压缩--高地应力单侧软岩大变形隧道施工数值模拟分析.doc

文章编号：高地应力单侧软岩大变形隧道施工数值模拟分析作者（单位）摘要：以岩层倾角对高地应力单侧软岩大变形隧道位移场、塑性区和应力场的影响为研究目的。结合宜巴高速公路石门垭隧道施工过程，利用有限差分软件FLAC3D对隧道施工进行数值模拟分析，对比分析不同角度下全断面法和下导洞超前开挖法模拟计算结果。结果表明：软弱围岩区位移场、塑性区和应力场分布特征受岩层倾角影响较大，坚硬围岩区受其影响较小。两种开挖方式下隧道周边位移和塑性区分布差别不大；最终应力场分布特征与开挖方式无关，但开挖期间主应力、主应变、位移和破坏度并不相同。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供借鉴和参考。关键词：岩层产状；软岩大变形；FLAC3D；数值模拟；下导洞超前开挖法1 前言随着我国交通事业的迅速发展，在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少，随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。在深埋隧道勘察设计和施工过程中，高地应力的存在，是影响隧道稳定的重要因素，主要表现为硬岩岩爆和软岩大变形或塑性破坏。高地应力引起的岩爆、流变、断层软岩挤入大变形等灾害给施工带来的困难也随之出现1-4。软岩支护是地下工程中最难解决的工程技术问题之一，以其大变形、高地压、难支护的特点一直受到岩石力学及地下工程界的普遍关注5。高地应力软岩大变形地段隧道施工过程中，一要充分发挥围岩的自承能力，允许有一定自由变形；二要避免变形过大、防止围岩失稳；并在软岩大变形严重地段预留变形量，避免初期支护结构因承受较大的形变压力，造成初期支护结构破坏。下导洞超前开挖法作为分部开挖法的一种，适用于设计断面较大或围岩软弱破碎严重、稳定性较差的隧道，导坑超前开挖，有利于提前探明地质情况，且小断面坑道围岩的相对稳定性显著增强，而在现代隧道施工建设中，下导洞超前开挖法应用较少6。在深部软岩工程中，由于涉及到物理非线性、几何非线性和接触边界非线性等力学问题，因此其理论解的求解在数学上遇到非常大的困难，需要借助于有限元、有限差分和离散元等数值方法和软件7。本文针对宜巴高速公路石门垭隧道出现的单侧软岩大变形特征，利用有限差分软件FLAC3D研究了隧道两侧围岩岩性不同时，倾角对隧道围岩稳定性的影响，并对采用全断面法和下导洞超前开挖法时围岩稳定性进行对比分析。2 工程概况石门垭隧道是宜巴高速公路控制性工程之一，为项目全线最长隧道。隧道采用分幅式，左幅起讫桩号ZK118+963ZK126+487，总长7524.0m，右幅起讫桩号YK118+948YK126+441总长7493.0m。隧道最大埋深约878m，属特长深埋隧道。隧道施工至ZK120+000时，隧道初期支护发生单侧破坏、围岩层状剥落现象，造成锚杆弯曲破坏，针对于此，施工单位决定采取下导洞超前开挖法进行施工。图1 下导洞超前开挖法施工方案图2锚杆破坏情况3 隧道施工数值模拟3.1 计算模型采用FLAC3D三维快速拉格朗日差分方法分析软件，根据地下结构的计算原理，隧道开挖影响范围为洞径的35倍，且根据隧道的实际结构形式及地质条件，进行了适当的模型简化。模型计算范围：水平方向（x轴）长度取90m，竖直方向（y轴）取90m，纵向（z轴）沿隧道轴线方向取60m。围岩材料模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，开挖采用FLAC3D中的Null模型。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，模型上部施加边界应力，其等效地应力由确定，为上覆岩层的平均加权容重，为上覆岩层总厚度8-10。计算模型如图3所示。图3 隧道计算模型Fig.3 Computation model of tunnel3.2 力学参数计算中采用理想弹塑性材料，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，并考虑岩体的受拉屈服、弹塑性变形及大变形11。围岩材料的力学参数采用隧道围岩的实测值，具体物理力学参数如表1所示。表1 围岩物理力学参数表Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rock编号围岩 (kN/m3)E/GPau/()C/MPa1级砂岩234.50.32320.62级泥岩249.90.3400.8因计算模型中岩性不唯一，将计算模型划分为三个区域，参数赋值时分区域进行，定义、如下，其中角度为岩层倾斜线与x轴负方向所成的夹角：（1）当时，该区域内围岩为级砂岩，物理力学参数见表1；（2）当时，该区域内为岩性变化区，通过FLAC3D中的单元遍历程序对该区域进行赋值，物理力学参数由公式（1）（5）计算得出； （1） （2） （3） （4） （5）式中：为材料的粘聚力；为材料的内摩擦角；为材料的体积模量；为材料的剪切模量；为点到过点边界线的距离。（3）当时，该区域内围岩为级泥岩，物理力学参数见表1。图4所示为=60和=120时模型赋值块状示意图。 =60 =120图4 模型赋值块状示意图Fig.4 Block diagram of model prop3.3 开挖方案针对无支护时全断面法、下导洞超前开挖法进行数值模拟，分析因隧道开挖引起的隧道围岩的应力、应变、位移情况及其随角度的变化趋势，判断围岩的稳定性。为模拟实际施工开挖顺序，采用如下开挖方案：全断面法采用15步开挖方案；下导洞超前开挖法采用下导洞先行开挖15步，上圆弧后行开挖15步的开挖方案。数值模拟中，隧道沿着z轴方向以3 m长度为一个开挖循环进行模拟11-12。4 全断面法数值模拟结果4.1 位移场特征隧道水平收敛和拱顶下沉量测是监控量测的主要内容之一，也是隧道围岩应力状态变化的最直观反应13。隧道拱顶竖向位移、拱腰水平位移、拱肩竖向位移及水平位移计算值如表2所示。表 2 隧道周边位移计算值Table 2 Calculated displacement of surrounding rock(cm) /()拱顶左拱腰右拱腰左拱肩右拱肩UyUxUxUxUyUxUy0-3.373.60-3.602.57-2.35-2.57-2.3530-3.554.46-2.933.19-2.68-2.20-2.2245-3.784.87-2.713.53-2.92-2.12-2.2360-4.105.19-2.573.87-3.22-2.11-2.2990-4.965.53-2.474.49-3.90-2.25-2.58120-6.045.27-2.584.82-4.51-2.58-3.06135-6.604.95-2.734.78-4.70-2.82-3.40150-7.104.54-2.954.58-4.75-3.12-3.75180-7.553.64-3.643.87-4.41-3.87-4.41分析表2可知，当不考虑=0和=180两种对称状态时，随着角度变化，拱顶竖向位移、拱腰水平位移、拱肩竖向位移及水平位移具有不同的变化趋势：（1）拱顶竖向位移：随着角度增大，拱顶下沉量逐渐增大。（2）拱腰水平位移：随着角度增大，左拱腰水平位移先增大后减小，右拱腰水平位移先减小后增大；当=90时，左拱腰水平位移最大，右拱腰水平位移最小。（3）拱肩竖向位移：随着角度增大，左拱肩竖向位移逐渐增大；当60时，右拱肩竖向位移随着角度增大而逐渐增大。（4）拱肩水平位移：随着角度增大，左拱肩水平位移先增大后减小，当=120时，左拱肩水平位移最大；当90时，右拱肩水平位移随着角度增大而逐渐增大。图5 左右两侧位移比Fig.5 Displacement ratio of left and right sides图5所示为左右两侧拱腰水平位移、拱肩竖向位移及水平位移之比。分析图5可知：随着角度增大，左右两侧拱腰水平位移、拱肩竖向位移和水平位移之比均呈先增大后较小的趋势；当=90时，比值均达到最大值，且比值大小依次为拱腰水平位移（2.24）拱肩水平位移（1.99）拱肩竖向位移（1.51），说明隧道两侧岩性不同时，对拱腰水平位移影响最大，拱肩水平位移次之，拱肩竖向位移最小，且软弱围岩区隧道周边位移较大。4.2 塑性区特征 =0 =30 =45 =60 =90 =120 =135 =150 =180图6 围岩塑性区分布图Fig.6 Plastic zone of surrounding rock围岩塑性区分布如图6所示，隧道开挖后引起的塑性屈服主要为剪切屈服，不考虑=0和=180两种对称状态时，隧道左侧拱肩、拱腰塑性区范围比右侧范围大，当=90时表现最明显；拱底塑性区范围左右基本对称。当=0时，塑性区在隧道拱腰、拱肩两侧对称分布，塑性区范围为3.14.6m；拱顶塑性区范围为3.14.7m，而拱底塑性区范围为4.26.3m，比拱顶塑性区范围大。当=90时，塑性区在隧道两侧分布不对称，右下部塑性区范围为3.14.6m，拱底塑性区范围为4.26.3m，而左上部塑性区范围为4.76.9m，拱顶塑性区范围为6.38.4m，比右下部、拱底处塑性区范围大。当=180时，塑性区在隧道拱腰、拱肩两侧对称分布，拱腰下部塑性区范围为3.14.6m，拱腰上部、拱肩处塑性区范围为4.76.9m，拱顶塑性区范围为6.38.4m，而拱底塑性区范围为4.26.3m，比拱顶塑性区范围小。结上所述：随着角度增大，塑性区总范围逐渐增大，拱底塑性区分布左右基本对称，拱腰、拱肩及拱顶塑性区分布不对称，左侧塑性区范围较大，即软弱围岩区塑性区范围较大；角度对拱底塑性区的深度无影响，但对拱底塑性区的宽度有影响，逐渐增大，塑性区宽度逐渐减小。4.3 应力场特征选取=60、=90、=120时最大主应力分布特征为研究对象，图7所示为最大主应力等值线图。=60=90=120图7 最大主应力等值线图Fig.7 Contour map of the maximum principle stress隧道围岩应力主要集中在两侧拱脚处，拱顶上方和拱底下方应力值最大，左拱肩处应力变化梯度较大。随着角度增大，隧道周边围岩一定范围内（拱顶上方、拱腰两侧4.7m范围内，拱肩两侧、拱底下方6.7m范围内）最大主应力基本无变化，除此之外，拱顶上方应力值为-2.4e7的等值线所包围区域逐渐减小，说明拱底上方最大主应力值逐渐减小，且左侧表现较为明显；拱底下方应力值为 -2.4e7的等值线所包围区域逐渐增大，当=120时出现了应力值为 -2.6e7的等值线，说明拱底下方最大主应力值逐渐增大，左侧较为明显；左拱肩处应力值为 -2.2e7的等值线范围逐渐减小，说明该处最大主应力值逐渐减小；右侧最大主应力基本无变化。综上所述：角度影响拱顶、拱底和软弱围岩区拱肩、拱腰应力场的分布，对坚硬围岩区拱肩、拱腰应力场分布基本无影响。5 下导洞超前开挖法数值模拟结果5.1 位移场特征下导洞先行开挖后，隧道围岩应力初次释放，隧道周边产生初次位移，初次位移计算值如表3所示；下导洞基本稳定后施工上圆弧部，此时引起隧道围岩应力的二次释放，隧道围岩稳定后最终位移计算值如表4所示。由表4可知，采用下导洞超前开挖法施工时，隧道周边最终位移与全断面法施工时基本一致，位移随角度的变化趋势亦基本相同；而岩体工程开挖变形具有很强的时空效应，隧道开挖后围岩应力释放不是瞬间完成，而是受开挖面的约束影响，应力逐步释放，直到开挖面空间约束效应完全消失，围岩应力才得以全部释放，而施工过程中出现的大多数发生或隐患的灾害一般与施工进度（卸荷速率）过快相关1,14-15，采用下导洞超前开挖法施工，隧道围岩应力经过两次释放过程，充分利用了开挖面的约束作用，使岩体卸荷速率减小，可有效控制灾害发生。表3 初次位移计算值Table 3 Calculated value of initial displacement (cm) /()拱顶右拱腰左拱腰右拱肩左拱肩UyUxUxUxUyUxUy0-1.26 1.58 -1.58 1.01 -0.97 -1.01 -0.77 30-1.32 1.96 -1.30 1.24 -1.09 -0.87 -0.95 45-1.38 2.13 -1.22 1.37 -1.19 -0.83 -0.97 60-1.47 2.27 -1.16 1.49 -1.31 -0.82 -1.00 90-1.71 2.39 -1.13 1.71 -1.55 -0.86 -1.12 120-2.00 2.30 -1.18 1.81 -1.75 -0.97 -1.25 135-2.13 2.18 -1.24 1.80 -1.80 -1.06 -1.35 150-2.25 2.01 -1.33 1.73 -1.81 -1.18 -1.46 180-2.34 1.63 -1.62 1.47 -1.68 -1.47 -1.67 表4 最终位移计算值Table 4 Calculated value of final displacement(cm) /()拱顶右拱腰左拱腰右拱肩左拱肩UyUxUxUxUyUxUy0-3.41 3.59 -3.59 2.60 -2.44 -2.60 -2.44 30-3.59 4.45 -2.92 3.22 -2.80 -2.24 -2.30 45-3.82 4.85 -2.71 3.57 -3.06 -2.16 -2.31 60-4.13 5.18 -2.57 3.92 -3.38 -2.15 -2.37 90-4.97 5.51 -2.47 4.54 -4.09 -2.29 -2.66 120-6.02 5.26 -2.58 4.86 -4.74 -2.61 -3.18 135-6.57 4.94 -2.73 4.82 -4.94 -2.86 -3.53 150-7.04 4.54 -2.96 4.62 -4.99 -3.16 -3.92 180-7.48 3.66 -3.66 3.91 -4.62 -3.91 -4.62 相对最终位移，下导洞开挖引起的初次位移所占比率如图8所示，图中AF依次代表隧道拱顶竖向位移、左拱腰水平位移、右拱腰水平位移、左拱肩水平位移、竖向位移、右拱肩水平位移和竖向位移。由图8可知，下导洞开挖引起的各点初次位移所占比率在0.320.46之间，拱顶竖向位移比率较小，呈下降趋势，说明其受影响程度较小；左、右拱腰水平位移比率较大，说明其受影响程度较大，且右拱腰受影响程度比左拱腰略大；左拱肩水平位移、竖向位移和右拱肩水平位移受影响程度基本一致，与之相比，右拱肩竖向位移受影响程度较大。图8 位移比率散点示意图Fig.8 Scatter diagram of displacement ratio5.2 塑性区特征选取=60、=90、=120时塑性区分布特征为研究对象，其塑性区分布如图9所示，左侧为下导洞开挖后塑性区分布，右侧为最终塑性区分布。 =60 =90 =120图9 围岩塑性区分布图Fig.9 Plastic zone of surrounding rock由图9可知，下导洞先行开挖后，拱底塑性区深度为4.2m，宽度与导洞跨度基本相等，拱腰、拱肩、拱顶塑性区范围为1.52m（不考虑待开挖部的塑性区），而待开挖部围岩出现受拉区，两侧受拉区范围约1.82.5m，拱顶、拱肩受拉区范围约0.61.2m，随着角度增大，围岩塑性区面积基本保持不变，说明下导洞开挖时，角度对塑性区分布基本无影响；上圆弧部开挖后，结合图6中三种情况下隧道围岩的最终塑性区分布特征，表明两种开挖方式的最终塑性区面积基本相同。5.3 应力场特征采用下导洞超前开挖法时，下导洞先行开挖15步后，=60、=90、=120三种情况下最大主应力等值线图如图10所示。=60=90=120图10 最大主应力等值线图Fig.10 Contour map of the maximum principle stress下导洞施工时，左右两侧拱脚处出现明显的应力集中，对比=60、=90、=120三种情况下最大主应力等值线图，角度对左拱肩、左拱腰、拱顶上方4.16.5m范围内的最大主应力分布有影响，对右拱肩、右拱腰和拱底处的主应力分布基本无影响。上圆弧部开挖后隧道围岩的最大主应力最终分布特征和图7所示基本一致，表明不支护时，同一力学模型的不同开挖方式所产生的最终应力场是相同的。因此，最终应力场只与开挖的最终洞型有关，而与开挖方式无关，但开挖期间应力场的分布不仅与初始应力场相关，还受开挖次数及开挖体形态的影响。6 结论(1)隧道周边围岩岩性不同时，岩层倾角对软弱围岩区位移场、塑性区和应力场的影响较大，坚硬围岩区受其影响较小。隧道周边位移随角度变化具有不同的变化趋势；因岩性不同引起的左右两侧位移之比，拱腰水平位移受其影响最大，拱肩水平位移次之，拱肩竖向位移最小。角度对拱顶、拱肩处塑性区分布影响较大，对拱底塑性区分布影响较小。角度影响拱顶、拱底和软弱围岩区拱肩、拱腰应力场的分布，对坚硬围岩区拱肩、拱腰应力场分布基本无影响。（2）全断面法和下导洞超前开挖法施工引起的位移、塑性区和应力场分布特征基本相同，但下导洞超前开挖法施工时可利用岩土工程开挖变形的时空效应，是围岩应力逐步释放，有效控制灾害发生。（3）力学模型最终应力场分布特征只与开挖的最终洞型有关，与开挖方式无关，但开挖期间主应力、主应变、位移和破坏度受开挖次数和开挖体形态的影响。参 考 文 献1 赵旭峰, 王春苗, 孔祥利. 深部软岩隧道施工性态时空效应分析J. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(2), 404-409. 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