焦國良 王 衛(wèi)

1 工程概況

方斗山隧道位于四川盆地東緣,由西向東穿越方斗山山脈中段,山脈走向呈北東～南西,其走向與構(gòu)造線走向基本一致,隧道最大埋深836 m。據(jù)區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù),本區(qū)地應(yīng)力較高,隧區(qū)構(gòu)造線呈NE向展布,推斷最大水平主應(yīng)力呈NW向,與擬建隧道軸線小角度斜交,對隧道的建設(shè)有利。隧道中段埋深大,地應(yīng)力相對較高,巖性主要為灰?guī)r。

2 FLAC3D簡介

FLAC[1](Fast Lagrangian Analysis of Continua,連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)是由Cundall和美國ITASCA公司開發(fā)出的有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序,主要適用于地質(zhì)和巖土工程的力學(xué)分析。

FLAC程序建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上,特別適合模擬大變形和扭曲。FLAC采用顯式算法來獲得模型全部運(yùn)動(dòng)方程(包括內(nèi)變量)的時(shí)間步長解,從而可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞和垮落,這對研究工程地質(zhì)問題非常重要。

3 建立數(shù)值模型

3.1 計(jì)算范圍與數(shù)值模型

為模擬高地應(yīng)力隧道,地應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性影響,本文選取DK160+800～DK161+000間隧道進(jìn)行受力分析,本區(qū)域段圍巖級別為Ⅲ級圍巖,施工方法采用上下臺階法[2]開挖。根據(jù)隧道圍巖完整性狀態(tài),參考剛性、柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)理論,確定初步支護(hù)結(jié)構(gòu)形式為:初襯23cm厚 C25混凝土,錨桿長度為3.5 m,間距1.5 m×1.5 m。二襯55cm厚C35混凝土。

計(jì)算坐標(biāo):X軸與隧道水平軸平行,Y軸與大地坐標(biāo)重合,Z軸與隧道縱軸線重合,坐標(biāo)原點(diǎn)為隧道底板與洞室縱軸線交點(diǎn)。計(jì)算范圍:左右邊界距隧道中心50 m,底部邊界距隧道地板距離30 m。取頂部邊界距離坐標(biāo)原點(diǎn)60 m。沿隧道縱軸Z向取值為45 m。

數(shù)值計(jì)算采用巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D。圍巖及襯砌均采用FLAC3D的實(shí)體單元進(jìn)行模擬,錨桿采用FLAC3D中的Cable結(jié)構(gòu)單元。單元總數(shù)48980,節(jié)點(diǎn)總數(shù)52608。

開挖方法采用上下臺階法開挖,初期支護(hù)延遲一步,二襯延后初期支護(hù)一步,兩者隨開挖同步跟進(jìn)。本文根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際施工組織過程,工作面開挖進(jìn)尺取3 m。襯砌支護(hù)完成共計(jì)18個(gè)施工步。

3.2 初始應(yīng)力及邊界條件

考慮隧道與地應(yīng)力測量主應(yīng)力平面方位與傾角的關(guān)系,根據(jù)新的地應(yīng)力測試成果地應(yīng)力反演理論進(jìn)行三維初始應(yīng)力場反演回歸分析[3],并根據(jù)地應(yīng)力反演大區(qū)域下的地應(yīng)力值進(jìn)行插值計(jì)算得到了隧道所處區(qū)域的地應(yīng)力值,其應(yīng)力值如表1所示。

表1 區(qū)域地應(yīng)力計(jì)算值 MPa

3.3 巖體本構(gòu)模型及材料參數(shù)

巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)研都表明研究隧道地段灰?guī)r夾頁巖性質(zhì)十分明顯,按圍巖級別分類處于Ⅲ級圍巖。計(jì)算采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則[5],根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及巖石力學(xué)測試結(jié)果,得出了研究隧道段計(jì)算區(qū)域圍巖與支護(hù)巖力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)性能參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

隧道開挖后,圍巖位移總體趨勢表現(xiàn)為向臨空面方向移動(dòng),考慮到邊界條件的影響,選擇模型Z=-22.5 m的中間斷面作為位移分析的典型斷面,隧道開挖過程中圍巖水平位移 UX,豎向位移UY及軸向位移UZ位移云圖如圖1所示。

分析圖1可以看出,開挖完成后,隧道周邊位移矢量都趨向洞內(nèi)。受地應(yīng)力影響,位移不再保持對稱,水平位移與豎向位移均與洞室水平方向與垂直方向存在一定的夾角。

隧道沿水平與豎向位移均較大,開挖完后,左邊墻最大水平位移為46mm,右邊墻最大水平位移為49mm,拱頂最大豎向位移為56mm,拱底最大豎向位移為66.7mm,沿隧道Z向,左邊墻最大值為68.5mm,右邊墻最大值為17mm,由此可以看出明顯的存在不對稱性,隧道沿Z向位移較大不可忽略。

5 結(jié)語

本文對深埋隧道進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,分析了高地應(yīng)力下深埋隧道圍巖位移,主要取得了以下結(jié)論:

1)深埋隧道開挖圍巖位移受地應(yīng)力場影響較大,開挖后圍巖均朝洞內(nèi)發(fā)生移動(dòng),并且掌子面前方圍巖產(chǎn)生較大軸向位移朝掌子面前方移動(dòng)。2)受地應(yīng)力影響位移不再保持對稱,右邊墻位移要大于左邊墻位移。3)綜合分析隧道圍巖水平、豎直、軸線方向位移的分布規(guī)律可知,高地應(yīng)力下隧道位移分布與地應(yīng)力方向存在密切關(guān)系,這也是深埋隧道選址軸線與最大主應(yīng)力方向平行的主要原因。

[1] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005:9.

[2] 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003:60.

[3] 熊照輝.區(qū)域初始地應(yīng)力場的回歸計(jì)算方法[J].水利學(xué)報(bào),1985(10):18-28.

[4] 靳春國,彭小金,洪 明.淺議土石壩壩坡穩(wěn)定性分析[J].山西建筑,2009,35(21):359-360.

[5] 張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].第 2版.北京:地質(zhì)出版社,1994.