(1)高地应力区断层带隧道施工力学研究

JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vo.l28󰀁No.1

Feb.2009高地应力区断层带隧道施工力学研究

李󰀁鹏,林󰀁志,张亚兴

1

2

1

(1.重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074;2.重庆交通科研设计院隧道工程所,重庆400067)

摘要:应用有限差分软件FLAC3D对高地应力区断层带隧道工程中施工力学性态和变形空间效应进行数值模拟,分

析了隧道施工过程中作业面的空间效应,重点研究了隧道拱顶、拱脚及边墙围岩的位移、应力随施工步的变化规律,为隧道优化设计和施工提供了参考依据。关󰀁键󰀁词:高地应力;断层带;数值模拟;FLAC3D

中图分类号:U452󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1674󰀁0696(2009)01󰀁0029󰀁04

StudyonMechanicalBehaviorofTunnelConstructionat

FaultZonewithHighGroundStress

LIPeng,LINZhi,ZHANGYa󰀁xing

1

2

1

(1.SchoolofCivilEngineering&Architecture,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.DepartmentofTunnelEngineering,ChongqingCommunicationsResearch&DesignInstitute,Chongqing400067,China)Abstract:Usingthefinite󰀁differencesoftwareFLAC3D,numericalsimulationofthemechanicalpropertiesofconstructionandtheeffectsofdeformationspaceintheprojectwiththetunnelatthefaultzonewithhighgroundstressiscarriedout.

Thespaceeffectofexcavationfaceisanalyzed.Thedisplacementwhichoccursatarchtop,theskewback,surroundingrocksandboundarywallandtheruleofrock󰀁sstresschangingwiththeprocedureofconstructionarefocused,whichoffersreferentialbasistotheoptimumdesignandconstruction.Keywords:highgroundstress;faultzone;numericalsimulation;FLAC3D

1󰀁引󰀁言

高地应力对岩土工程的影响是显著的,尤其对于穿越断层带地下工程,如深埋公路隧道。随着我国公路建设的不断发展,隧道工程已经向长大、深埋方向发展。因此,近几年来,穿越高地应力区且地质环境恶劣的长大隧道工程不断涌现,如川藏线4󰀁476km长的二郎山公路隧道以及即将修建的西藏嘎隆拉公路隧道等。通常情况下,隧道工程围岩的支护参数是根据工程类比法初步确定的,但必须用其它方法进一步验证。这是因为,不同地方隧道围岩的地质条件有其自身的特点,这就使得工程类比法有其局限性,需用理论方法加以验证,理论方法常用数值方法。以西藏地区某公路隧道为例,采用

3D

FLAC软件对隧道在开挖过程中隧道围岩的应力和应变情况进行模拟分析,为隧道的优化设计和施工提供参考依据。

2󰀁模型及计算参数

2.1󰀁隧道工程地质情况

该公路隧道位于青藏高原东南部的喜马拉雅山脉与横断山脉的交接处,构造上属喜马拉雅东西向构造带、岗底斯褶皱带和雅鲁藏布江缝合带的弧形转折部位,新构造运动强烈,发育有众多大断裂。隧道埋深近km,隧道轴线穿越受两大主断裂控制的次生断层,断层影响带宽度30~100m,主要为强~弱风化石英片岩、云母片岩、岩质较软弱,岩石呈碎石、碎块状,稳定性差,围岩级别为󰀁级。2.2󰀁模型的建立

结合该隧道断层影响带软弱围岩段设计的隧道结构断面及支护参数(图1),建立三维有限元数值

3D

模型。考虑到FLAC软件建模难度较大,这里采用一种快速建模方法,即利用ANSYS有限元程序建模

3D[1]

划分网格后导入FLAC,实现直观、快速建模。根据实际的经验,局部开挖对距离隧道3~5倍跨度

󰀁󰀁收稿日期:2008󰀁08󰀁04;修订日期:2008󰀁09󰀁17

󰀁󰀁作者简介:李󰀁鹏(1981󰀁),男,湖北洪湖人,硕士研究生,主要从事隧道与地下结构相关方面的研究工作。E󰀁mai:llipeng󰀁

hui127@163.com。30

[2]

重庆交通大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第28卷

侧压力系数k=1󰀁2。

范围内有影响。因此,模型上下边界分别取距隧道中心50m;左右边界取距隧道中心50m;模型长度取80m。由于隧道左右对称,取一半模型进行分析。隧道三维有限元模型如图2。

3󰀁开挖模拟

本文隧道开挖模拟首先模拟原岩应力状态,然

后上下台阶分步进行隧道开挖,每次进尺2m,开挖6m后加锚喷网支护,上下台阶间距6m。程序总共执行8次连续开挖和支护运算。此时,上台阶开挖掌子面距离模型边界(Y方向)达52m,超过3倍开挖洞径,满足一般阶段的要求,其分析数据具有代表性。3.1󰀁初始地应力场

在模拟开挖之前,根据实测地应力资料应用快

[5]

速应力边界法(S-B法)地应力场拟合法来模拟初始地应力场。这一方法的思路是:在初始地应力场形成过程中,数值模型不设速度边界条件,仅在模型表面根据地应力场的分布情况施加应力边界条件并保持恒定。在模型表面施加的应力边界可以认为是模型最外层单元受到应力,这一应力转化成节点力作用在模型最外层单元的节点上。在初始应力场平衡计算过程中,应力边界保持恒定,也即最外层单元边界处的节点力保持不变,这就相当于给模型添加了构造应力的边界条件;表层单元与模型内部单元接触面的节点力向模型内部传播,使得表面的应力场分布模式向模型内部扩散,直至达到平衡,这时得到的(初始)应力场可以认为是构造应力场和自重应力场相叠加的结果。3.2󰀁屈服准则

本文塑性准则采用Mohr󰀁Coulomb剪切破坏和

[6]

张拉破坏相结合的复合准则,屈服准则为f=0,在主轴上的公式为:

剪切屈服:f=󰀁1-󰀁3N󰀁+2cN󰀁张拉屈服:

t

f=󰀁-󰀁3

t

式中,c,󰀁为材料的黏聚力和摩擦角;󰀁为张拉强度;󰀁1,󰀁3分别为最小和最大主应力(压缩为负);N󰀁=(1+sin󰀁)(1-sin󰀁)。3.3󰀁地应力释放

新奥法施工的隧道,往往采用复合式衬砌,当按线弹性或弹塑性问题进行施工过程模拟分析时,为体现围岩的时空效应以及施工工序的先后顺序,理

3D

应考虑开挖瞬间地应力释放。在FLAC中可以利用内置FISH函数编制程序来实现开挖瞬间地应力的释放,假设开挖瞬间地应力释放40%,二次衬砌

[7]

施作时地应力释放60%。

图1󰀁断层带衬砌断面

图2󰀁隧道三维有限元模型

2.3󰀁计算参数的确定

围岩物理力学参数根据现场试验和室内试验确定,研究中考虑锚喷支护对围岩岩性的改善和围岩塑性应变软化的综合效应,通过适当提高加固区围岩

[3]

岩性参数来体现锚喷支护对围岩的改善,如表1。

表1󰀁围岩物理力学参数

类别围岩围岩加固区

弹性模量/

GPa3󰀁003󰀁90

泊松比0󰀁330󰀁33

黏聚力/内摩擦角/密度/MPa(󰀁)(kg󰀁m-3)0󰀁200󰀁26

2727

22002300

钢拱架的作用采用等效方法予以考虑,即将钢拱

[4]

架弹性模量折算喷射混凝土上,其计算方法为:

Sg+Eg

E=E0+

Sc

式中,E为折算后混凝土弹性模量;E0为原混凝土弹性模量;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹性模量;Sc为混凝土截面积。

混凝土材料参数均参照󰀁公路隧道设计规范󰀁进行取值。折算后喷射混凝土弹性模量E=26󰀁0GPa,泊松比󰀁=0󰀁25;二次衬砌钢筋混凝土弹性模量E=30󰀁0GPa,泊松比󰀁=0󰀁2。初始地应力场根据实测和回归反演研究成果,取为:󰀁h=15󰀁0MPa,

4󰀁计算结果分析

4.1󰀁洞室围岩位移场分析4.1.1󰀁作业面空间效应

沿隧道纵向拱顶竖向位移和纵向位移经计算,

第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁李󰀁鹏,等:高地应力区断层带隧道施工力学研究31

得拱顶竖向位移和沿隧道纵向位移受隧道掘进面空间约束分别如图2、图3。

图4󰀁最大不平衡力随时步的变化曲线

图2󰀁拱顶竖向位移沿隧道纵向的时空曲线

󰀁󰀁从图5可以看出,随着迭代时步的增加,拱顶点

竖向位移逐渐稳定在某一特定值上。这表明,围岩在经历了变形后,最终稳定下来,此时隧道围岩拱顶处最大位移为55mm。

图3󰀁拱顶纵向位移沿隧道纵向的时空曲线

图5󰀁拱顶竖向位移随时步的变化曲线

󰀁󰀁由图2可知,在开挖面附近,由于开挖面的空间约束效应,围岩应力和位移逐步释放。掘进面开挖导致隧道前方一定范围内围岩受到扰动,使拱顶产生微小竖向位移,其扰动影响范围约为12m左右。同时,由于开挖面空间约束作用,隧道开挖完成后,围岩应力逐渐释放,故而开挖面后方拱顶下沉也受到掌子面约束;当离开掌子面一定距离,洞室围岩变形不再受开挖面约束。

由图3可知,隧道整体纵向位移相对较大,隧道最大纵向位移发生在开挖面处,由于隧道开挖作业使得掘进面临空,引起开挖面较大纵向位移。在掘进前方围岩受到扰动,产生纵向位移,但在距离开挖面约18m处衰减接近0。开挖面后方隧道纵向位移受到空间约束影响,由开挖引起的纵向位移逐渐衰减,在距离掘进面约30m处,开挖面空间效应基本消失,隧道纵向位移趋于稳定。

计算还分析了沿隧道纵向墙腰水平位移和纵向位移,其发展规律和拱顶变形规律基本一致,即墙腰水平位移沿隧道纵向受掘进面影响范围约为开挖面前1󰀁5D和开挖面后方2D,下台阶开挖对拱顶位移影响较小,对拱腰部位移影响相对较大。4.1.2󰀁位移稳定性分析

图4反映了8次分步开挖最大不平衡力与时间(步长)的关系,从曲线中可以看出,隧道围岩不平衡力在变形的初期有较大幅度的调整,随后逐渐趋于稳定。󰀁󰀁图6为隧道截面水平方向位移分布图,隧道周边围岩的水平及位移,距隧道的拱腰及顶底越近,围岩的水平位移越大。拱脚处水平位移最大,最大值约为41mm。再次说明隧道拱脚处是最危险点,施工时应给予重视。

图6󰀁隧道横向水平位移分布图

󰀁󰀁图7为拱腰处最大水平位移随时步的变化曲线,拱腰处收敛值为76mm。可知锚喷网支护有效地控制了隧道拱顶和拱腰位移量,满足工程稳定性要求。

图7󰀁拱腰最大水平位移随时步的变化曲线

32重庆交通大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第28卷

4.2󰀁应力稳定性分析

图8为垂直隧道走向最大主应力分布图,可见当隧道开挖加锚喷网支护后,应力集中区域为隧道拱脚处,在距离隧道3倍洞跨外围岩体内应力并无显著变化。

5󰀁结󰀁论

通过对高地应力断层带隧道施工力学的数值模拟分析,可以得到如下结论:

1)从计算过程中看,隧道拱顶方向变形自始至终均明显大于水平方向变形,这一现象与人们已认同的󰀁隧道最大变形与最大主地应力作用方向相互平行󰀁的一般性结论截然不同。

2)隧道围岩位移、应力随距开挖掌子面距离的变化呈现出不同的变化特征,但最后趋于稳定的距离基本一致,即在掌子面过后2~3倍洞径时边墙、拱肩及拱顶处的位移、应力皆趋于稳定。隧道围岩应力、屈服特征皆表明,在掌子面开挖时前方一定范围的围岩已发生塑性破坏,应及时进行预支护。

3)锚喷网支护加固后的工程岩体质量提高,对提高工程岩体稳定性具有显著效果;超前小导管对抑制拱顶下沉效果明显,但对抑制掌子面沿隧道轴线的位移效果不明显。

4)研究结论为类似工程地质条件下的隧道优化设计和施工提供了科学依据。参考文献:

[1]󰀁廖秋林,曾钱帮.基于ANSYS平台复杂地质体

FLAC3D模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报,2005(24):1010󰀁1013.

[2]󰀁孙󰀁均,侯学渊.地下结构[J].北京:科学技术出版

图8󰀁隧道横向最大主应力分布

󰀁󰀁图9为隧道纵向切面最大主应力分布,从图中可知,围岩应力重新分布,隧道开挖掌子面周边出现拉应力,拉应力最大值为2󰀁0MPa。说明隧道周边点是最危险处,特别是开挖前端,施工时应采取预支护措施。

图9󰀁隧道纵向切面最大主应力分布

社,1987.

[3]󰀁夏永旭,王永东.隧道结构力学计算[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]󰀁吴󰀁波,刘维宁,高󰀁波,等.地铁分岔隧道施工性态

的三维数值模拟与分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(18):3081󰀁3086.

[5]󰀁李仲奎,戴󰀁荣,姜逸明,等.FLAC3D分析中的初始

应力场生成及在大型地下洞室群计算中的应用[J].岩石力学与工程学报,2002,21(增2):2387󰀁2392.[6]󰀁刘󰀁波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北

京:人民交通出版社,2005.[7]󰀁杨广安.隧道施工中围岩参数反演及载荷分配比例问题研究(硕士学位论文)[D].武汉:武汉理工大学,

2007.

4.3󰀁塑性破坏区分布特征

洞室开挖过程中,洞室周边围岩中出现了厚度不等的塑性破坏区;比较而言,以拱顶部位、仰拱和拱脚处塑性破坏较为严重,其中仰拱部位塑性区范围最大,如图10。这些部位常常也是最大主应力集中区。破坏形式以拱腰的拉断和拱顶、仰拱部位的剪切破坏为主。

图10󰀁隧道开挖时塑性区范围