張立群 高 典 楊 浩 穆柏林 張麗嬌 徐永明

(1.河北建筑工程學(xué)院,土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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地表傾角和埋深對(duì)淺埋偏壓隧道塑性區(qū)的影響范圍研究

張立群1高 典1楊 浩1穆柏林1張麗嬌1徐永明2

(1.河北建筑工程學(xué)院,土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

淺埋偏壓隧道施工安全是隧道施工的常見問題.采用FLAC3D有限差分軟件，針對(duì)地表傾角和埋深對(duì)隧道塑性區(qū)范圍的影響，分為兩組不同工況的隧道開挖進(jìn)行了數(shù)值分析.結(jié)果表明：隨著地表傾角增加，左邊墻和左拱腳的水平位移逐漸減小，當(dāng)?shù)乇韮A角為35°時(shí)位移值為負(fù)，出現(xiàn)了向左的位移，右拱腰的豎向位移增大趨勢(shì)要大于左拱腰，隨著隧道埋深的增加，位移的大小隨埋深的增大均逐漸增加；剪應(yīng)力主要集中在左右拱腳和左右邊墻處，塑性區(qū)首先出現(xiàn)在這些區(qū)域，并隨著剪應(yīng)力的增加范圍逐漸增大.

淺埋偏壓隧道；埋深；地表傾角；塑性區(qū)

0 引 言

高世軍，張學(xué)民[1]對(duì)貴州三凱高速公路松皆雅隧道工程地質(zhì)的情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓潰機(jī)理進(jìn)行了理論分析.鐘新樵[2]結(jié)合寶中線老頭溝隧道，對(duì)偏壓條件下的不同開挖方法進(jìn)行了對(duì)比模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明隧道偏壓的形成與圍巖性質(zhì)、地表的傾角、隧道覆土厚度、洞室形狀及尺寸、施工方法均有關(guān).周曉軍，高楊等人[3]針對(duì)地質(zhì)順層巖體作用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的偏壓載荷進(jìn)行了模型試驗(yàn)，初步得出了地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖壓力的分布特點(diǎn)與不同順層傾角之間的變化關(guān)系，并對(duì)這種隧道的結(jié)構(gòu)形式和支護(hù)措施進(jìn)行了探討.謝世平[4]利用有限元軟件2D-Sigma對(duì)隧道的原始地應(yīng)力場(chǎng)、開挖后的地應(yīng)力場(chǎng)的分布情況和隧道開挖方法以及支護(hù)方式進(jìn)行了模擬研究.沈春儒，蔣斌松[5]針對(duì)樺木溝隧道，通過數(shù)值模擬研究了該偏壓隧道圍巖的變形特征以及穩(wěn)定性，對(duì)影響偏壓隧道的因素進(jìn)行了分析.朱勁，徐幼建，許瑞寧[6]針對(duì)沙霸灣隧道洞口偏壓段進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了紅層地區(qū)不同節(jié)理傾角下隧道圍巖應(yīng)力和變形.喬雄，陳建勛，王夢(mèng)恕[7]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量的方法，對(duì)劉家坪2號(hào)隧道洞口段的凈空收斂、圍巖內(nèi)部位移及拱部下沉進(jìn)行測(cè)試，揭示了黃土隧道洞口段的變形規(guī)律.祁寒，高波等人[8]對(duì)均質(zhì)硬巖、豎向半軟半硬圍巖和均質(zhì)軟巖偏壓小凈距隧道的施工過程進(jìn)行了模擬研究.

偏壓隧道，是指由于不對(duì)稱力的作用，使隧道支護(hù)受到偏壓荷載作用的隧道.引起隧道偏壓的主要影響因素可分為三類：地形引起的偏壓、地質(zhì)構(gòu)造引起的偏壓和施工引起的偏壓.地形因素引起的偏壓，主要表現(xiàn)為：隧道頂部覆蓋層較薄，地表橫坡有明顯傾斜的軟質(zhì)或土質(zhì)且松散的圍巖，常見于傍山淺埋以及洞口淺埋地段，要想改變地形偏壓具有相當(dāng)?shù)碾y度；地質(zhì)構(gòu)造因素引起隧道偏壓，主要表現(xiàn)為：圍巖為傾斜層狀結(jié)構(gòu)，層間粘結(jié)力差且不良節(jié)理裂隙發(fā)育，或者是洞身存在軟弱結(jié)構(gòu)面且傾角較大，使得圍巖部分較硬部分較軟；在隧道施工期間，可能會(huì)出現(xiàn)由于施工方法不當(dāng)造成隧道一側(cè)圍巖出現(xiàn)塌方、超挖且回填不密實(shí)或未及時(shí)支護(hù)等原因形成的偏壓，這一類人為原因造成的隧道偏壓屬于施工因素引起的偏壓.

1 隧道數(shù)值模擬

1.1 FLAC3D模型建立

隧道數(shù)值模型根據(jù)實(shí)際工程確定，毛洞單跨15.6 m，高11 m，首先采用有限元軟件ANSYS建立三維數(shù)值模型，并劃分網(wǎng)格，再導(dǎo)入FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，巖體的初始地應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng).

根據(jù)彈性力學(xué)中接觸理論和拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道開挖對(duì)大于隧道洞徑3倍距離外的巖體擾動(dòng)影響不大，因此，為了消除邊界效應(yīng)，隧道模型的的左右邊界距開挖邊界取三倍跨度以上，下邊界至仰拱的距離取隧道的三倍高度以上，上邊界為實(shí)際地表，模型總寬度為150 m，沿隧道軸向長(zhǎng)度為30 m，模型左右邊界和前后邊界約束其相應(yīng)地水平位移，下邊界約束其豎向位移，上邊界為自由邊界.隧道采用上下臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長(zhǎng)9 m，每次開挖進(jìn)尺3 m.初期支護(hù)采用Φ25中空注漿錨桿，L=4 m，間距100 cm×70 cm，噴C25混凝土28 cm.模型采用cable單元模擬錨桿，采用彈性模型來模擬混凝土初期支護(hù).

(a)ANSYS模型網(wǎng)格 (b)初支樣式

圖1 隧道模型網(wǎng)格與支護(hù)樣式

1.2 圍巖參數(shù)及數(shù)值仿真工況

表1 圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

表2 工況分組情況

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 位移分析

(a)水平位移 (b)豎向位移

圖2 不同地表傾角隧道位移曲線

由圖2中可以得到，隨著地表傾角由15°增加到35°，左邊墻和左拱腳的水平位移逐漸減小，當(dāng)?shù)乇韮A角為35°時(shí)位移值為負(fù)，出現(xiàn)了向左的位移，左邊墻位移由0.3 mm減小到-0.15 mm，左拱腳位移由0.3 mm減小到-0.5 mm，右邊墻的位移隨地表傾角的變化不明顯，右拱腳水平位移隨地表偏角的增大逐漸增大，當(dāng)傾角達(dá)到35°時(shí)水平位移最大，達(dá)到1.6 mm；隨著地表傾角的增加，左拱腰的豎向位移增加幅度不大，而拱頂和右拱腰的豎向位移則增加較多，說明隧道在偏壓作用下變形逐步增大，當(dāng)偏壓角度超過25°以后變形速率也增大，隨偏壓角度增大右拱腰的豎向位移增大趨勢(shì)要大于左拱腰，因此在施工的時(shí)候要更加注意隧道右側(cè)的支護(hù)與圍巖穩(wěn)定性.

(a)水平位移 (b)豎向位移

圖3 不同隧道埋深位移曲線

隨著隧道埋深的變化，各部位水平位移表現(xiàn)很明顯的規(guī)律性，左邊墻和左拱腳產(chǎn)生向左的位移，右邊墻和右拱腳均產(chǎn)生向右的位移，位移的大小隨埋深的增大均逐漸增加，右側(cè)的位移值大于左側(cè)的位移值；在隧道埋深為10 m時(shí)，左、右邊墻的水平位移值接近于0 mm，當(dāng)埋深為25 m時(shí)，隧道右拱腳的水平位移值變化曲線接近水平，說明隨著埋深增大隧道變形有變緩的趨勢(shì)，而隨著隧道埋深的增加，左拱腰、拱頂、右拱腳的豎向位移表現(xiàn)出單調(diào)增加的趨勢(shì)，左拱腰的豎向位移小于拱頂和右拱腰的豎向位移值.隧道的變形值隨著隧道埋深的增加整體呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，因此在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)充分考慮到埋深對(duì)隧道的影響.

2.2 應(yīng)力分析

圖4 不同傾角隧道剪應(yīng)力云圖

不同地偏壓角度隧道的剪應(yīng)力如圖4所示，隧道左右側(cè)的剪應(yīng)力都較大，而且主要集中在左右拱腳和左右邊墻處，在隧道右拱腳和左邊墻處出現(xiàn)較大的正應(yīng)力，在隧道左拱腳和右邊墻處出現(xiàn)較大的負(fù)應(yīng)力，15°傾角時(shí)最大正應(yīng)力為8.0247e5，最大負(fù)應(yīng)力值為1.0388e6，35°傾角時(shí)最大正應(yīng)力為7.8560e5，最大負(fù)應(yīng)力為1.5634e6.隨著地面傾角的增大，最大正應(yīng)力值變化不大，而最大負(fù)應(yīng)力值增加較多.

圖5 不同埋深隧道剪應(yīng)力云圖

在不同埋深的隧道剪應(yīng)力如圖5所示，隨著埋深的增大，剪應(yīng)力集中的部位基本沒有發(fā)生改變，但剪應(yīng)力的數(shù)值隨之增加，左拱腳處剪應(yīng)力增加速度較快，右側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的范圍較左側(cè)大.隧道右拱腳和左邊墻處的剪應(yīng)力為正，在左拱腳和右邊墻處的剪應(yīng)力為負(fù)，最大負(fù)應(yīng)力約為最大正應(yīng)力值的2倍.

2.3 塑性區(qū)分析

圖6 不同地表傾角與不同埋深隧道塑性區(qū)范圍分布圖

對(duì)比圖6中兩組工況隧道的塑性區(qū)圖，藍(lán)色代表沒有進(jìn)入屈服狀態(tài)，綠色代表曾經(jīng)達(dá)到剪應(yīng)力屈服狀態(tài)，紅色代表現(xiàn)在處于剪應(yīng)力屈服狀態(tài)，可以觀察到地表傾角和隧道埋深對(duì)塑性區(qū)的影響，塑性區(qū)首先出現(xiàn)在最大剪應(yīng)力集中的區(qū)域，隨著剪應(yīng)力的增加，塑性區(qū)的范圍也逐漸增大.當(dāng)傾角在20°以下時(shí)，隧道的整體塑性區(qū)范圍較小，右側(cè)的塑性區(qū)比左側(cè)的范圍略大一些，當(dāng)傾角繼續(xù)增大時(shí)，隧道右側(cè)塑性區(qū)范圍有了很大的發(fā)展，而左側(cè)的塑性區(qū)范圍則較為穩(wěn)定；當(dāng)隧道埋深由10 m增加到30 m時(shí)，可以看出不僅右側(cè)塑性區(qū)的范圍明顯增大，隧道左側(cè)的塑性區(qū)范圍也有一定程度的增大.隧道右拱腳處的塑性區(qū)向右上方發(fā)展，右邊墻底的塑性區(qū)向右下方發(fā)展，因此，一定要重視隧道右側(cè)的支護(hù)與變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)兼顧隧道左側(cè)的施工，防止隧道片幫、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生.

3 結(jié) 論

通過對(duì)不同地表傾角和隧道埋深兩組工況隧道的數(shù)值模擬，分析了隧道的變形、應(yīng)力以及圍巖塑性區(qū)，得出以下結(jié)論：

(1)隨著地表傾角由15°增加到35°，左邊墻和左拱腳的水平位移逐漸減小，當(dāng)?shù)乇韮A角為35°時(shí)位移值為負(fù)，出現(xiàn)了向左的位移，右拱腰的豎向位移增大趨勢(shì)要大于左拱腰；隨著隧道埋深的增加，位移的大小隨埋深的增大均逐漸增加，右側(cè)的位移值大于左側(cè)的位移值，當(dāng)埋深為25 m時(shí)，隧道右拱腳的水平位移值變化曲線接近水平，說明隨埋深增大隧道變形有變緩的趨勢(shì).

(2)隨著地表傾角和隧道埋深的增加，剪應(yīng)力主要集中在左右拱腳和左右邊墻處，在隧道右拱腳和左邊墻處出現(xiàn)較大的正應(yīng)力，在隧道左拱腳和右邊墻處出現(xiàn)較大的負(fù)應(yīng)力，塑性區(qū)首先出現(xiàn)在最大剪應(yīng)力集中的區(qū)域，隨著剪應(yīng)力的增加，塑性區(qū)的范圍也逐漸增大.

[1]高世軍,張學(xué)民.地形與地質(zhì)構(gòu)造偏壓隧道結(jié)構(gòu)受力分析[J].中外公路,2009,29(5):204～207

[2]鐘新樵.土質(zhì)偏壓隧道襯砌模型試驗(yàn)分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1996,31(6):602～606

[3]周曉軍,高楊,李澤龍,楊昌宇.地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖壓力及其分布特點(diǎn)的試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(1):12～21

[4]謝世平.偏壓隧道穩(wěn)定性分析及控制研究[D].重慶:重慶大學(xué),2007

[5]沈春儒,蔣斌松.樺木溝隧道圍巖偏壓穩(wěn)定性研究[J].公路交通科技,2011,000(009):164～166

[6]朱勁,徐幼建,許瑞寧.不同節(jié)理傾角對(duì)紅層地區(qū)偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的影響[J].四川建筑,2015,35(2):91～93

[7]喬雄,陳建勛,王夢(mèng)恕.黃土公路隧道洞口段變形規(guī)律測(cè)試研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(z2):3552～3556

[8]祁寒,高波,王帥帥,徐川.不同地質(zhì)條件淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014,51(4):108～112

Study on Influence Scope of Shallow tunnel with unsymmetrical loadings Plastic Zone by Surface Dip and Buried Depth

ZHANGLi-qun1，GAODian1，YANGHao1，

MUBai-lin1，ZHANGLi-jiao1，XUYong-ming2

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei,075000,China;2.Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin,300142,China)

Construction safety of shallow tunnel with unsymmetrical loadings is an important problem in tunnel construction.The paper use FLAC3Dto analyse ten different conditions of tunneling for surface dip and buried depth of the tunnel and the plastic zone impact.The result show：With the increasing of the surface dip,the horizontal displacement of the left wall and the left arch reduce gradually,and when the surface dip was 35 degree,the horizontal displacement is negative;The increasing trend of the vertical displacement of Right hance is greater than left hance;With the increasing of tunnel depth,the displacement increase gradually;Sheer stress is mainly concentrated around the left and right arch and the left and right wall,and plastic zone first appears in these area and its scope enlarge with the increasing of sheer stress.

Shallow tunnel with unsymmetrical loadings;Buried depth;Surface dip;Plastic zone

2016-04-24

2016年河北建筑工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(XA201601)

張立群(1972-)，男，教授，從事土木工程專業(yè)施工與道路橋梁健康監(jiān)測(cè)研究.

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