)性變化時(shí)的沉降值，最大差值約為3 mm，差異效果較明顯。

圖7 結(jié)構(gòu)性影響曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖

圖7提取了距隧道進(jìn)口3.5 m處的拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。不難發(fā)現(xiàn)，在開始段不考慮結(jié)構(gòu)性變化時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)拱頂沉降值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值較為接近，但與考慮結(jié)構(gòu)性變化時(shí)拱頂沉降數(shù)據(jù)值差異較小。到達(dá)12 m左右時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突然增大，并迅速大于考慮結(jié)構(gòu)性變化時(shí)的數(shù)據(jù)，分析原因是因?yàn)殚_始段結(jié)構(gòu)性破壞較小，整體還沒有發(fā)生大變形，隨著開挖的推進(jìn)，變形逐漸增大，到一定程度結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞，形成次生結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為沉降值驟增。因此總體上分析，認(rèn)為考慮結(jié)構(gòu)性變化時(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。

4 結(jié)論

黃土隧道是自然界中廣泛存在的一種隧道形式。其因特殊的圍巖結(jié)構(gòu)而被廣大學(xué)者所關(guān)注。本文通過數(shù)值模擬的方法，分析了圍巖特性對(duì)黃土隧道開挖變形的影響，得出了以下有益結(jié)論：

a）圍巖結(jié)構(gòu)對(duì)黃土隧道開挖變形有重要影響，在考慮圍巖特性影響后隧道變形值較未考慮時(shí)大。

b）通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出考慮圍巖特性影響后隧道變形值更接近實(shí)測(cè)結(jié)果。

c）黃土隧道在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須考慮圍巖結(jié)構(gòu)特性的影響，分析的結(jié)果才能更接近工程實(shí)際。