胡圣松 左清軍 陳 可 談云志 汪洪星 明華軍

(1. 三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

膨脹作用下板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬研究

胡圣松1左清軍1陳 可1談云志1汪洪星1明華軍2

(1. 三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

富水板巖地層的膨脹問題一直是地下工程領(lǐng)域亟待解決的難點問題．以滬昆客運專線長昆湖南段姚家隧道出現(xiàn)的膨脹問題為出發(fā)點，利用MIDAS/GTS軟件建立二維平面應(yīng)變非線性對稱計算模型，將已取得的基于時間效應(yīng)的富水板巖隧道圍巖膨脹本構(gòu)模型導(dǎo)入至MIDAS/GTS軟件中，研究膨脹作用下板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)機制．結(jié)果表明：板巖在膨脹作用過程中，圍巖膨脹力成為影響支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要荷載，由于膨脹力的存在，拱腳處的軸力、剪力、彎矩和仰拱跨中彎矩、軸力均會顯著增加；圍巖在膨脹過程中，與支護(hù)結(jié)構(gòu)密貼的圍巖附近會產(chǎn)生明顯的塑性區(qū)，塑性區(qū)主要集中在隧道仰拱以下區(qū)域和拱頂附近環(huán)形區(qū)域內(nèi)，仰拱以下塑性區(qū)層次明顯；塑性區(qū)的分布范圍和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移之間呈正相關(guān)性．

板巖； 膨脹； 支護(hù)結(jié)構(gòu)； 力學(xué)響應(yīng)

0 引 言

板巖是一種區(qū)域變質(zhì)巖，它可能是由頁巖、泥巖或凝灰?guī)r等[1]通過復(fù)雜的地質(zhì)作用而形成．隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)不斷推進(jìn)，特別是高鐵項目和南水北調(diào)工程的實施，不可避免的要在板巖分布區(qū)域進(jìn)行隧道開挖，隨之而帶來大量施工地質(zhì)災(zāi)害問題．由于板巖富含蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物，因此，在富水板巖地層中修建隧道，圍巖會發(fā)生膨脹作用，產(chǎn)生的膨脹壓力會作用至支護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，若變形過大，會發(fā)生侵限，進(jìn)而影響隧道施工期間的穩(wěn)定性．由此可見，研究富水條件下板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)機制具有重要的工程意義．

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者圍繞隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用開展了大量的研究，如何滿潮[2]從工程地質(zhì)學(xué)的角度，以現(xiàn)代大變形力學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過分析巖體變形的力學(xué)機制，提出了一種針對軟弱圍巖的支護(hù)理論．隨著大型計算機運算速度的提高，許多學(xué)者[3-8]采用比較先進(jìn)的商業(yè)有限元軟件成功地對各種影響因素作用下的隧道進(jìn)行了穩(wěn)定性分析．部分學(xué)者[9-16]采用這種方法對地下工程的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并取得了一系列研究成果．對于隧道開挖后圍巖的變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)，師金鋒[17]采用有限元對廣西柳州一處公路隧道圍巖的開挖過程進(jìn)行模擬，得出了不同開挖方式下隧道圍巖的位移、應(yīng)力狀態(tài)，以及位移、應(yīng)力狀態(tài)隨時間的變化規(guī)律；P. Kumar[18]結(jié)合無限單元與有限單元，運用有限元計算程序，對圍巖穩(wěn)定性問題進(jìn)行了一系列的計算分析．徐干成[19]以粘彈性邊界元理論為力學(xué)計算工具、工程類比定性內(nèi)容為修正依據(jù)，利用粘彈性邊界元法預(yù)測了錨噴支護(hù)隧道圍巖的變形來判斷其穩(wěn)定性．胡夏篙[20]以西北某水利工程地下洞室為例，對低地應(yīng)力狀態(tài)下洞室開挖后圍巖位移變化及其相應(yīng)特征，采用二維離散元法進(jìn)行了數(shù)值模擬研究．

綜上所述，雖然國內(nèi)外學(xué)者對隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程特性、變形特征及變形預(yù)測等進(jìn)行了大量研究，并且取得了一系列的成果，也解決了許多具體的工程問題，但由于板巖是一種特殊的地質(zhì)材料，其在膨脹作用下與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)仍存在許多問題有待進(jìn)一步研究．為此，本文采用有限元軟件MIDAS/GTS對膨脹作用下板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，尋求富水板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與膨脹圍巖的力學(xué)響應(yīng)關(guān)系，為板巖地區(qū)隧道的設(shè)計和施工提供參考．

1 工程概況

本文以滬昆客運專線長昆湖南段姚家隧道[21]為研究對象，研究膨脹作用下富水板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)機制．姚家隧道位于湖南省芷江侗族自治縣土橋鄉(xiāng)，隧道進(jìn)口位于黃家壟村，出口位于范家沖村，隧道最大埋深約247 m．沿線地形起伏較大，地形陡峻，陡峭地段坡度可達(dá)70°以上，平緩地段的坡度一般為20～35°，相對高差約304 m．根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果和鉆探揭露，研究區(qū)除局部地段地表覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)外，其余大部分地段基巖出露，基巖為元古界板溪群馬底驛組(Pt3bnm3)板巖地層．開挖揭露顯示，隧道巖層裂隙水發(fā)育，呈股狀流出，板巖在地下水的作用下，膨脹現(xiàn)象明顯，局部地段的支護(hù)結(jié)構(gòu)在板巖膨脹地壓的作用下出現(xiàn)開裂及鼓出，因此有必要對膨脹作用下板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)機制進(jìn)行研究，為解決支護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂問題提供參考．

2 計算假定

本文隧道圍巖采用二維平面應(yīng)變非線性單元，噴射混凝土和二襯采用梁單元，錨桿采用桁架單元，計算假定如下：1)初始應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力(研究地區(qū)屬低應(yīng)力區(qū)、構(gòu)造應(yīng)力強度較低)．2)初期支護(hù)只考慮錨桿、鋼拱架和噴射混凝土的共同作用．3)忽略防水板，認(rèn)為噴射混凝土和二次襯砌直接接觸．4)圍巖按均質(zhì)彈塑性材料考慮，選用筆者所在研究團(tuán)隊已取得的基于時間效應(yīng)的富水板巖隧道圍巖膨脹本構(gòu)模型[22]進(jìn)行數(shù)值模擬．5)隧道頂部圍巖存在加固區(qū)(加固范圍只有邊墻和拱頂)，計算中會適當(dāng)提高加固區(qū)圍巖參數(shù)．6)計算中不考慮圍巖體積膨脹，圍巖膨脹產(chǎn)生的膨脹力直接以時程荷載的方式加載在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，膨脹只引起圍巖彈性模量的變化．7)本次計算過程中膨脹力為初期支護(hù)施作之后板巖吸水產(chǎn)生的膨脹力．

3 計算模型與邊界條件

針對姚家隧道所出現(xiàn)的膨脹問題，本文采用二維平面應(yīng)變非線性對稱模型進(jìn)行模擬，并根據(jù)實際情況來合理確定模型參數(shù)和邊界條件．隧道設(shè)計凈跨度為14.62 m，凈高度為8.8 m．?dāng)?shù)值模擬的底層范圍為：隧道中心線距模型左、右邊界的距離各取60 m，即模型的寬度為120 m；隧道洞底距離下邊界30 m，隧道洞頂距離上邊界50 m．本文采用軟件自帶的邊界條件曲面彈簧，該邊界條件可以生成固定約束邊界條件．本文模型上表面取自由邊界，不施加約束；左、右表面施加X方向曲面彈簧；下表面施加Y方向曲面彈簧．

計算區(qū)域被劃分為4 258個單元和4 177個節(jié)點如圖1所示．根據(jù)勘察報告和隧道設(shè)計方案，計算參數(shù)的選取如表1、2所示．具體工況取值見表3．

圖1 單元網(wǎng)格劃分和控制單元

圍巖類別噴射砼厚度/mm拱墻 仰拱錨桿(拱墻)長度/m 直徑/mm 間距環(huán)×縱/m二次襯砌厚度/mm拱墻 仰拱Ⅲ12003221.2×1.5400500

表2 有限元計算參數(shù)(III級圍巖)

表3 計算工況

板巖吸水膨脹產(chǎn)生的膨脹力是隨時間變化的函數(shù)，本文假設(shè)板巖處于連續(xù)吸水膨脹狀態(tài)，達(dá)到極限膨脹所用時間為9.5 h．將基于時間效應(yīng)的富水板巖隧道圍巖膨脹本構(gòu)模型[22]導(dǎo)入至MIDAS/GTS軟件中，圍巖膨脹過程中產(chǎn)生膨脹力方向與支護(hù)結(jié)構(gòu)的法向一致，如圖2所示．

圖2 膨脹力荷載

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)分析

4.1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移響應(yīng)特征

3種工況下17978號節(jié)點的水平位移時程曲線如圖3所示．由圖3可知，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖彈模不變的情況下，控制點的水平位移都會隨著時間的推移而逐漸增大，在膨脹作用結(jié)束時，控制點水平位移達(dá)到最大值．隨著彈性模量的衰減，控制點的最大水平位移會逐漸增加．

圖3 拱腰水平位移時程曲線

4.1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移響應(yīng)特征

1)拱頂沉降響應(yīng)特征

由拱頂控制點位移時程曲線(如圖4所示)可知，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖彈模不變的情況下，拱頂?shù)呢Q向位移隨著時間的推移逐漸增大，膨脹作用結(jié)束時，拱頂豎向位移達(dá)到最大值．對拱頂最大豎向位移分析可以發(fā)現(xiàn)隨著彈性模量的衰變，拱頂最大豎向位移也會隨之增大．3種工況計算得到的拱頂最大豎向位移為23.35 mm，明顯大于拱腰水平位移，可以通過增加襯砌厚度和增加拱部襯砌的鋼筋用量來控制隧道拱頂沉降．

2)拱底隆起響應(yīng)特征

由拱底控制點位移時程曲線(如圖5所示)可看出，板巖彈性模量不變時，拱底位移隨著時間推移逐漸增大；相同時刻板巖彈性模量越小，拱底隆起值越大．拱底豎向位移在膨脹作用結(jié)束時達(dá)到極值，工況一、二、三對應(yīng)的拱底豎向位移極值分別為35.37 mm，42.81 mm，54.63 mm，拱底最大隆起值均大于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003-2005)規(guī)定的最小變形量30 mm，說明需要對仰拱的剛度進(jìn)行調(diào)整，使其能夠承受足夠的變形，常用的方法有增加仰拱的配筋率、增大仰拱的厚度、修改仰拱矢跨比，使仰拱剛度增大，變形量減小，但是具體如何調(diào)整，需要通過計算仰拱的內(nèi)力來確定調(diào)整值得大小．

圖4 拱頂豎向位移

圖5 拱底控制點隆起時程曲線

4.1.3 膨脹作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用分析

由于拱頂設(shè)有錨桿，而拱底未設(shè)置錨桿，在膨脹作用結(jié)束時，拱頂沉降要明顯小于拱底隆起．隧道拱頂沉降和拱底隆起隨著時間逐漸增大，隧道拱頂沉降最大值為23.35 mm，拱底隆起最大值為54.63 mm．隧道開挖后，拱頂與拱底的膨脹變形均存在不同程度的增長，但拱頂?shù)呐蛎涀冃蚊黠@受到了支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束，說明了錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)抑制了圍巖的膨脹變形，同時也提高了隧道圍巖的穩(wěn)定性．

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力響應(yīng)

4.2.1 混凝土層的內(nèi)力及應(yīng)力響應(yīng)分析

1)內(nèi)力響應(yīng)分析

選取拱底單元30439進(jìn)行拱底的內(nèi)力響應(yīng)分析．3種工況下拱底單元30439的內(nèi)力時程曲線如圖6～7所示．由圖6～7可知：

①拱底單元最初軸力為壓力，并隨時間先增大后減小．在3 h左右拱底單元軸力由壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，拉力值在膨脹作用結(jié)束時達(dá)到極值．隨著圍巖彈性模量的衰減，拱底單元所受壓力增大而拉力減小，結(jié)合仰拱變形規(guī)律分析可知，在板巖膨脹作用下，仰拱的曲率先增大后減小，導(dǎo)致仰拱所受軸力形似發(fā)生改變，這對隧道仰拱而言是非常不利的．

②膨脹作用前1.5 h內(nèi)，3種工況下的彎矩時程曲線基本重合，彎矩值近乎為0．1.5 h后彎矩值逐漸增大，在膨脹作用結(jié)束時達(dá)到極值．隨著圍巖彈性模量衰減，拱底單元所受彎矩極值逐漸增大．

圖6 拱底控制單元軸力時程曲線圖

圖7 拱底控制單元彎矩時程曲線

2)應(yīng)力響應(yīng)分析

3種工況下拱底單元30439的應(yīng)力時程曲線如圖8～9所示．由圖8～9可知：

圖8 襯砌拱底單元軸向應(yīng)力時程曲線

圖9 襯砌拱底單元最大主應(yīng)力時程曲線

①混凝土層的軸向應(yīng)力在膨脹作用前期都處于受壓狀態(tài)，隨著時間的推移，軸向壓應(yīng)力逐漸減?。蛎涀饔? h后，軸向壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，并隨著時間逐漸增加，在膨脹作用結(jié)束時達(dá)到極值．隨著彈性模量的衰變，拱底襯砌軸向拉應(yīng)力極值也會隨之減?。?/p>

②3種工況下的最大主應(yīng)力都會隨著時間先減小后增大，膨脹作用1.5 h最大主應(yīng)力達(dá)到極小值，拱底單元處于完全受壓狀態(tài)．隨著時間的推移，拱底單元應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生改變，拉應(yīng)力逐漸向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變，拱底由完全受壓狀態(tài)開始向受拉狀態(tài)改變．膨脹作用結(jié)束時，拱底最大主應(yīng)力達(dá)到極值，隨著彈性模量的衰變，襯砌拱底單元最大主應(yīng)力極值會增大．

4.2.2 錨桿內(nèi)力響應(yīng)

本文計算模型將錨桿視為桁架，錨桿中只存在軸力，拱頂錨桿軸力值最大，故提取拱頂錨桿單元34098進(jìn)行軸力時程分析，錨桿軸力時程曲線如圖10所示．由圖10可知：

①錨桿軸力始終為拉力，并隨著時間的推移逐漸增大，前1.5 h內(nèi)拱頂沉降值小，錨桿軸力變化趨勢不明顯，1.5 h之后，錨桿軸力增大趨勢越來越明顯，在膨脹作用結(jié)束時，錨桿軸力達(dá)到極值．

②彈性模量的衰減會導(dǎo)致錨桿軸力增大，膨脹作用前1.5 h內(nèi)，由于拱頂變形量較小，不同工況下拱腳軸力相差并不明顯，在膨脹作用1.5～9.5 h之間，拱腳軸力會出現(xiàn)大幅增長，增長速度也會隨著時間逐漸放緩，膨脹作用結(jié)束，拱腳軸力達(dá)到極值差異達(dá)到最大值．

圖10 錨桿軸力時程曲線

4.3 膨脹過程中圍巖塑性區(qū)的演變

由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，圍巖在膨脹過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖會產(chǎn)生抗力作用，圍巖的塑性區(qū)的范圍和形態(tài)會隨時間推移而發(fā)生改變．提取3種工況對應(yīng)塑性區(qū)云圖．通過分析可知：

1)圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍，主要集中在隧道仰拱以下區(qū)域和拱頂附近環(huán)形區(qū)域內(nèi)，仰拱以下塑性區(qū)層次明顯，塑性區(qū)域的分布和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移存在一定的關(guān)聯(lián)性，拱頂沉降位移值小于拱底隆起值，拱底的塑性區(qū)影響范圍要大于拱頂?shù)乃苄詤^(qū)影響范圍．

2)隨著時間的推移，圍巖塑性區(qū)逐漸發(fā)育成型，拱頂周圍的塑性區(qū)在6 h左右趨于穩(wěn)定，區(qū)域不變，塑性值會隨著時間逐漸增大，拱頂周圍塑性區(qū)的塑性值在膨脹作用結(jié)束時達(dá)到極值，拱底周圍的塑性區(qū)隨著時間的推移呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的狀態(tài)，在9.5 h左右趨于穩(wěn)定，在膨脹作用結(jié)束時塑性區(qū)達(dá)到極值，說明隧道拱底處圍巖的膨脹作用對仰拱的影響要遠(yuǎn)大于拱頂圍巖的膨脹作用對拱頂和邊墻的影響．

3)3種工況對應(yīng)的不同時間點圍巖塑性區(qū)極值見表4．由表4可知，隨著圍巖彈性模量的衰減，塑性區(qū)最大值會隨之增大，塑性區(qū)極值也會隨著時間的推移逐漸增大，在膨脹作用結(jié)束時達(dá)到最大，同一工況下9.5 h塑性區(qū)最大值約為3 h塑性區(qū)最大值的3倍，說明圍巖膨脹作用時間越長，圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響越大，對仰拱的影響最為明顯．

表4 3種工況不同時刻塑性區(qū)最大值

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取滬昆客運專線姚家隧道DK385+100附近的膨脹性泥質(zhì)板巖為研究對象進(jìn)行監(jiān)控量測，得到了該處的膨脹壓力與膨脹率，測試周期為30d，如圖11所示．

圖11 圍巖膨脹率的監(jiān)測曲線

說明：I1為應(yīng)力第一不變量，即3個方向膨脹應(yīng)力的總和．

由圖11可知：①當(dāng)應(yīng)力第一不變量為定值時，隨著時間的增長，膨脹率增大最終趨向于穩(wěn)定數(shù)值，這與拱底隆起時程曲線的試驗結(jié)果(拱底隆起的豎向位移與時間的關(guān)系)一致；②在相同的時刻，膨脹率隨著應(yīng)力第一不變量的增大而減?。捎诒疚乃芯康膬?nèi)容都是以時間為變量，所以只能間接的去分析同一時刻的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系．通過對拱底軸力與隆起時程曲線分析發(fā)現(xiàn)，膨脹作用3 h后，相同時刻下，彈性模量的衰減會使拱底的軸力減小而使豎向位移增大，這與監(jiān)測結(jié)果的變化一致．

6 結(jié) 論

以滬昆客運專線長昆湖南段姚家隧道板巖地層的膨脹問題為出發(fā)點，對膨脹作用下板巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)機制進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)論如下：

1)板巖在膨脹作用過程中，圍巖膨脹力成為影響支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要荷載，由于膨脹力的存在，拱腳處的軸力、剪力、彎矩和仰拱跨中彎矩、軸力均會顯著增加，這對隧道穩(wěn)定性而言是非常不利的．因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)充分考慮荷載的最不利組合，在富水板巖地層中開挖隧道應(yīng)關(guān)注膨脹作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征，防止隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)因膨脹而開裂．

2)圍巖在膨脹過程中，與支護(hù)結(jié)構(gòu)密貼的圍巖附近會產(chǎn)生明顯的塑性區(qū)．圍巖塑性區(qū)主要集中在隧道仰拱以下區(qū)域和拱頂附近環(huán)形區(qū)域內(nèi)，仰拱以下塑性區(qū)層次明顯；塑性區(qū)的分布范圍和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移存在正相關(guān)性，塑性區(qū)的分布范圍越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移越大(拱底的塑性區(qū)分布范圍大于拱頂?shù)乃苄詤^(qū)分布范圍，拱底隆起值要大于拱頂沉降位移值)．

[1] 楊春和，冒海軍，王學(xué)潮，等．板巖遇水軟化的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性研究[J]．巖土力學(xué)，2006，27(12)：2090-2098．

[2] 何滿潮，孫曉明．中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計與施工指南[M]．北京：科學(xué)出版社，2004．

[3] Karakus M, Fowellb R J． Effects of Different Tunnel Face Advance Excavation on the Settlement by FEM [J]． Tunnelling and Underground Space Technology, 2003, 18(5)：513-523．

[4] Mroueh H, Shahrour I． A Simplified 3D Model for Tunnel Construction Using Tunnel Boring Machines [J]． Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23(1)：38-45．

[5] Chen J S, Moa H H． Numerical Study on Crack Problems in Segments of Shield Tunnel Using Finite Element Method [J]． Tunnelling and Underground Space Technology, 2009, 24(1)：91-102．

[6] Peng F L, Wang H L, Tan Y, et al． Field Measurements and Finite-Element Method Simulation of a Tunnel Shaft Constructed by Pneumatic Caisson Method in Shanghai Soft Ground[J]． Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2011, 137(5)：516-524．

[7] Masin D． 3D Modeling of an NATM Tunnel in High KO Clay Using Two Different Constitutive Models [J]． Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2009, 135(9)：1326-1335．

[8] Contini A, Cividini A, Gioda G． Numerical Evaluation of the Surface Displacements due to Soil Grouting and to Tunnel Excavation[J]． International Journal of Geomechanics, 2007, 7(3)：217-226．

[9] 張華兵，倪玉山，趙學(xué)勛．黃土隧道圍巖穩(wěn)定性粘彈塑性有限元分析[J]．巖土力學(xué)，2004，25(S2)：247-250．

[10] 胡文清，鄭穎人，鐘昌云．木寨嶺隧道軟弱圍巖段施工方法及數(shù)值分析[J]．地下空間與工程學(xué)報，2004，24(2)：194-197．

[11] 龔建伍，雷學(xué)文．大斷面小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J]．巖土力學(xué)，2010，31(2)：412-417．

[12] 周維祥，黃茂松，呂璽琳．非均質(zhì)黏土地基中平面應(yīng)變隧道最小支護(hù)壓力數(shù)值模擬[J]．巖土力學(xué)，2010，31(2)：418-421．

[13] 賈劍青，王宏圖，李 晶，等．復(fù)雜條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]．巖土力學(xué)，2010，31(11)：3599-3603．

[14] 熊 煒，范 文，彭建兵，等．正斷層活動對公路山嶺隧道工程影響的數(shù)值分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(1)：2845-2852．

[15] 覃衛(wèi)民，趙榮生，王 浩，等．淺埋大跨隧道下穿建筑物的安全影響研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(2)：3762-3768．

[16] 羅彥斌，陳建勛，王夢?。淼佬苯粰M通道施工對主隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(2)：3792-3798．

[17] 師金鋒，張應(yīng)龍．超大斷面隧道圍巖的穩(wěn)定性分析[J]．地下空間與工程學(xué)報，2005，1(2)：227-241．

[18] P. Kumar. In finite Elements for Numerical Analysis of Underground Excavations [J]． Tunnelling and Underground Technology, 2000, 15(1)：117-124．

[19] 徐干成．粘彈性邊界元法預(yù)測錨噴支護(hù)隧道圍巖穩(wěn)定性[J]．巖土力學(xué)，2001，22(1)：12-15．

[20] 胡夏嵩，趙法鎖．低地應(yīng)力區(qū)地下洞室初始和二次應(yīng)力離散元模擬[J]．金屬礦山，2004(11)：18-21．

[21] 左清軍．軟質(zhì)板巖特大斷面隧道施工期圍巖力學(xué)效應(yīng)研究[D]．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)博士學(xué)位論文，2013．

[22] 左清軍，陳 可，談云志，等．基于時間效應(yīng)的富水泥質(zhì)板巖隧道圍巖膨脹本構(gòu)模型研究[J]．巖土力學(xué)，2016，37(5)：1357-1364．

[責(zé)任編輯 周文凱]

Numerical Simulation Research on Mechanical Response of Slate Tunnel Supporting Structures under Action of Swelling

Hu Shengsong1Zuo Qingjun1Chen Ke1Tan Yunzhi1Wang Hongxing1Ming Huajun2

(1. Hubei Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

The swelling problem of water-rich slate stratum has been a difficult problem urgently to be solved in underground engineering field. Based on the swelling problem of Yaojia tunnel at Changsha to Kunming Section in Shanghai to Kunming High-speed railway of China, MIDAS/GTS is used to establish the two-dimensional plane strain calculation model. In order to study the mechanical response mechanism of slate rock tunnel supporting structure under swelling effect, a time-dependent constitutive model for swelling surrounding rock of tunnel in water-rich slate is imported to the calculation model. The results show that the swelling force of surrounding rock is the main load that influences the internal force of supporting structure in the swelling process of slate. Because of the existence of swelling force, the axial force, shear force, bending moment and axial force of the arch foot and mid-span bending moment and axial force of the invert significantly increase. In the process of swelling of the surrounding rock, obvious plastic zone will be produced near the surrounding rock closed to the supporting structure. Moreover, the plastic zone is mainly concentrated in the region under the inverted arch of the tunnel and circular area near the vault. Besides, the level of the plastic zone under the inverted arch is obvious. The relationship between the distribution of plastic zone and displacement of tunnel supporting structure presents the positive correlation.

slate; swelling; supporting structures; mechanical response

2016-07-21

國家自然科學(xué)基金項目(41402259)；防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室(三峽大學(xué))開放基金項目(2016KJZ18)；三峽大學(xué)人才科研啟動基金項目(KJ20130048)．

左清軍(1983-)，男，副教授，博士，主要從事地質(zhì)工程方面的教學(xué)與研究工作．E-mail：qjzuo@ctgu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.005

U451

A

1672-948X(2017)03-0020-06