淺埋隧道圍巖位移及應力變化規(guī)律研究*(
鄧洪亮1，陳 鴿1，郭 洋1，王思淼1，武勝林2
（1．北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124；2．北京工業(yè)職業(yè)技術學院，北京 100042）
[摘要]采用有限元軟件MIDAS/GTS對黃董坡隧道的開挖過程進行了數(shù)值模擬，分析了淺埋隧道的圍巖變形規(guī)律和受力情況，同時結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，最后得出圍巖位移最大值和應力最大值分別出現(xiàn)在拱頂部位和拱腰部位的結論，因此控制隧道拱頂沉降和緩解拱腰部位的應力集中現(xiàn)象是淺埋隧道施工中的重要環(huán)節(jié)，這就要求進行必要的超前支護、及時施做初期支護以及密切監(jiān)測危險區(qū)域，確保施工安全。
[關鍵詞]地下工程；隧道；淺埋隧道；數(shù)值模擬；圍巖；位移；應力
[中圖分類號]U456.3 [文章編號]1002-8498( 2016)07-0113-05
0 引言
隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，高速鐵路發(fā)展不斷加快，出現(xiàn)了越來越多的淺埋軟弱圍巖地質(zhì)條件下的隧道。由于淺埋隧道大多埋深淺、巖體風化比較嚴重，自穩(wěn)能力差及承載力低，并且不能有效形成塌落拱，這就導致了淺埋隧道在施工過程中巖體的應力分布情況十分復雜，如若施工操作不當或者支護參數(shù)選取不當，則極易發(fā)生坍塌等安全事故，因此，研究淺埋隧道的圍巖變形規(guī)律和受力情況十分必要。
本文以銅玉鐵路黃董坡隧道為研究對象，采用有限元軟件MIDAS/GTS對淺埋隧道開挖過程進行了數(shù)值模擬，研究分析淺埋隧道圍巖位移特征和應力特征，并將數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，以評價圍巖的穩(wěn)定性和驗證數(shù)值模擬模型的合理性，進而為同類地質(zhì)條件下淺埋隧道的施工提供科學指導。
1 工程概況
黃董坡隧道位于貴州省銅仁市茶店鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里程IDK23+312，最大埋深約為31m，全長664m。進口IDK22+980-IDK23+371. 9602段位于半徑為5 500m的左偏曲線，其余地段為直線，設計縱坡為9.7‰的單面上坡。
隧道區(qū)域?qū)偃芪g構造丘陵地貌，巖溶弱~中等發(fā)育，地形起伏較大，地面高程660. 000~726. 000m，相對高差66m，坡度250~300，隧道通過梵凈山拗陷褶皺帶，構造線多為NE向，部分為NW向，線路與NE向構造線方向基本一致，隧道進口出露基巖產(chǎn)狀N280E/320SE，出口附近出露巖層產(chǎn)狀N250E/25 0SE，隧道進口發(fā)育節(jié)理產(chǎn)狀N-S/540W、N710E/900，出口發(fā)育節(jié)理產(chǎn)狀N45 0 E/900、N500W/900，陡傾節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面張開且粗糙，延伸數(shù)米，有泥質(zhì)充填，區(qū)內(nèi)地下水為第四系松散土層孔隙水、巖溶水，埋深一般40~ 42m，主要接受大氣降雨及地表水下滲補給，由蒸發(fā)及地表徑流方式向低洼地帶排泄，隧區(qū)坡面多為坡殘積的紅黏土，坡面植被一般為灌木林，緩坡地帶為旱地或水田，基巖為寒武系中統(tǒng)敖溪組上段白云巖，黃董坡隧道典型斷面橫向地質(zhì)剖面如圖1所示。
2數(shù)值模擬
2.1基本假定
采用有限元軟件MIDAS/GTS建立淺埋隧道開挖過程中的計算模型，以此對淺埋隧道的圍巖位移和應力特征進行分析研究。為簡化分析，做如下基本假定。
1)假定黃董坡隧道是土體和圍巖為各向同性、連續(xù)、勻質(zhì)的彈塑性體。
2)隧道的力學分析采用平面應變模型，不考慮地下水的影響。
3)隧道圍巖和土體采用莫爾-庫倫彈塑性模型，而錨桿、噴射混凝土支護采用彈性模型。
4)隧道為淺埋隧道，故巖體初始應力場只考慮自重應力，不考慮構造應力。
2.2計算模型
根據(jù)黃董坡隧道的現(xiàn)場施工情況，對IDK23+120-IDK23 +180段進行三維有限元數(shù)值模擬。該段為V級圍巖淺埋段，采用復合式襯砌的支護形式。模型計算范圍向左右和向下選取3倍和4倍洞徑范圍，而上方地層則是導入實際隧道地形文件生成。模型的上界面為自由表面，左右側(cè)面為水平方向位移約束，底部為垂直方向位移約束。
在計算模型中，圍巖和土體采用實體單元來模擬，本構模型為M-C彈塑性模型；噴射混凝土通過板單元來模擬，錨桿則選取桁架單元來模擬，本構模型為彈性模型。
對于有限元模擬而言，合理的網(wǎng)格劃分至關重要，直接影響著數(shù)值計算的速度和精度，因此，為合理劃分有限元網(wǎng)格，對隧道開挖影響大的位置即隧道洞室附近的區(qū)域細化網(wǎng)格，對隧道開挖影響小的位置則粗化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖2所示。
2.3計算參數(shù)
黃董坡隧道采用復合式襯砌結構，為簡化模擬過程，初期支護中的超前注漿小導管按照等效法提高圍巖的彈性模量來逼近模擬，鋼筋網(wǎng)和鋼拱架的作用則通過等效提高噴射混凝土的彈性模量來逼近模擬，因為二次襯砌通常起著隧道的安全儲備和美觀的作用，因此本文不考慮二次襯砌的作用。
黃董坡隧道的圍巖物理力學參數(shù)如表1所示。初期支護參數(shù)是根據(jù)黃董坡隧道的設計資料確定的，如表2所示。混凝土和錨桿的物理力學參數(shù)如表3所示。
2.4施工過程模擬
采用MIDAS/GTS進行淺埋隧道施工過程的有限元模擬，具體施工步驟如下：①施工步1 開挖上臺階1；②施工步2 對上臺階1拱部進行錨噴支護，并且對核心土2的兩側(cè)進行臨時支護；③施工步3開挖核心土2，完成上臺階1的臨時支護；④施工步4 開挖下臺階3；⑤施工步5 對下臺階3進行錨噴支護。其施工步序如圖3所示。
3計算結果分析
采用有限元軟件Midas/GTS模擬淺埋隧道開挖過程，得到不同施工階段淺埋隧道圍巖位移和應力變化情況，進而研究分析得出圍巖位移和應力變化規(guī)律，從而為同類地質(zhì)條件下的淺埋隧道的施工提供借鑒。
3.1 圍巖位移特征分析
選取黃董坡隧道IDK23+168斷面的拱頂、隧底中心、左右拱腰等特征點各施工步的最大豎向位移值計算結果如表4所示。根據(jù)表4的豎向位移值計算結果繪制各特征點的各施工步豎向位移變化曲線如圖4所示。
根據(jù)數(shù)值模擬結果可知，隨著淺埋隧道的開挖，洞周圍巖向隧道洞內(nèi)移動變形，即拱頂部位下沉、拱腰部位向洞內(nèi)收斂、隧底部位向上隆起。
從表4可以看出，圍巖最大豎向位移值出現(xiàn)在隧道拱頂中央附近，并且隨著淺埋隧道開挖的不斷進行，隧道的豎向位移累計變形量也在不斷增加，這是由于圍巖豎向應力主要集中分布在隧道拱頂范圍內(nèi)造成的。而隧道拱腰部位的豎向位移受開挖的影響相對來說并不大，左右兩側(cè)的豎向位移值均在4mm以下。從圖4a可以看出，隧道的上臺階開挖完成后，隧道拱頂最大沉降值為5.12mm，占拱頂總沉降量的50.95%，由此可見拱頂下沉主要是由于隧道上半斷面開挖造成的。上臺階支護后，拱頂下沉量為6.83mm，而隧道的核心土開挖完成后，拱頂下沉量為8.19mm，僅比上臺階支護后的豎向位移增加了1.36mm，這是由于上臺階開挖后進行了及時的初期支護，承擔了圍巖位移的大部分變形導致的。隧道的下臺階開挖完成后，拱頂沉降量為9.27mm，下臺階開挖后位移量又有所增加，這是由于隨著開挖斷面的增大，巖體內(nèi)應力重新調(diào)整的結果，但也僅比核心土開挖后的沉降值增加了1.08mm，這說明下臺階的開挖對圍巖的豎向位移影響很小，下臺階支護后沉降值為10.05mm，下臺階支護后沉降基本完成。從圖4b可以看出，隨著淺埋隧道開挖的不斷進行，隧底部位出現(xiàn)了不同程度的隆起，這是由于地應力的作用而產(chǎn)生的向上隆起，最大隆起量為5. 50mm，位于隧底中心附近。從圖4c可以看出，淺埋隧道開挖后，左右拱腰均發(fā)生向下的豎向位移，二者出現(xiàn)了大致相同的下沉趨勢，由此可見，左右拱腰處的圍巖豎向受力情況是基本一致的，同時也說明在相對對稱的地質(zhì)構造條件下，隨著淺埋隧道開挖的不斷進行，圍巖的豎向變
形是相對對稱的。
就整體來看，淺埋隧道變形值較小，滿足相關規(guī)范要求。在上臺階開挖完成后的隧道拱頂沉降量所占隧道拱頂總沉降量的比重最大，因此這是淺埋隧道施工過程中最不利的施工階段，所以在開挖上臺階之前應進行必要的超前支護，并在開挖后及時進行初期支護，以便能有效地控制圍巖變形，進而保證淺埋隧道施工安全、提高圍巖穩(wěn)定性。
3.2 圍巖應力特征分析
分別選取黃董坡隧道在各階段開挖后的圍巖豎向應力云圖如圖5所示，圖中正值為拉應力，負值為壓應力。
淺埋隧道在開挖過程中破壞了隧道洞周圍巖原有的應力平衡狀態(tài)，在地應力作用下洞室周圍的巖體向洞內(nèi)發(fā)生松脹變形，進而使處于初始應力狀態(tài)下的圍巖內(nèi)部發(fā)生應力重分布，形成新的應力平衡狀態(tài)。在重分布的應力作用下，洞室周圍的巖體開始向隧道洞內(nèi)產(chǎn)生變形，為阻止隧道洞周圍巖的變形，需要對圍巖施做初期支護，施做初期支護后，圍巖和支護結構將共同變形以達到某種應力平衡狀態(tài)。
由圖5可知，圍巖豎向應力總體上呈條帶狀分布；在淺埋隧道開挖過程中，拱部的圍巖壓應力始終是最小的，在隧道開挖完成后，整個淺埋隧道洞周圍巖的豎向應力大致是關于隧道軸線對稱分布的；該淺埋隧道洞周圍巖應力大多為壓應力，基本上沒有出現(xiàn)拉應力區(qū)，并且隧道拱部、隧底部位和拱腰附近的圍巖在淺埋隧道開挖后始終都表現(xiàn)為壓應力。上臺階開挖完成后，由于拱部圍巖的卸載作用，拱部圍巖應力由初始壓應力0. 571 1MPa降低到0. 360 3MPa；隨著拱頂處錨噴等初期支護措施的完成，拱部圍巖壓應力由0. 363MPa降到0. 129MPa;當核心土開挖完成后，由于核心土的開挖使初始地應力進一步地釋放，拱部圍巖壓應力有一定程度的回彈增長，從0. 129 0MPa增加到0. 221 7MPa，而且左右拱腰部位出現(xiàn)了小范圍輕微的應力集中現(xiàn)象，左右拱腰圍巖最大壓應力值分別為1. 208 5MPa和1.209 7MPa；隨著下臺階的開挖完成，此時拱部圍巖壓應力增幅很小，僅增加了0. 015 4MPa，說明下臺階的施工對拱部圍巖豎向應力影響不太大，但是在拱腰部位附近，圍巖應力集中區(qū)域范圍擴展幅度卻很大，并且該區(qū)域內(nèi)的壓應力值增幅也比較大，左右拱腰最大壓應力值分別增加了0. 230 9MPa和0.216 1MPa；當下臺階支護完成后，拱部壓應力基本上維持不變，并且拱腰部位的應力集中現(xiàn)象得到了小幅度的改善，左右拱腰最大壓應力值分別減小了0. 041 5MPa和0.054 2MPa，可以看出在對圍巖進行支護后，其壓應力最大值有所減小，這就說明支護結構發(fā)揮了一定程度的作用。
就整體來看，淺埋隧道開挖對隧道洞周圍巖產(chǎn)生的應力未超過圍巖可承受的應力范圍，滿足相關規(guī)范要求。由上述分析可知，在淺埋隧道開挖過程中，最大壓應力均發(fā)生在拱腰部位，所以拱腰是淺埋隧道開挖施工中最不利的受力部位，對此應該引起重視，及時進行初期支護，同時應在現(xiàn)場加強監(jiān)測拱腰兩側(cè)的應力集中區(qū)域，以確保淺埋隧道施工的安全性。
3.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比與分析
選取黃董坡隧道IDK23+168斷面作為典型斷面來進行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果的對比分析，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制IDK23 +168斷面拱頂沉降變化曲線如圖6a所示，根據(jù)數(shù)值模擬結果繪制IDK23 +168斷面各個施工階段拱頂累計變化曲線如圖6b所示。
通過對比圖6a和6b可以看出現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬兩者的拱頂沉降變化趨勢大致相同，從而驗證了數(shù)值模型的合理性。但現(xiàn)場監(jiān)測值要大于數(shù)值模擬值，推測原因可能是現(xiàn)場施工環(huán)境復雜，開挖后初期支護未能及時施作從而導致沉降加大以及爆破開挖會破壞洞周一定范圍內(nèi)的圍巖導致圍巖松弛進而使得已支護部分的圍巖對其支護結構的松動壓力增大從而加大了拱頂沉降。由于數(shù)值模擬沒有考慮這些影響因素，因此導致了現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬在數(shù)值上的差異。
4結語
對于黃董坡隧道，采用有限元軟件Midas/GTS對該淺埋隧道的施工過程進行數(shù)值模擬，通過對施工過程中圍巖的變形規(guī)律和受力情況的分析研究，得出如下結論。
1)3步開挖預留核心土法比較適合于隧道開挖的下半斷面巖體巖性強于上半斷面巖體巖性的工程情況，它是通過先開挖承載力比較薄弱的上半斷面圍巖、暫時保留下半斷面圍巖的方式來提高淺埋隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的。
2)從總體上看，淺埋隧道位移最大值出現(xiàn)在拱頂部位，由此可見控制拱頂沉降是淺埋隧道開挖過程中的重要環(huán)節(jié)，應予以重視。由于上臺階的開挖引起的隧道拱頂沉降所占比重最大，所以在開挖上臺階之前應進行必要的超前支護，并且及時施做初期支護，及時的初期支護能夠很大程度上阻礙圍巖的變形，防止圍巖產(chǎn)生過大的變形而坍塌，同時還應密切監(jiān)測拱頂沉降情況，確保淺埋隧道的施工安全。
3)從總體上看，淺埋隧道應力最大值均發(fā)生在拱腰部位，由此可見在淺埋隧道開挖施工中應重點關注拱腰部位，及時施做初期支護，初期支護會阻礙圍巖的變形，降低巖體內(nèi)部的應力，從而較大程度上地緩解拱腰部位的應力集中問題，同時還應密切監(jiān)測該應力集中區(qū)域的應力變化情況，以便出現(xiàn)問題時能及時有效地采取措施，保證淺埋隧道的施工安全。
