成洞質(zhì)量差異條件下的隧道施工數(shù)值模擬分析

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

1 案例工程背景

龍坪隧道穿越淺埋山谷復(fù)雜地層，圍巖地質(zhì)包括泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖以及石英砂巖層，隧頂風(fēng)化土層為1.50～3m左右，上覆巖層在5～25m左右，巖層普遍傾角在40°～45°之間。實(shí)施常規(guī)爆破挖掘，在穿越最低山谷部位時(shí)，地表發(fā)生塌陷，洞內(nèi)出現(xiàn)塌方，終致塌陷塌方連通(見(jiàn)圖1)。

面對(duì)如此復(fù)雜軟弱的工程地質(zhì)條件，控制擾動(dòng)和盡可能保證理想的成洞質(zhì)量，是重要的工程策略和技術(shù)選項(xiàng)。而了解和掌握擾動(dòng)層與隧道初襯間的工程應(yīng)力影響關(guān)系，又是達(dá)成或強(qiáng)化上述施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的不可缺少的基本技術(shù)環(huán)節(jié)。

圖1 案例隧道工程塌陷塌方現(xiàn)場(chǎng)

2 有限元模型參數(shù)簡(jiǎn)介

模型45m×35m×40m(長(zhǎng)×寬×高)，隧道模擬取3.50m×2.20m下矩和1.75m的上圓半徑。模擬風(fēng)化土層深取3m，隧道山谷處上方取5m厚巖層。隧道周邊影響層考慮1.50m。巖層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層模擬力學(xué)參數(shù)

表2 模擬分析工況

3 隧道施工擾動(dòng)層與隧道初襯影響關(guān)系的模擬分析

3.1 擾動(dòng)層與隧道初襯沉降與位移對(duì)比分析

3.1.1 工況一

隧道施工開(kāi)挖至谷底位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面沉降分布值(見(jiàn)表3)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面隆升沉降分布曲線(見(jiàn)圖2)。

表3 開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面的沉降分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖2 開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面的沉降曲線

表3和圖2揭示，在巖層黏聚力下調(diào)為0.35MPa后，無(wú)論沉降還是隆升均保持穩(wěn)定上升之勢(shì)，尤其是當(dāng)巖層強(qiáng)度參數(shù)在70%以下時(shí)，圍巖位移變化最顯著，其中，沉降值的浮動(dòng)變化表現(xiàn)為1.35～79.00，而隆升更是達(dá)到了1.20～850.00，但就整體來(lái)看，距離山谷越近位移變化越明顯，經(jīng)實(shí)地勘察之后，決定以臨近圍巖為切入點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖。在巖石強(qiáng)度參數(shù)得到進(jìn)一步強(qiáng)化之后，沉降(隆升)值則明顯降低，只達(dá)到了弱參數(shù)條件下的2.2%～74.26%(3.33%～83.65%)。

隧道施工開(kāi)挖至谷底位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面最大位移分布值(見(jiàn)表4)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面位移分布曲線(見(jiàn)圖3)。

表4 開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面的最大位移數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖3 開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面的最大位移曲線

表4和圖3揭示，在巖石強(qiáng)度參數(shù)不斷增大的情況下，圍巖位移范圍則隨之縮小；但是在受到爆破等外部因素影響導(dǎo)致巖層強(qiáng)度參數(shù)大幅度降低時(shí)，就會(huì)致使圍巖位移范圍快速擴(kuò)大，而變化最為明顯的當(dāng)屬臨近山谷及山谷這兩個(gè)位置。強(qiáng)參數(shù)的巖層最大位移都明顯小于弱參數(shù)的最大位移，并且在谷底前位置內(nèi)的位移變化尤為明顯。

3.1.2 工況二

隧道施工挖過(guò)谷底7.50m位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面沉降分布值(見(jiàn)表5)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面隆升沉降分布曲線(見(jiàn)圖4)。

表5 開(kāi)挖過(guò)谷底7.50m位置典型圍巖斷面的沉降分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖4 開(kāi)挖過(guò)谷底7.50m位置典型圍巖斷面的沉降曲線

表5和圖4揭示，在巖層黏聚力下調(diào)為0.35MPa后，無(wú)論沉降還是隆升均保持穩(wěn)定上升之勢(shì)，尤其是當(dāng)巖層強(qiáng)度參數(shù)在70%以下時(shí)，圍巖位移變化最顯著，其中，沉降值的浮動(dòng)變化表現(xiàn)為1.09～1.18，而隆升更是達(dá)到了1.02～1.13，但就整體上來(lái)看，距離山谷越近位移變化越明顯，而在巖石強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化之后，沉降(隆升)值則明顯減小，為弱參數(shù)條件下的84.88%～91.35%。

隧道施工挖過(guò)谷底7.50m位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面最大位移分布值(見(jiàn)表6)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面最大位移分布曲線(見(jiàn)圖5)。

表6 開(kāi)挖過(guò)谷底7.50m位置典型圍巖斷面的最大位移分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖5 開(kāi)挖過(guò)谷底7.50m位置典型圍巖斷面的位移曲線

表6和圖5揭示，隨著開(kāi)挖作業(yè)進(jìn)程的不斷加快，在開(kāi)挖到山谷位置時(shí)，盡管反映出強(qiáng)參數(shù)的巖層最大位移明顯小于弱參數(shù)的最大位移，不過(guò)兩者的位移變化幅度卻相對(duì)平穩(wěn)，并且在谷底前10～15m位置內(nèi)的位移變化仍尤為明顯。在開(kāi)挖到谷底之后，因襯砌支護(hù)工作做得非常到位，巖層黏聚力下調(diào)至0.35MPa后，在距離開(kāi)挖工作面20m范圍內(nèi)，巖層位移整體趨向平穩(wěn)，不過(guò)仍巖性較差，不可避免地出現(xiàn)了位移范圍擴(kuò)大的問(wèn)題，

3.1.3 工況三

隧道施工即將完工時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面沉降分布值(見(jiàn)表7)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面沉降分布曲線(見(jiàn)圖6)。

表7和圖6揭示，在巖層黏聚力下調(diào)為0.35MPa后，無(wú)論沉降還是隆升均保持穩(wěn)定上升之勢(shì)，尤其是當(dāng)巖層強(qiáng)度參數(shù)在70%以下時(shí)，圍巖位移變化最顯著，其中，沉降值的浮動(dòng)變化表現(xiàn)為1.12～1.64，而隆升更是達(dá)到了1.03～1.32，但就整體上來(lái)看，距離山谷越近位移變化越明顯。

表7 開(kāi)挖即將完工時(shí)典型圍巖斷面的沉降分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖6 開(kāi)挖即將完工時(shí)典型圍巖斷面的沉降曲線

隧道施工即將完工時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面最大位移分布值(見(jiàn)表8)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面最大位移分布曲線(見(jiàn)圖7)。

表8 開(kāi)挖即將完工時(shí)典型圍巖斷面的最大位移分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖7 開(kāi)挖即將完工時(shí)典型圍巖斷面的位移曲線

表8和圖7均明確反映了強(qiáng)參數(shù)的巖層最大位移都明顯小于弱參數(shù)的最大位移，不過(guò)在谷底位置的位移變化已不太顯著。

3.2 擾動(dòng)層與隧道初襯應(yīng)力對(duì)比分析

3.2.1 工況一

隧道施工開(kāi)挖至案例谷底位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面有效主應(yīng)力分布值(見(jiàn)表9)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面有效主應(yīng)力曲線(見(jiàn)圖8)。

表9 開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面的有效主應(yīng)力分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖8 開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面的有效主應(yīng)力曲線

在對(duì)表9和圖8進(jìn)行全面分析后進(jìn)一步了解到，在巖層黏聚力下調(diào)為0.35MPa后，就整體上來(lái)看，巖層斷面最大有效主應(yīng)力保持快速增大之勢(shì)，尤其是當(dāng)巖層強(qiáng)度參數(shù)在70%以下時(shí)，主應(yīng)力變化最為顯著。分析后發(fā)現(xiàn)，在巖石強(qiáng)度參數(shù)不斷增大的情況下，圍巖應(yīng)力分布范圍則隨之縮小；但是在受到爆破等外部因素影響導(dǎo)致巖層強(qiáng)度參數(shù)大幅度降低時(shí)，就會(huì)造成應(yīng)力分布范圍快速擴(kuò)大，而變化最為明顯的當(dāng)屬臨近山谷以及山谷這兩個(gè)位置。

3.2.2 工況二

隧道施工挖過(guò)谷底7.50m位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面有效主應(yīng)力分布值(見(jiàn)表10)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面有效主應(yīng)力分布曲線(見(jiàn)圖9)。

表10 挖過(guò)谷底7.50m位置典型圍巖斷面的有效主應(yīng)力分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖9 挖過(guò)谷底7.50m位置典型圍巖斷面的有效主應(yīng)力曲線

在對(duì)表10和圖9進(jìn)行全面分析后進(jìn)一步了解到，在巖層黏聚力下調(diào)為0.35MPa后，就整體上來(lái)看，巖層斷面最大有效主應(yīng)力保持快速增大之勢(shì)，尤其是當(dāng)巖層強(qiáng)度參數(shù)在70%以下時(shí)，主應(yīng)力變化最為顯著，其中，壓應(yīng)力的浮動(dòng)變化表現(xiàn)為1.01～1.46，而拉應(yīng)力更是達(dá)到了1.01～1.46，因?yàn)樵趯?shí)際計(jì)算的過(guò)程中是以超過(guò)山谷7.50m的位置為對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的，因此，通過(guò)獲取的數(shù)據(jù)分析結(jié)果得知該開(kāi)挖斷面形成的拉應(yīng)力明顯減小，而距離山谷位置越近，應(yīng)力增大趨勢(shì)就愈加顯著，特別是拉應(yīng)力浮動(dòng)變化尤為明顯。

3.2.3 工況三

隧道施工開(kāi)挖至案例谷底位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面有效主應(yīng)力分布值(見(jiàn)表11)，繪制對(duì)應(yīng)條件下的斷面有效主應(yīng)力分布曲線(見(jiàn)圖10)。

表11 開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面的有效主應(yīng)力分布數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖10 開(kāi)挖至谷底位置的有效主應(yīng)力曲線

在對(duì)表11和圖10進(jìn)行全面分析后進(jìn)一步了解到，當(dāng)巖層強(qiáng)度參數(shù)在70%以下時(shí)，距離山谷越近的位置形成的有效主應(yīng)力就越大，同樣道理，距離山谷位置越遠(yuǎn)的位置所形成的有效主應(yīng)力就越小，其中，壓應(yīng)力浮動(dòng)變化表現(xiàn)為1.04～1.69～0.88，而拉應(yīng)力更是達(dá)到了1.22～1.75～0.35。根據(jù)開(kāi)挖段的應(yīng)力分布情況可直觀發(fā)現(xiàn)，距離山谷位置越近，隨著巖層強(qiáng)度參數(shù)的不斷增大，壓(拉)應(yīng)力分布趨勢(shì)就越不清晰，但在開(kāi)挖過(guò)山谷之后的一段距離，即便巖層強(qiáng)度參數(shù)明顯減小，也沒(méi)有改變應(yīng)力分布規(guī)律。在特殊情況下，反而出現(xiàn)了應(yīng)力幅值因巖層參數(shù)提高而驟然增大的現(xiàn)象。

3.3 擾動(dòng)層與隧道初襯塑性區(qū)分布對(duì)比分析

3.3.1 工況一

隧道施工挖至谷底位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面塑性區(qū)分布值。

在對(duì)開(kāi)挖至谷底位置典型圍巖斷面初襯塑性區(qū)狀態(tài)進(jìn)行全面分析后進(jìn)一步了解到，在巖層黏聚力下調(diào)為0.35MPa后，就整體上來(lái)看，該開(kāi)挖地段表現(xiàn)出較為明顯的塑性區(qū)分布差異，在強(qiáng)參數(shù)的條件下，只在洞口臨近斷面形成了小范圍的塑性區(qū)，而該段的圍巖破壞方式具體表現(xiàn)為兩種，一種是開(kāi)挖之前的剪切破壞，另一種是開(kāi)挖之前的拉破壞。而在弱擾動(dòng)裝藥條件下，基本上整個(gè)開(kāi)挖斷面均形成了嚴(yán)重的塑性區(qū)，而這種破壞不只局限于開(kāi)挖之前，還涉及了當(dāng)前開(kāi)挖造成的破壞，并且圍巖的破壞方式主要以剪切破壞最為常見(jiàn)，拉破壞不是太嚴(yán)重，初襯結(jié)構(gòu)完好無(wú)損，沒(méi)有遭到明顯破壞。

3.3.2 工況二

隧道施工挖過(guò)谷底7.50m位置時(shí)，計(jì)算其強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層的圍巖典型斷面塑性區(qū)分布值。

對(duì)挖過(guò)谷底7.50m位置典型圍巖斷面初襯塑性區(qū)狀態(tài)的全面分析結(jié)果顯示：在巖層強(qiáng)度參數(shù)不斷增大的情況下，圍巖塑性區(qū)分布趨勢(shì)不太清晰，但是，在受到爆破等外部因素影響導(dǎo)致巖層強(qiáng)度參數(shù)大幅度降低時(shí)，圍巖就會(huì)因受到巨大的剪切力作用而形成大面積的塑性區(qū)。除此之外，經(jīng)實(shí)地勘察及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)一步得知，初襯結(jié)構(gòu)并未遭到破壞，原因在于圍巖塑性區(qū)擴(kuò)大沒(méi)有影響到柔性初襯結(jié)構(gòu)。由此說(shuō)明，在弱擾動(dòng)裝藥條件下的爆破不會(huì)對(duì)巖層造成重大破壞，可從源頭上保證成洞質(zhì)量，最為重要的一點(diǎn)是，圍巖裂痕形成的概率大大降低，另外，由于能很好地控制圍巖塑性區(qū)分布范圍，為施工作業(yè)順利開(kāi)展創(chuàng)造了便利條件，保證了隧道投入使用的安全性與可靠性。

4 結(jié) 論

本文參考案例工程，以有限元模擬分析法，對(duì)成洞質(zhì)量差異條件下的隧道擾動(dòng)層與隧道初襯影響關(guān)系，開(kāi)展了針對(duì)性分析研究。主要結(jié)論：圍巖沉降位移受到擾動(dòng)層強(qiáng)度變化的影響，埋深越淺的洞段，這種影響越明顯(比如山谷環(huán)境段)；巖層強(qiáng)度參數(shù)大幅度降低時(shí)，會(huì)造成應(yīng)力分布范圍快速擴(kuò)大，而變化最為明顯的當(dāng)屬臨近山谷以及山谷這兩個(gè)位置；受到爆破等外部因素影響導(dǎo)致巖層強(qiáng)度參數(shù)大幅度降低時(shí)，圍巖會(huì)因受到巨大剪切力作用而形成大面積的塑性區(qū)；弱擾動(dòng)裝藥爆破，使圍巖裂痕生成概率大幅降低，能很好地控制圍巖塑性區(qū)分布范圍，有利于提高軟弱地質(zhì)條件隧道的成洞質(zhì)量和安全施工。