静荷载下水平岩层隧道围岩力学行为研究

陈能力,钟志钦

(1.钟山县交通运输局,广西 贺州 542699;2.广西交科工程咨询有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

步入21世纪以来,为了提供更多的出行便利,我国交通行业迎来了前所未有的发展机遇。在山地路线修建的交通基础设施难免需要隧道结构使其连接起来,而隧道结构的设计和施工是一项十分复杂的工作,在施工过程中往往会遇到水平岩层等一系列不良地质,对隧道的施工安全造成巨大影响[1-2]。

在水平岩层地质带进行隧道结构的施工,对比一般地质条件下的工况,其隧道围岩及水平岩层的力学行为及其变化规律是十分复杂的。针对水平岩层地质带的不同构造特点,需要提前准备具有针对性的解决方案来应对可能出现的各种地质灾害[3-4]。众多学者针对水平岩层的构造特点开展了大量研究,获得了一系列成果。

在隧道结构穿过水平岩层地质带的施工条件下,针对隧道围岩的力学行为,李有生等[5]研究了软弱相间水平岩层内的隧道围岩变形破坏特征及其机理,采用现场试验和离散元数值模拟结合的方法,通过现场隧道围岩松动圈的测试,确定了隧道围岩松动圈的范围及其最大位置,利用三维离散元模型研究了有、无支护条件下的隧道围岩变形特征,并借此明确最优的隧道支护方案,通过两种不同的研究手段对比分析了不同工况下隧道围岩塑性区的分布特征和变形位移,对隧道结构的施工具有一定的指导意义。罗彦斌等[6]研究了简化后的锚固梁和简支梁模型,结合简支梁模型的协调变形条件,建立了层间粘聚力计算公式,并依托实际工程,对比分析了有、无考虑层间粘聚力这两种不同工况下,利用梁模型计算隧道临界开挖跨度的计算结果,结果表明是否考虑层间粘聚力对隧道临界开挖跨度的计算结果影响较大,结合现场隧道工程结构的施工结果,得到水平层状围岩隧道结构的力学模型中,考虑层间粘聚力的计算结果与工程实际情况更接近。高新强等[7]依托某特长公路隧道的现场试验,研究了水平泥砂岩互层路段中隧道结构的初期支护和二期衬砌等支护体系的力学行为及其特征,研究获得的一系列成果对水平层状岩层隧道的施工具有一定的参考价值。王亚琼等[8]依托某高速公路隧道,研究了高地应力下水平层状隧道围岩的变形破坏特征,通过现场测试确定了地应力条件及其实际围岩变形破坏情况,利用3DEC三维离散元模拟软件,建立了不同岩层厚度、侧压力系数和地应力水平的工况,研究了这些参数的改变对水平层状隧道围岩受力特点及变形破坏特征的影响,进一步明确了水平层状隧道围岩的变形破坏机理,这一系列研究成果对实际施工具有一定的指导意义。

本文为研究水平岩层厚度和施工方法对隧道围岩力学行为的影响规律,基于数值计算软件Midas-GTS建立隧道三维数值模型,通过对比六种不同水平岩层厚度和施工方法工况下围岩上各监测点的数据,明确了全断面法和台阶法施工下,水平岩层厚度改变对围岩各监测点竖向位移、竖向应力和剪切应力的影响规律,对实际工程施工起到一定的指导作用。

1 工程背景与模型设计

1.1 工程背景

采用五心圆+仰拱来设计隧道的轮廓,其上部圆弧半径R1、R2、R3分别为2.522 m、3.512 m、9.651 m,同时仰拱的半径R4为5.913 m,隧道内宽度为5.87 m、高度为7.94 m。针对单线铁路隧道断面具有断面小、施工不方便等特点,本文模拟全断面法和台阶法对隧道进行施工。其中铁路隧道断面轮廓如图1所示。

图1 铁路隧道断面轮廓图

1.2 计算软件

本文采用数值计算软件Midas-GTS对岩土进行建模分析计算。该计算软件的主要特点如图2所示。

图2 Midas-GTS软件主要特点示意图

利用Midas-GTS软件进行建模计算时,采用摩尔-库仑材料模型模拟隧道结构周围的岩土材料,该材料模型可有效模拟一般岩土体的非线性计算结构。如图3所示为摩尔-库仑屈服准则。

图3 摩尔-库仑材料模型屈服准则示意图

1.3 模型的建立

参考以往的隧道数值计算模拟案例,为减小边界效应,同时提高计算效率,综合选取隧道及水平岩层计算模型尺寸如表1所示,计算模型如图4所示。

表1 隧道模型尺寸表(m)

图4 隧道计算模型图

在隧道结构受到静力作用时,对隧道计算模型的四个侧面进行法向位移的约束,对其底面积进行全约束来固定,而不约束计算模型的顶面。同时,对计算模型的顶面施加1 000 kN/m2的竖向垂直均布荷载,并施加初始应力场,模拟上部埋深。

在设置计算模型中的监测点时,选取如图5所示的5个监测点。因为计算模型为对称结构,因此仅选取一侧进行监测。

图5 隧道计算模型监测点设置示意图

建立隧道结构三维数值模型所需要的相关材料参数如表2所示。

表2 各级围岩力学指标参数表

2 施工方法对围岩力学行为的影响

针对这条单线铁路隧道,为了研究水平岩层的厚度变化对隧道围岩力学行为的影响,建立了六种工况,如表3所示。

表3 六种工况描述表

2.1 水平岩层厚度为1 m

工况1和工况4分别为1 m厚度水平岩层下采用全断面法和台阶法进行隧道施工,分别提取各监测点的位移和应力监测数据,对比分析结果如图6所示。

由图6可知,对比分析竖向位移计算结果,在1 m厚度水平岩层工况下,采用全断面法和台阶法进行隧道施工对隧道各监测点的竖向位移影响不大;对比分析竖向应力计算结果,两种施工方法下最大竖向应力均出现在围岩拱腰处,这与隧道拱顶结构形式有关;相比台阶法,全断面法的竖向应力在拱顶和拱肩较小,在拱腰、拱脚、拱底较大,可能因为全断面法施工的应力能更快传递至下部;对比分析剪切应力计算结果,全断面法比台阶法小,特别是在拱腰处,可能因为台阶法施工时存在应力集中现象。

2.2 水平岩层厚度为2 m

工况2和工况5分别为2 m厚度水平岩层下采用全断面法和台阶法进行隧道施工,分别提取各监测点的位移和应力监测数据,对比分析结果如图7所示。

(a)竖向位移

由图7可知,对比分析竖向位移计算结果,在2 m厚度水平岩层工况下,采用全断面法和台阶法进行隧道施工对隧道各监测点的竖向位移总体上影响不大;对比分析竖向应力计算结果,两种施工方法下最大竖向应力均出现在围岩拱腰处,而拱顶和拱底处较小;相比台阶法,全断面法的竖向应力在拱顶和拱肩较小,在拱腰、拱脚、拱底较大;对比分析剪切应力计算结果,全断面法比台阶法小,特别是在拱腰处,全断面法施工的剪切应力是台阶法施工的64.3%。

2.3 水平岩层厚度为3 m

工况3和工况6分别为3 m厚度水平岩层下采用全断面法和台阶法进行隧道施工,分别提取各监测点的位移和应力监测数据,对比分析结果如图8所示。

(a)竖向位移

由图8可知,对比分析竖向位移计算结果,在3 m厚度水平岩层工况下,采用两种不同施工方法对隧道各监测点竖向位移影响不大,在实际工程中综合考虑效率和经济性可采用全断面法施工;对比分析竖向应力计算结果,两种施工方法下围岩竖向应力最大值均位于拱脚处,拱底应力受到两侧的挤压向上变形位移,因此其竖向应力较小;对比两种方法,拱顶和拱肩处台阶法更大,拱腰、拱脚、拱底处全断面法更大;对比分析剪切应力计算结果,全断面法的比台阶法小,特别是在拱腰处,全断面法施工的剪切应力是台阶法施工的64.6%。

3 水平岩层厚度对围岩力学行为的影响

3.1 围岩变形

工况1～3和工况4～6分别为在不同水平岩层厚度下采用全断面法和台阶法施工方法的情况,因此对比分析这两组结果中的变形位移数据即可得到水平岩层厚度变化对围岩力学行为的影响情况。结果如图9所示。

(a)全断面法

对比图9(a)和图9(b)可知,两图中各竖向变形曲线随水平岩层厚度的变形趋势基本一致,因此施工方法的改变对围岩各监测点竖向位移的影响不大。在水平岩层厚度为1 m的工况下,围岩竖向变形整体上是最小的,说明施工开挖后的围岩稳定性会随着水平岩层厚度减小而增加。这可能是由于水平岩层厚度越小,围岩越均匀,可有效减少其竖向位移,有利于围岩稳定。

3.2 围岩剪切应力

对比分析工况1～3和工况4～6两组结果中的剪切应力数据可得到水平岩层厚度变化对围岩剪切应力的影响情况。结果如图10所示。

(a)全断面法

对比图10(a)和图10(b)可知,两图中各剪切应力曲线随水平岩层厚度的变形趋势基本一致,因此施工方法的改变对围岩各监测点剪切应力的影响不大。在水平岩层厚度为1 m的工况下,围岩剪切应力整体上是最小的,说明施工开挖后的围岩稳定性会随着水平岩层厚度减小而增加,因为厚度减小能有效减小其剪切应力,有利于围岩稳定。

4 结语

本文为研究水平岩层厚度和施工方法对隧道围岩力学行为的影响规律,基于数值计算软件Midas-GTS建立隧道三维数值模型,通过对比六种不同水平岩层厚度和施工方法工况下的围岩上各监测点的数据,明确了全断面法和台阶法施工下,水平岩层厚度改变对围岩各监测点竖向位移、竖向应力和剪切应力的影响规律,主要结论如下:

(1)采用不同的施工方法对隧道围岩的变形和受力影响不大,隧道围岩力学行为基本一致,因此综合考虑效率和经济性可采用全断面法施工。

(2)当水平岩层厚度发生改变时,围岩变形较大,随着厚度增加,围岩各监测点的竖向位移增大,当水平岩层最小时,隧道变形最小,具有更好的稳定性。

(3)隧道围岩拱肩处剪切应力最大,拱脚处最小,其余位置数值较小。

(4)水平岩层厚度的变化会引起隧道围岩力学行为较大改变,围岩应变随岩层厚度增加而增大,因此实际施工中应注意水平岩层厚度过大时的施工安全问题。