基于离散元理论的风积沙隧道无加固措施时隧洞破损状态模拟

刘 宁，姚冠兵

(青海省公路科研勘测设计院，青海 西宁 810000)

隧道工程

基于离散元理论的风积沙隧道无加固措施时隧洞破损状态模拟

刘 宁，姚冠兵

(青海省公路科研勘测设计院，青海 西宁 810000)

依托青海省茶卡至格尔木段公路改扩建工程脱土山隧道工程，利用离散元软件UDEC对无任何加固措施下风积沙地层中开挖隧道后围岩的变形、破坏状态进行模拟。

风积沙隧道；离散元理论；围岩变形

1 离散元法基本理论

离散元法假设介质是离散块体的集合，因此单个块体不会受到相邻块体变形协调的约束作用，而只需满足单个块体的平衡方程。如图1所示，若块体受到四周相接触的单元作用的一组力Fxi，Fyi(i=1-5，未考虑重力)。然后将单元所受到的力移动到重心处通过计算就得到合力矩M和合力F，根据F=ma和M=Iθ″在该组力的作用下块体开始运动，同时在运动过程中相邻块体还不断作用给该块体新的作用力。

图1 块体上的集合及作用在部分块体上的力

假设块体相互间的法向力与法向“叠合”成正比，即

Fn=knun

(1)

式中：kn为法向刚度系数。

图2 离散单元之间的作用力

在“叠合”的基础上再乘以上比例系数便得到法向力。在两个离散块体的边界“叠合”时(上图b)，有两个角点在边界上接触，则可用界面两端的力替换该边界上的力。

2 工程概况

茶卡至格尔木段公路改扩建工程脱土山隧道为直线短隧道，隧道沿线围岩质量总体较差，围岩级别为Ⅳ～Ⅵ级，且左线进口、左右线出口为风积沙，洞顶风积沙覆盖层厚度为4～26 m不等，且左线出口段150 m范围内洞底也为风积沙，洞口处洞底风积沙厚度达25 m。

根据脱土山隧道的相关地勘资料以及初步设计资料，结合其他地区类似的工程经验和《岩土工程勘察设计手册》选取数值计算的材料参数如表1～表2。

表1 地层力学参数

表2 C25喷射混凝土力学参数

3 风积沙隧道施工模拟

3.1 计算模型

选取左线出口ZK2476+730处断面计算断面，根据地质资料建立如图3所示的数值计算模型，为二维的平面应变模型，尺寸为80 m×60 m，隧道埋深10 m，洞壁距离模型边界约4倍隧洞跨度。如图中所示，模型上部的风积沙地层用间距0.5 m、倾角±45°的贯通节理形成的密集变形块体模拟；下部为地层性质较好的石英片岩混合地层。

图3 风积沙隧道计算模型图

3.2 结果分析

(1)毛洞状态

采用二台阶法施工，在形成地应力平衡状态后进行开挖并暂不施作支护，观察洞周的变形特征。考虑到无加固措施下风积沙地层开挖洞室后应力释放较快，因此仅计算上台阶开挖后的围岩变形响应。

图4为上台阶开挖后不同计算时步下毛洞的变形特征，图中节理呈蓝色时表示该节理所受剪切力已超过其抗剪强度，即节理开始滑移，节理呈红色时表示该处节理的法向力等于0，即节理已经张开，块体开始脱落分离。由图中可看出上台阶开挖后不久(仅200时步)洞壁附近块体便开始滑移，并向上扩展，延伸至地面，引起洞顶上方整个地层向下塌落，无法形成塌落拱。洞壁掉块始于拱顶和拱肩处，也是块体挤压最严重的部位。

图4 毛洞状态下围岩随时间的变形特征

从图5中的拱顶和拱肩竖向位移曲线图也可知从开挖到整个洞室坍塌，围岩不仅未曾稳定，其位移速率还逐渐增大，直至洞室最终坍塌。

图5 毛洞状态下拱顶、拱肩的竖向位移曲线

(2)施作初期支护

由3.2.1节分析可知，风积沙地层中隧道开挖后洞室完全没有自稳能力，无法成洞，为此本节将探讨在支护作用下洞室的稳定情况。

分别采用10%、20%、30%、40%的应力释放率后，施作30 cm厚C25喷射混凝土，计算之后发现，不论在何时施作支护，支护结构最终都将随围岩一起变形并破坏，隧洞仍然无法成形，且各应力释放率下的破坏状态基本一致，此处仅部分工况计算到一定时步时的洞室状态图(图6)，可看出二台阶法下隧道主要会从左侧或者右侧拱肩部位开始破坏，直到整个拱部围岩坍塌。

由于本节采用的衬砌结构单元只能发生屈服而不能产生断裂破坏，因此实际工程中的围岩及结构破坏应比此次数值模拟中的更加严重。

图6 不同应力释放率下支护后隧道破坏状态

4 结 论

(1)离散元理论软件UDEC对风积沙地层结构松散、粘聚力低等特点的模拟效果较好，通过计算可以直观、准确地模拟出风积沙地层中开挖隧道后围岩的变形状态。

(2)在风积沙地层中采用二台阶法开挖隧道时，上台阶开挖后不久洞壁附近块体便开始滑移，并向上扩展，延伸至地面，引起洞顶上方整个地层向下塌落，无法形成塌落拱。洞壁掉块始于拱顶和拱肩处，也是块体挤压最严重的部位。

(3)在无任何加固措施下，即使在开挖后立即施作支护仍然不能控制围岩的变形，最终形成坍塌，因此在风积沙地层开挖隧道必须考虑预加固措施。

[1] 牟献友, 谷攀. 国内风积沙工程特性研究综述[J]. 内蒙古农业大学学报:自然科学版, 2010, 31(1):307-310.

[2] 金翔. 基于UDEC的岩石接力渗流与强度数值模拟研究[D]. 西安理工大学, 2014.

[3] 冯海鹏. 不同剪切速率下节理的力学特性研究[D]. 中国科学院武汉岩土力学研究所, 2006.

2016-12-11

U451

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