开挖软岩隧道的支护结构变形模拟分析论文
开挖软岩隧道的支护结构变形模拟分析论文
摘要：针对滇中引水工程中磨盘山隧道的深埋软岩段，利用ANSYS建立三维数值模型，通过FLAC3D进行计算，研究了深埋软岩隧道开挖及支护后围岩的变形和破坏特征。结果表明，围岩强度和隧道埋深是影响隧道变形破坏的重要因素。隧道开挖后，应力重分布，隧道前段围岩强度较小，变形总位移、塑性区范围大于后段，在拱腰两侧对称形成两个应力集中区。隧道支护后，有效限制了隧道变形的继续发展，各部位总位移值减小，塑性区范围也得到抑制，拱腰两侧应力集中区向洞壁靠拢，应力分布也变得均匀。
关键词：深埋软岩隧道；变形；FLAC3D;滇中引水工程。
1概况。
滇中引水工程是云南省实施兴滇战略的重点骨干水源工程，工程受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河6州市的35个县、市、区，线路总长约661.07km,其中穿越隧道63座，累计长度607.22km,占总长度的91.85%.引水线路穿越多个地貌单元，可能会遇到半成岩第三系内隧道围岩稳定、红层泥岩及夹泥岩的不良地层、隧道涌水突泥和岩溶等诸多工程地质问题。磨盘山隧道就具有“滇中红层”软岩分布广泛、埋深较大的典型特点。磨盘山隧道长10.91km,主要穿越地层岩性以泥岩、粉砂质泥岩、页岩、粉砂岩为主，部分地段有石英砂岩、凝灰岩。依据《水利水电工程地质勘察规范》[1]并结合实际工程地质条件判断，磨盘山隧道段Ⅲ类围岩占11%,Ⅳ类围岩占36%,Ⅴ类围岩占53%,围岩稳定性极差，开挖后易发生围岩大变形[2,3].研究表明[4],三维数值模拟计算能在隧道开挖前准确计算得到隧道开挖位移变化和应力分布情况。为此，本文针对磨盘山隧道典型区段为例，利用ANSYS建立三维数值模型，通过FLAC3D进行开挖后围岩变形数值模拟和前期支护效果模拟，研究其具体变形情况，以期为后期施工提供参考。
2软岩隧道开挖与支护模拟方法。
2.1模型建立。
磨盘山隧道里程DL2+984.24-DL3+986.74段长1 002.5m,前约110m处为三叠系上统罗家大山组三段（T3l3），岩性为粉砂质页岩夹煤层，后段为三叠系上统罗家大山组二段（T3l2），岩性为泥岩，粉砂质泥岩、砂岩，两套地层均为Ⅴ类围岩。隧道最大埋深处达354m,最浅处为229m（图1）。
运用ANSYS建立隧道数值模型和划分网格，围岩采用八节点六面体实体单元模拟，取隧道轴线方向为x轴正方向，长1 002.5m;取垂直于洞轴线方向为y方向，y方向范围为洞轴线两侧各500m;z方向垂直向上，范围取高程1 900m至实际地表。得到隧道施工前数值计算模型及监测点布置图，见图2.整个模型总共划分344 512个空间单元和355 385个节点。
2.2开挖与支护模拟方法。
由ANSYS导入FLAC3D中进行有限差分计算，因研究区构造条件不复杂，故计算时仅考虑自重应力场，边界条件为：底部和四周为法向位移约束，表面为自由边界，选用Mohr-Coulomb屈服准则，建立弹塑性模型。模型建立后，初期支护采用结构单元进行模拟，选取线弹性模型。
引水隧洞的开挖过程采用空单元（Null）来模拟。隧洞支护采用Ⅴ类围岩支护参数（图3（a）），挂网喷15cm混凝土、挂网钢筋6.5、网孔尺寸200mm×200 mm;系统锚杆1.5 m×1.0 m、25、L=6m;钢支撑Ⅰ20型@50cm;纵向连接筋25钢筋@100cm;底板混凝土厚20cm;超前小导管L=4.5m、42@30cm.
利用cable单元模拟系统锚杆，shell单元模拟底板混凝土、混凝土喷层及钢拱架的综合作用，其等效弹性模量通过等刚度换算，即：
EI =E1I1+E2I2（1）。
式中，E、E1、E2分别为shell单元、混凝土喷层（底板混凝土）、钢拱架的弹性模量；I、I1、I2分别为单位长度shell单元、混凝土喷层（底板混凝土）、钢拱架的截面惯性矩，shell单元厚度取混凝土喷层（底板混凝土）的厚度，从而计算得到I.
连接筋、钢筋网和超前小导管所做的贡献作为安全储备，计算时不予考虑[5,6].支护结构单元分布见图3（b）。
2.3计算参数的"选取。
岩土体的物理力学参数是在参考岩石力学试验结果的基础上，类比同区域其他地层软岩的力学参数，最后结合《公路隧道设计规范》[7]来确定，岩体力学参数见表1,支护材料力学参数见表2.
3计算结果与分析。
3.1开挖与支护后总位移变化。
3.1.1开挖后总位移变化。
图4为开挖后隧洞轴线方向总位移图。由图4可看出，洞壁附近变形量最大，在远离隧洞的过程中，围岩总位移值随之减小，隧道前段变形量也明显大于后段，这主要是由地层岩性和隧道埋深造成的，隧道前段岩性为粉砂质页岩夹煤层，后段为泥岩、粉砂质泥岩、砂岩，前段围岩强度明显小于后段，且后段埋深也小于前段。因而位移最大部位则出现在埋深最大且围岩强度较小的部位，里程DLM3+092.34,最大值可达2.75cm,将该部位所在隧洞横截面设为该数值模型典型横截面S.
为直观地观察隧道周围岩体在开挖和支护后的变化情况，故在横截面S布置A、B、C、D四个监测点（图2）。图5为开挖后各监测点方向位移变化图。由图5可看出，拱顶A方向的竖向沉降位移和洞底D方向的竖向隆起位移由隧洞内壁向深部围岩逐渐减小，拱顶沉降量在A处为2.9cm,在3D处衰减到1cm左右，洞底隆起值由D（D为隧道直径）处的2.6cm衰减至3D处的不足1cm.拱腰径向位移在横断面成拱的约束作用下变形较小，在拱腰0.7D范围内，拱腰B、C方向的水平收敛位移指向洞内，0.7D处减小为0,进而转向洞外，增加至0.3cm左右后趋于稳定。这是因为在隧道开挖后，在自重应力的作用下，拱顶和洞底的位移量均变化较大，而拱腰虽然临空，但在拱顶和洞底共同的约束作用下，不但变形量较小，还可产生反向变形。
3.1.2支护后总位移变化。
图6为支护后隧洞轴线方向总位移图，图7为支护后各监测点方向位移变化图。由图6、7可看出，支护后隧道总位移的最大值有开挖时的2.75cm减小至现在的1.70cm,根据《铁路隧道设计规范》[8]中关于单线隧道初期支护极限相对位移的规定，Ⅴ类围岩在埋深大于300m时，拱顶相对下沉0.5%~0.8%为安全，实际模型计算支护后拱顶相对下沉小于0.1%,故判断初期支护有效。拱顶沉降量在A处减小为1cm,洞底隆起值在D处降为1.6cm,在3D处均衰减到0.2cm左右。拱腰径向位移的空间效应影响范围由支护前的0.7D减小为0.3D,在拱腰0.3D范围内，拱腰B、C方向的水平收敛位移指向洞内，大于0.3D转向洞外，增加至0.04cm左右后趋于稳定。支护结构对拱顶的变形量控制明显大于洞底，这主要受洞形影响，洞顶为拱形，可向下和向外传递所受压力，故其支护效果会优于平面洞底。
3.2开挖与支护后塑性区变化。
3.2.1开挖后塑性区分布。
图8为开挖后轴线方向及典型横截面S塑性区分布图。由图8可看出，隧道开挖后，在隧道前段三叠系上统罗家大山组三段（T3l3）的粉砂质页岩夹煤层地层中，塑性区开展深度普遍大于1D范围，在埋深最大的典型横截面S附近洞段，塑性区呈“X形”分布，范围可达到3D左右；后段三叠系上统罗家大山组二段（T3l2）的泥岩、粉砂质泥岩、砂岩地层中，塑性区范围明显减小。在同等埋深情况下，围岩强度较大的前段隧洞塑性区范围明显大于围岩强度较小的后段，可见围岩强度对于塑性区的分布具有重要影响。在洞壁附近，围岩以剪切-拉张破坏为主，向深部扩展逐渐转换为以剪切破坏为主，剪切破坏主要发生在拱顶和洞底，拱腰位置分布较少。
3.2.2支护后塑性区分布。
在埋深较大且强度较低的软岩隧道，开挖后造成的围岩应力重分布需要较长时间才能完成的塑性变形，支护的作用就是为了抑制这种变形的发展。图9为支护后轴线方向及典型横截面S塑性区分布图。由图9可看出，支护后，隧道塑性区范围明显缩小，被控制在1D以内，隧道前段塑性区范围仍大于后段。从典型截面S的塑性区分布可观察到，支护后，塑性区呈“球形”分布，洞壁附近的拱顶和洞底围岩发生剪切-拉张破坏，且洞底塑性区大于拱顶，两侧拱腰未发现剪切-拉张破坏；随塑性区向深部围岩扩展，破坏方式变为以剪切破坏为主，拱腰两侧的剪切破坏范围要大于拱顶和洞底。综合来看，支护后，塑性区的发展范围得到了有效抑制，支护效果比较明显。
3.3开挖与支护后最大主应力变化。
数值模型沿典型横截面S上的四个监测点方向向围岩深部不同深度的最大主应力监测数据见表3.由表3可看出：①在隧道开挖，围岩应力重分布后，隧道洞壁各部位至2.5D处均以压应力为主，总体上还是以重力作用为主导。在竖直方向上，拱顶A处和洞底D处的最大主应力分别为1.09、0.98MPa,在远离洞壁的过程中，最大主应力不断增加；在水平方向上，由拱腰向两侧最大主应力值呈现出先增大后减小的趋势，最大值分别出现拱腰B方向1D处的10.06 MPa和拱腰C方向1D处的10.17 MPa,在拱腰两侧形成一个对称的压应力集中区域。②隧道支护后，监测范围内围岩最大主应力仍以压应力为主，竖直方向上，由拱顶和洞底至两侧深部围岩，最大主应力不断增大，且同等深度较开挖后也有明显增大，除洞底D处的最大主应力减小为0.65 MPa外；水平方向上，洞壁拱腰位置至0.5D处，最大主应力不断增大，且较开挖后有明显增大，超过0.5D,最大主应力之随之减小，但较开挖后同等深度上却有所减小。综合来看，最大值分别减小为B方向上的9.93MPa和C方向上的9.82MPa,支护后拱腰两侧的应力集中区向洞壁靠近，各部位的应力分布也较开挖后更为均匀，说明支护效果明显。
3.4开挖与支护后最小主应力变化。
数值模型对于洞壁2.5D范围内的最小主应力监测数据显示见表4.由表4可看出，除了支护后洞底D处出现拉应力外，其他部位仍以压应力为主。在竖直方向上，支护前后，隧道围岩的最小主应力均是由拱顶和洞底向两侧不断增加（D点除外）。水平方向上，开挖后，洞壁至1D范围内，最小主应力不断增加，超出1D,最小主应力不断减小；支护后，最小主应力的极值点出现在0.5D处，虽然最小主应力集中区向洞壁转移，但最小主应力的最大值较开挖后有所减小，各部位的最小主应力值的差异也有所减小，尤其是洞壁四周的应力分布较为均匀，支护效果较好。
4结论。
a.根据模型计算结果，磨盘山隧道研究区段开挖后的变形、破坏及应力分布等变化主要受隧道埋深和围岩岩性两方面因素决定。隧道埋深越大，围岩强度越小的情况下，隧道开挖后的变形量就越大，塑性破坏区范围也越大，围岩所受应力也会增大且分布不均，且软岩强度对于开挖后隧道的稳定性影响要大于埋深。
b.隧道开挖后，在应力重分布后，隧道前段围岩强度较小，变形总位移、塑性区范围大于后段，位移最大值出现在拱顶，达2.75cm.
c.隧道支护后，限制了隧道变形的继续发展，各部位总位移值减小，塑性区范围也得到抑制，应力分布也变得均匀。
d.滇中红层软岩不仅具有强度低的特点，亦具有显着的膨胀性和崩解性。研究段前部夹有少量煤层，施工过煤层段可能会出现瓦斯等有害气体影响；应高度重视。
参考文献：
[1]GB30487-2008,水利水电工程地质勘察规划[S].北京：中国计划出版社，2009.
[2] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005,24（16）:2 803-2 813.
[3] 王振，韩春，贾超，等.深埋节理岩体隧洞开挖与支护的3DEC模拟[J].水电能源科学，2013,31（6）:150-152.
[4] 张凌.基于FLAC3D的隧洞衬砌与围岩接触性状分析[J].水电能源科学，2014,32（8）:112-115.
[5] 王树仁，刘招伟，屈晓红，等.软岩隧道大变形力学机制与刚隙柔层支护技术[J].中国公路学报，2009,22（6）:90-95.
[6] 王克忠，刘辉儒，王珏培，等.引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究[J].岩石力学与工程学报，2014,33（2）:217-224.
[7]JTGD70-2004,公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[8]TB10003-2005,铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.