層狀軟巖隧道穩(wěn)定性及受力變形特性研究

周 星， 高 杭， 衛(wèi)亞科， 胡 煒

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031； 2 .中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西太原 030024； 3.中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

隧道在穿越層狀巖體時(shí)，由于巖體傾斜且存在層理、節(jié)理等弱結(jié)構(gòu)面，隧道的開挖擾動(dòng)可能使得圍巖產(chǎn)生局部失穩(wěn)，圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)可能會(huì)承受不對(duì)稱的偏壓荷載[1-3]。對(duì)于層狀軟巖引起的偏壓隧道及其圍壓壓力的計(jì)算方法研究一般分為模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩類。如周曉軍[2]對(duì)順層巖體作用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的偏壓載荷進(jìn)行了模型試驗(yàn)，得出了地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖壓力的分布特點(diǎn)及其與不同順層傾角之間的變化關(guān)系；裴曉彤[4]應(yīng)用ABAQUS面-面接觸分析對(duì)地質(zhì)偏壓隧道圍巖壓力及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行非線性接觸分析與計(jì)算；李曉紅等[5]結(jié)合共和隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)隧道層狀巖體的破壞特征進(jìn)行了分析；夏彬偉[6]通過數(shù)值模擬等手段對(duì)深埋隧道層狀巖體的圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。以往的數(shù)值模擬大多是將層面和基巖分別模擬再定義接觸，將層面視為一種特殊的結(jié)構(gòu)，但這種方法不適用于層厚較薄、分層較多的復(fù)雜地質(zhì)模型[7]。

本文以鄭萬高鐵為工程背景，建立符合圍巖體特征的節(jié)理材料模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果，研究層狀軟巖隧道在不同層理面角度下的隧道穩(wěn)定性及其受力變形特征。

1 工程實(shí)例

1.1 隧道概況

在建鄭萬高鐵為設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h雙線隧道。某隧道進(jìn)口里程DK500+200，出口里程DK513+980，全長14 574m。以里程DK508+297隧道截面為研究對(duì)象，埋深240m，圍巖巖性為頁巖夾砂巖，多為薄層狀，層厚10～20cm，屬Ⅳ級(jí)圍巖，巖層走向與隧道軸線方向一致，傾角大約45°，傾向隧道右側(cè)。斷面掌子面圍巖情況見圖1。

圖1 DK508+297掌子面圍巖

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取隧道斷面上幾個(gè)典型特征點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，特征點(diǎn)分布如圖2所示。在圖中所示特征點(diǎn)初期支護(hù)背面埋設(shè)壓力盒，量測(cè)圍巖壓力，并量測(cè)記錄邊墻、拱腰、拱頂五個(gè)特征點(diǎn)的圍巖位移。

圖2 斷面典型特征點(diǎn)布置

2 算例模型

2.1 建立模型

應(yīng)用ABAQUS軟件，以隧道斷面圖為基礎(chǔ)建立隧道模型，隧道位于模型中心。圍巖和襯砌均采用solid實(shí)體單元模擬，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸采用面—面接觸的方式。左右邊界約束水平位移，底邊約束水平和垂直位移。圖3是按深埋隧道建立的計(jì)算模型初始豎向應(yīng)力。

圖3 初始豎向應(yīng)力場(chǎng)(單位：kPa)

2.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)地勘資料、相關(guān)文獻(xiàn)[8]和教程[9、10]，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。襯砌采用線彈性模型，而巖體和層理面采用ABAQUS節(jié)理材料模型。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算假定

本例為模擬實(shí)際情況，假設(shè)巖層走向與隧道軸線平行，傾向與軸線垂直且以傾角β傾向隧道右側(cè)，此時(shí)β取45 °；假設(shè)圍巖層理面平行均勻分布，層理面間距小，各層理面計(jì)算參數(shù)相同。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖的位移

圍巖開挖后的總位移云圖如圖4所示，圍巖變形計(jì)算結(jié)果與量測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。計(jì)算結(jié)果顯示：圍巖總位移云圖呈現(xiàn)明顯不對(duì)稱現(xiàn)象，最大位移出現(xiàn)在拱頂與右拱腰，最大值為5.868cm，邊墻變形量最小，仰拱隆起量較大最大可達(dá)4cm?，F(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)測(cè)變形顯示拱頂出現(xiàn)較大沉降，最大7.4cm，與計(jì)算值相差1.2cm。計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果位移偏小但具有相似的規(guī)律，最大位移均為拱頂和右拱腰部位，隧道右側(cè)位移普遍大于左側(cè)，較好地模擬了隧道的偏壓作用。

圖4 開挖后總位移云圖(單位：m)

圖5 圍巖位移計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比(單位：cm)

3.2 圍巖壓力

圍巖壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖6所示。計(jì)算結(jié)果顯示：右側(cè)邊墻和拱腰壓力較大，最大壓力246.9kPa，仰拱壓力最小，拱腳局部壓力較大，如左拱腳150kPa，斷面右側(cè)壓力整體大于左側(cè)相應(yīng)位置。實(shí)測(cè)結(jié)果中，拱頂、右側(cè)拱腰邊墻壓力較大，最大達(dá)到390kPa，與計(jì)算差值165kPa，左側(cè)和仰拱則較小，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果具有相似的規(guī)律，但偏壓效應(yīng)更顯著，圍巖兩側(cè)壓力差值較大。

圖6 圍巖壓力計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比(單位：kPa)

上述結(jié)果還表明，由ABAQUS節(jié)理材料模型計(jì)算得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果具有較好的統(tǒng)一性。以下將進(jìn)一步利用其研究層理面傾角對(duì)隧道及圍巖受力變形的影響。

4 層理面傾角對(duì)隧道及圍巖受力變形的影響

為更全面地了解層狀軟巖中圍巖及隧道的受力變形規(guī)律，以下將進(jìn)一步計(jì)算分析巖層傾角的影響。此時(shí)傾角β分別采用0 °、15 °、30 ° 、45 °、60 °、75 ° 、90 °以及無層面八種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1 圍巖破壞區(qū)

圖7所示為不同層面傾角時(shí)圍巖的塑性區(qū)。傾角為0 °和90 °時(shí)塑性區(qū)對(duì)稱，最大塑性應(yīng)變均位于仰拱部分，其余角度最大塑性應(yīng)變分布在邊墻和拱腰位置，無層面時(shí)圍巖無塑性區(qū)，說明層面存在對(duì)圍巖破壞有顯著影響。隨著層面傾角的增大，隧道右側(cè)塑形區(qū)范圍從拱頂逐漸向下轉(zhuǎn)移到右拱腰、右邊墻，左側(cè)塑性區(qū)范圍從仰拱向上轉(zhuǎn)移到左拱腳、左邊墻。

圖7 不同層面傾角下圍巖塑性區(qū)分布

4.2 圍巖位移

不同層面傾角下圍巖位移沿拱墻路徑距離分布如圖8所示。各特征點(diǎn)位移隨傾角變化如圖9所示。路徑距離指以左拱腳為起點(diǎn)，右拱腳為終點(diǎn)，沿著洞壁順時(shí)針向的弧長距離。

圖8 圍巖位移沿拱墻路徑距離分布曲線

圖9 各特征點(diǎn)位移變化曲線

從圖8、圖9可知：

(1)在同一傾角下，圍巖位移沿著路徑距離先增大后減小，即拱頂和拱腰的位移較兩側(cè)拱腳和邊墻大；圍巖左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)位移對(duì)比，除傾角為0 °和90 °具有對(duì)稱性外，其余角度均呈現(xiàn)出不同程度的偏壓現(xiàn)象，整體為斷面右側(cè)位移大于左側(cè)，值得注意的是，左側(cè)邊墻位移均大于右側(cè)。

(2)在不同傾角下，隨著層面傾角逐漸增大，圍巖位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，即0 °、15 °時(shí)位移最小，75 °、90 °時(shí)位移最大，無層面時(shí)位移大于0 °和15 °而小于其他角度；左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)位移差值隨傾角增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即位移差值在傾角β∈[ 0°，45°]時(shí)從零逐漸增大至最大，約1.5cm，在傾角β∈[ 45°，90°]時(shí)，兩側(cè)位移差值逐漸減小為零。

4.3 襯砌主應(yīng)力

ABAQUS中默認(rèn)應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)，通常采用最大主應(yīng)力評(píng)判受拉狀況，采用最小主應(yīng)力評(píng)判受壓狀況。隧道襯砌受力主要為壓應(yīng)力，因此選取代表性的最小主應(yīng)力來分析襯砌的應(yīng)力狀況。不同傾角下襯砌最小主應(yīng)力沿拱墻路徑距離分布如圖10所示。各特征點(diǎn)最小主應(yīng)力隨傾角變化如圖11所示。從圖10、圖11可知：

(1)同一傾角下，襯砌受力沿著路徑距離先減小后增大，即拱頂和拱腰的壓應(yīng)力較小，而兩側(cè)拱腳和邊墻的所受應(yīng)力較大；除傾角為0 °和90 °應(yīng)力具有對(duì)稱性外，其余角度襯砌結(jié)構(gòu)右側(cè)所受壓應(yīng)力普遍大于左側(cè)對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)。

(2)在不同的傾角下，隨著層面傾角的增大，應(yīng)力整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，其中邊墻和拱腳的增幅較大，而拱頂和拱腰則略有減小；當(dāng)層面傾角β∈[ 0 °，45 °]時(shí)，左右兩側(cè)應(yīng)力差從零逐漸增大，在45 °時(shí)差值最大達(dá)35MPa，當(dāng)層面傾角β∈[ 45 °，90 °]時(shí)，兩側(cè)應(yīng)力差逐漸減小，直至90 °時(shí)重新趨于對(duì)稱狀態(tài)。以上結(jié)果表明，層面傾角從0 °增大到90 °過程中，襯砌結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)的偏壓效應(yīng)從弱變強(qiáng)再變?nèi)?，在傾角45 °時(shí)右側(cè)偏壓作用最為顯著。

圖10 最小主應(yīng)力沿拱墻路徑距離分布曲線

圖11 特征點(diǎn)最小主應(yīng)力變化曲線

5 結(jié)束語

本文通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)隨著傾角的增大，隧道反傾側(cè)塑性破壞區(qū)范圍從拱頂逐漸向下轉(zhuǎn)移到右拱腰、右邊墻，順傾側(cè)塑性區(qū)范圍從仰拱向上轉(zhuǎn)移到左拱腳、左邊墻。

(2)在巖層傾角一定時(shí)，沿著路徑距離，圍巖位移先增大后減小，襯砌壓應(yīng)力則相反；隧道反傾側(cè)的圍巖位移和襯砌受力普遍大于順傾側(cè)對(duì)應(yīng)位置，體現(xiàn)出層狀圍巖隧道的偏壓效應(yīng)。

(3)在不同傾角下，隨著層面傾角的增大，對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)圍巖位移和襯砌壓應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，層狀軟巖隧道

的偏壓作用由弱變強(qiáng)再變?nèi)?，傾角45 °時(shí)偏壓作用最顯著。