考慮圍巖蠕變特性的隧道仰拱開挖時(shí)序性研究

盧向勇，陳偉庚，鄧皇適，傅鶴林，史越，王金，趙運(yùn)亞

考慮圍巖蠕變特性的隧道仰拱開挖時(shí)序性研究

盧向勇1，陳偉庚1，鄧皇適2，傅鶴林2，史越2，王金3，趙運(yùn)亞2

(1. 中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 深圳工程建設(shè)指揮部，廣東 深圳 518000；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3. 中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

以贛州-深圳高速鐵路松崗山隧道為背景，在砂巖室內(nèi)蠕變試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助有限元軟件建立隧道三臺階開挖數(shù)值分析模型，對比經(jīng)典彈塑性和考慮蠕變效應(yīng)下的拱頂沉降計(jì)算結(jié)果，分析仰拱封閉距離和仰拱暴露長度2個(gè)因素的影響效應(yīng)。研究結(jié)果表明：在復(fù)雜應(yīng)力條件下，考慮圍巖的蠕變特性會(huì)使數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程情況更加吻合；隧道初期支護(hù)的穩(wěn)定性首先受仰拱封閉距離的影響，其次是仰拱暴露長度；仰拱封閉距離與仰拱暴露長度應(yīng)遵循“長封短暴”和“短封長暴”的原則。研究結(jié)果對發(fā)展巖石蠕變力學(xué)計(jì)算和提高隧道仰拱施工效率具有指導(dǎo)意義。

蠕變模型；隧道仰拱；封閉距離；暴露長度；數(shù)值分析

在隧道仰拱施工過程中，為方便大型施工機(jī)械作業(yè)，往往需要將仰拱封閉距離增大、暴露長度增長，這樣很可能會(huì)改變隧道初期支護(hù)和圍巖之間的作用關(guān)系，破壞承載環(huán)導(dǎo)致出現(xiàn)初期支護(hù)變形、圍巖松動(dòng)、拱頂沉降、拱腰收斂等工程問題[1?2]。此外，復(fù)雜地應(yīng)力場條件下的巖體蠕變也一直是巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題，由蠕變造成的隧道坍塌、襯砌開裂、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、滲漏水等給工程的施工和運(yùn)營帶來很大危害[3?5]。近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者對隧道仰拱開挖和封閉的時(shí)序性進(jìn)行了研究。王宇等[6]借助FLAC3D軟件，較早開展了臺階法隧道仰拱封閉距離的影響效應(yīng)研究，得到了圍巖最大豎向壓應(yīng)力和水平拉應(yīng)力隨仰拱封閉距離的變化趨勢；靳寶成等[7]以黃土隧道為背景，提出了“預(yù)切槽”確定隧道仰拱封閉距離的方法，并計(jì)算分析了不同封閉距離下隧道結(jié)構(gòu)的變形情況；沈亞彬等[8]借助ANSYS軟件，開展了隧道仰拱開挖對初期支護(hù)的影響分析，計(jì)算確定了仰拱開挖的影響范圍和程度；劉招偉等[9]提出了臺階法(帶仰拱)的一次開挖新技術(shù)，并從結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)和設(shè)備空間布置等方面闡明了該工法的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。此外，在巖石的蠕變特性方面，很多屈服模型不斷被建立和修正，劉新喜等[10]以泥質(zhì)粉砂巖為研究對象，提出一種可以描述高應(yīng)力作用下巖石蠕變?nèi)^程的變參數(shù)模型；蘇騰等[11]從流變原件的物理意義出發(fā)，提出了一種彈塑性?損傷耦合的蠕變?nèi)^程模型。由上述分析可知，現(xiàn)有研究針對仰拱開挖封閉時(shí)效性和巖石蠕變計(jì)算較多，但很少考慮到圍巖蠕變對仰拱施工時(shí)序性的影響，且有限元計(jì)算軟件中的蠕變模型開發(fā)還不夠完善。因此，本文對砂巖在復(fù)雜地應(yīng)力條件下的蠕變特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，擬合得到修正Burgers體的力學(xué)參數(shù)，并借助有限元軟件對仰拱封閉距離和暴露長度2個(gè)施工參數(shù)進(jìn)行研究分析。

1 試樣與試驗(yàn)方案

1.1 工程背景

本次試驗(yàn)所采用的砂巖試樣取自新建贛州至深圳高速鐵路的控制性工程——松崗山隧道。該隧道全長9 881 m，最大埋深約353 m，地下水不發(fā)育，地應(yīng)力反演出的最大主應(yīng)力達(dá)10~15 MPa。強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主的裂隙巖體和高地應(yīng)力圍巖蠕變等問題為松崗山隧道的三臺階法機(jī)械化施工提出了巨大挑戰(zhàn)，因此在施工前確定仰拱封閉的安全距離和仰拱暴露長度顯得尤為必要。本次試驗(yàn)所有巖樣均取自洞口段(埋深約50 m，V級圍巖)同一均勻完整、無節(jié)理裂隙的巖體，此處地勢平坦且基本不受構(gòu)造應(yīng)力的影響。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12?14]，加工成直徑50 mm，長度100 mm，誤差±0.5 mm，端面平行度±0.02 mm的圓柱形試樣，如圖1所示。

圖1 隧道洞口段砂巖巖樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

巖樣的室內(nèi)流變試驗(yàn)采用全自動(dòng)三軸壓縮伺服試驗(yàn)系統(tǒng)完成。由于洞口段圍巖埋深較淺，基本不受地質(zhì)構(gòu)造作用，所以圍壓可按自重應(yīng)力的一半取值，即5 MPa。為得到砂巖的流變特性參數(shù)，首先進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)確定砂巖的平均抗壓強(qiáng)度為42.3 MPa，然后分4級進(jìn)行加載(10，20，30和40 MPa)，每隔5 h記錄一次變形數(shù)據(jù)，總持續(xù)時(shí)間在300 h左右。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

贛深高鐵松崗山隧道砂巖流變試驗(yàn)結(jié)果和擬合曲線如圖2所示，可以看出：該蠕變主要體現(xiàn)為衰減型蠕變，即荷載較小時(shí)，蠕變速率隨著時(shí)間的增加逐漸減小，呈凸函數(shù)增長，與Burgers體模型的蠕變規(guī)律基本相符；當(dāng)荷載為40 MPa時(shí)，蠕變速率基本不受時(shí)間的增加而改變且與Burgers體不符，說明此時(shí)巖樣已處在臨界破壞階段，再加大荷載將發(fā)生塑性破壞且無法恢復(fù)。

(a) 1級荷載10 MPa；(b) 2級荷載30 MPa；(c) 3級荷載20 MPa；(d) 4級荷載40 MPa

針對經(jīng)典Burgers體不能反映較高荷載條件下巖石塑性變形規(guī)律的問題，姚軍[15]提出了一種修正Burgers體蠕變模型，假設(shè)黏彈性和黏塑性應(yīng)變率分量變形協(xié)調(diào)，嘗試將凱爾文模型和馬克斯維爾模型串聯(lián)構(gòu)成黏彈性體，以此來模擬彈塑性體積行為與黏彈塑性偏量特性，如圖3所示。流變方程為

式中：m，k分別為馬克斯維爾體和凱爾文體的彈性模量；m，k分別為馬克斯維爾和凱爾文體的黏滯系數(shù)；m為塑性應(yīng)變。

綜上所述，砂巖蠕變試驗(yàn)的修正Burgers體擬合參數(shù)如表1所示。

圖3 修正Burgers體蠕變模型

表1 修正Burgers體的試驗(yàn)擬合參數(shù)

2 數(shù)值分析

2.1 建立分析模型

松崗山隧道洞口段斷面及其支護(hù)形式如圖4 所示。

通過Rhino軟件建立隧道數(shù)值計(jì)算模型，如圖5所示?？紤]到隧道開挖對周邊圍巖的影響，計(jì)算模型沿隧道走向(縱向軸)取80 m，隧道正交的水平方向取70 m，隧道下部深度取50 m，隧道埋深為30~50 m，為簡化數(shù)值計(jì)算模型，模型向上取40 m，計(jì)算模型上邊界為自由邊界，其余各側(cè)面和底面為法向約束邊界。通過FISH語言，將修正Burgers體嵌入計(jì)算模塊，并令圍巖符合該蠕變本構(gòu)關(guān)系。

單位：mm

圖5 數(shù)值分析計(jì)算模型

2.2 數(shù)值分析步驟

數(shù)值計(jì)算中隧道開挖按實(shí)際施工情況進(jìn)行，開挖步距及各臺階高度如圖6所示，模型開挖計(jì)算步驟如下：1) 開挖前，將開挖面前方4 m范圍內(nèi)的巖土體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)提高20%，以實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)的效果；2) 將上臺階單元定義為null單元，循環(huán)20 h后將預(yù)留的初期支護(hù)賦予理想彈性模型并循環(huán)4 h；3) 上臺階連續(xù)開挖10次后開挖中臺階，中臺階開挖、支護(hù)施作時(shí)間與上臺階相同；4) 中臺階連續(xù)開挖2次后開挖下臺階，最后上中下臺階同時(shí)開挖；5) 下臺階推進(jìn)10.8 m后開挖仰拱。

圖6 三臺階開挖示意圖

2.3 參數(shù)確定

隧道開挖的建模計(jì)算中，主要涉及圍巖和初期支護(hù)的參數(shù)確定，其中圍巖的流變參數(shù)由表1可獲得，圍巖和初期支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)可根據(jù)勘察設(shè)計(jì)文件選取，如表2所示。

表2 計(jì)算模型的材料基本參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 蠕變對隧道力學(xué)性能的影響

為了對比圍巖蠕變對隧道力學(xué)性能的影響，首先采用理想彈塑性模型(Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，以下簡稱M-C準(zhǔn)則)對隧道進(jìn)行了三臺階開挖計(jì)算(仰拱封閉距離30 m，仰拱暴露長度6 m)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

(a) 上臺階開挖并施作襯砌；(b) 上臺階開挖24 m；(c) 中臺階開挖7.2 m；(d) 下臺階開挖10.8 m；(e) 仰拱開挖；(f) 仰拱封閉距離30 m開挖完

在開挖計(jì)算過程中，對仰拱封閉距離分別取30，40，45，50，55和60 m，得到隧道拱頂?shù)淖畲蟪两登€如圖8所示，其最大沉降變形出現(xiàn)在開挖起始面且僅為2.5 mm。可以看出，采用理想彈塑性模型(M-C)時(shí)，仰拱封閉長度增加對拱頂最大沉降影響極小，這與實(shí)際工程情況是有一定差距的。

圖8 M-C模型計(jì)算得到的拱頂沉降曲線

同樣模型采用修正Burgers蠕變模型進(jìn)行計(jì)算(仰拱封閉距離30 m，仰拱暴露長度6 m)，得到拱頂?shù)拈_挖起始面(最大沉降量)隨開挖時(shí)間的變化如圖9所示，可以看出：開挖起始面的拱頂沉降隨開挖時(shí)間的增加而增加，且沉降速度先增大后減?。划?dāng)仰拱開挖后，其承載環(huán)的穩(wěn)定性被破壞，此時(shí)拱頂?shù)某两邓俣燃眲≡黾樱徊捎肕-C模型時(shí)，由于沒有考慮開挖引起的圍巖蠕變效應(yīng)，忽略了開挖工序的時(shí)效性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不能反應(yīng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化且拱頂沉降計(jì)算較??；采用修正Burgers模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，突出了施工步序的時(shí)效性，計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

3.2 仰拱封閉距離

根據(jù)3.1的對比分析結(jié)果，對砂巖采用蠕變Burgers體，計(jì)算得到仰拱封閉距離分別為30，40，45，50，55和60 m等情況下的拱頂最大沉降值，如圖10和表3所示?？梢钥闯觯汗绊敵两底畲笪恢梦挥陂_挖起始面處，隨著開挖面距離的增加，拱頂沉降減小；仰拱封閉距離為60 m時(shí)，拱頂沉降最大可達(dá)23.7 mm，封閉距離對拱頂最大沉降值的影響明顯，主要原因是封閉距離的增加，仰拱暴露時(shí)間更長，圍巖蠕變效應(yīng)更明顯，導(dǎo)致初期支護(hù)的變形增加。

圖9 拱頂最大位移隨時(shí)間變化曲線

圖10 拱頂沉降變化曲線

表3 不同仰拱封閉距離下拱頂?shù)淖畲笪灰魄闆r

3.3 仰拱暴露長度

除仰拱段封閉距離外，仰拱的暴露長度也對初期支護(hù)的穩(wěn)定性有較大的影響，因此分別采用修正Burgers蠕變體計(jì)算仰拱暴露長度分別為6，5，4和3 m時(shí)所引發(fā)的拱頂沉降，如圖11和表4所示。可以看出：隨著仰拱暴露長度的增加，拱頂最大沉降也隨之增加，說明仰拱暴露長度越大，初期支護(hù)的穩(wěn)定性越弱，其承力環(huán)也更容易失穩(wěn)破壞；隨著封閉距離的增加，拱頂最大沉降量對仰拱暴露長度越來越敏感，因此在實(shí)際工程中，根據(jù)施工機(jī)械或者施工方案的要求，兩者距離關(guān)系可以遵循“長封短暴”或“短封長暴”的原則。

圖11 拱頂沉降變化曲線

表4 隧道仰拱暴露長度3~6 m時(shí)的拱頂最大位移

4 結(jié)論

1) 以Burgers修正模型為基礎(chǔ)，通過蠕變室內(nèi)加載試驗(yàn)和回歸分析，得到砂巖的蠕變力學(xué)參數(shù)。

2) 建立隧道三臺階開挖模型，將圍巖材料分別賦予理想彈塑性模型(M-C)和蠕變模型(修正Burgers體)，對比證明了復(fù)雜地應(yīng)力場條件下應(yīng)重視開挖工序的時(shí)效性以及巖石的蠕變性。

3) 考慮巖石蠕變效應(yīng)后，對初期支護(hù)穩(wěn)定性影響最大的是仰拱封閉的距離，其次是仰拱暴露 長度。

4) 得出仰拱封閉距離對隧道拱頂沉降的影響，仰拱封閉距離越小，初期支護(hù)的穩(wěn)定性越強(qiáng)，初期支護(hù)所形成的承力環(huán)效果越明顯。

5) 得出仰拱暴露長度對隧道拱頂沉降的影響，拱頂最大沉降對仰拱暴露長度的增加越來越敏感。因此，在實(shí)際工程中為了方便施工作業(yè)，仰拱封閉距離與仰拱暴露長度可遵循“長封短暴”和“短封長暴”的原則。

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Study on time series of tunnel inverted arch excavation considering creep characteristics of surrounding rock

LU Xiangyong1, CHEN Weigeng1, DENG Huangshi2, FU Helin2, SHI Yue2, WANG Jin3, ZHAO Yunya2

(1. China Railway Guangzhou Bureau Group Co., Ltd. Shenzhen Engineering Construction Command, Shenzhen 518000, China;2. College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;3. Railway Third Bureau Group Co., Ltd, Taiyuan 030000, China)

Taking the SongGangMountain tunnel of the Ganzhou-Shenzhen high-speed railway as the background, based on the indoor creep test of sandstone, a numerical analysis model of the three bench excavation of the tunnel was established with the help of finite element software. Comparing the calculation results of vault settlement under classical elastoplasticity and considering the creep effect, the settlement calculation results analyze the influence of two factors, the closed distance of the inverted arch and the exposed length of the inverted arch. The research results show that: under complex stress conditions, considering the creep characteristics of the surrounding rock will make the numerical calculation results more consistent with the actual engineering situation; the stability of the initial support of the tunnel is firstly affected by the closing distance of the arch, followed by the exposure of the inverted arch length; The enclosed distance and the exposed length of the inverted arch should follow the principles of “l(fā)ong seal short exposure” and “short seal long exposure”. The research results have guiding significance for developing the calculation of rock creep mechanics and improving the efficiency of tunnel arch construction.

creep constitution; tunnel inverted arch; closure distance; exposure length; simulated analysis

U451

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0900 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190646

2019?07?17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51978668，51578550)；中國鐵路總公司科技研究計(jì)劃課題項(xiàng)目(J2018Z503)

盧向勇(1973?)，男，湖南瀏陽人，高級工程師，從事鐵道建設(shè)管理工作；E?mail：lxy0811@163.com

(編輯 涂鵬)