張寶永

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100176)

1 引 言

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展以及社會產(chǎn)能需求量的增加，過去的淺部開采已經(jīng)不能滿足日常生產(chǎn)與生活需要，深部區(qū)域資源開采已成為必然趨勢。但由于特殊地質(zhì)條件的原因，深部開采所挖隧道周邊應(yīng)力集中明顯，地震、機械振動、爆破、相鄰巖爆等動力擾動對圍巖穩(wěn)定性影響極大，極易觸發(fā)巖爆，導(dǎo)致深部開采的危險系數(shù)極高[1－3]，人身安全受到威脅并對國家財產(chǎn)造成重大損失，所以對于巖爆現(xiàn)象預(yù)警尤為重要。由于巖石的地質(zhì)條件及巖爆成因的復(fù)雜性，采用試驗研究不同動力擾動下隧道圍巖穩(wěn)定性存在著操作困難、數(shù)據(jù)難以獲取、成本高等問題，所以利用數(shù)值模擬研究不同動力擾動形式對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響有著一定的意義。

為此，國內(nèi)外部分學(xué)者對隧道圍巖在動力擾動作用下的穩(wěn)定性進行了研究。朱萬成等[4]利用數(shù)值軟件系統(tǒng)RFPA模擬不同側(cè)壓力系數(shù)下動態(tài)擾動觸發(fā)深部圍巖巷道失穩(wěn)破壞的過程；唐禮忠等[5]利用ABAQUS模擬動力擾動作用下不同位置、不同傾角、不同厚度軟弱夾層對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響；張欣等[6]以青島膠州灣海底隧道為工程背景，提出了爆破施工荷載作用下隧道頂板厚度設(shè)計參考值，并驗證其可行性；Zhao，J等[7]將離散元軟件與有限差分軟件相耦合，對沖擊波在節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律進行分析；耿萍等[8]利用ANSYS/LS-DYNA軟件對穿越不同寬度和傾角斷層破碎帶的隧道動力響應(yīng)進行數(shù)值計算；吉凌等[9]借助數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試方法，研究隧道開挖爆破作用下的圍巖振動響應(yīng)特征；劉邦、郭東明、馮春等[10－12]研究了爆炸作用下隧道圍巖裂紋起裂與擴展規(guī)律。然而，以上研究主要是通過改變動力擾動作用下的參數(shù)來分析隧道圍巖的穩(wěn)定性以及在開挖過程中對圍巖穩(wěn)定性的靜力分析，并未考慮在開挖過程中的動力擾動對圍巖穩(wěn)定性的影響。

本文利用數(shù)值模擬軟件模擬隧道在開挖過程中受到正弦波、折線波、梯形波三種不同動力擾動形式下隧道圍巖的受力情況，分析不同動力擾動形式、不同作用時間周期、不同應(yīng)力幅值、不同側(cè)壓力系數(shù)以及襯砌厚度對隧道圍巖塑性區(qū)的影響。

2 動力擾動發(fā)生失穩(wěn)破壞數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

建立長95 m、寬95 m、深度100 m的隧道圍巖模型，如圖1所示。在圍巖上部和右側(cè)施加均布荷載以考慮初始地應(yīng)力的影響，在左側(cè)和底端施加固定約束。

所建隧道模型高12 m，寬19 m，計算時將圍巖劃分成9個區(qū)域，對每個區(qū)域單獨劃分網(wǎng)格，為了能準(zhǔn)確反映隧道圍巖塑性區(qū)的變化，對隧道區(qū)域進行細化。以折線波形式、梯形波形式、正弦波形式作為3種典型動力擾動波，選取100 MPa、300 MPa和500 MPa作為擾動波幅值，選取0.01 s、0.02 s和0.05 s作為3種不同的時間周期，對不同動力擾動波、不同應(yīng)力幅值及不同時間周期進行組合，共27組動力擾動波組合形式。

本文利用有限元軟件模擬隧道分步開挖過程，數(shù)值模擬中圍巖及襯砌參數(shù)如表1所示?？紤]實際工程開挖進展，模擬時選取4 m作為一個開挖步，共25個開挖步。在每個開挖步開始之前加入動力擾動形式，并在每個開挖步結(jié)束之后激活對應(yīng)的襯砌支護。在開挖結(jié)束之后，分析不同動力擾動組合形式下隧道圍巖的穩(wěn)定性、圍巖塑性區(qū)分布情況及變化規(guī)律。

表1 圍巖和襯砌力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

(1)正弦波動力擾動形式的影響

為探究正弦波動力擾動形式作用下隧道開挖過程中圍巖塑性區(qū)的變化情況，考慮側(cè)壓力系數(shù)為0.1時，應(yīng)力幅值及作用時間周期對隧道圍巖塑性區(qū)的影響。

圖2為正弦波作用形式下，應(yīng)力幅值為100 MPa，作用周期分別為0.01 s、0.02 s、0.05 s的三種動力擾動組合下的隧道開挖結(jié)束后洞周塑性區(qū)分布圖。

圖2 不同周期隧道開挖結(jié)束后塑性區(qū)分布

圖3～圖4為作用周期為0.01 s時，應(yīng)力幅值分別為100 MPa、300 MPa及500 MPa所對應(yīng)的正弦波拱頂位移和應(yīng)力隨開挖步變化曲線。

圖3 周期為0.01 s時不同幅值正弦波拱頂位移隨開挖步變化曲線

圖4 周期為0.01 s時不同幅值正弦波拱頂應(yīng)力隨開挖步變化曲線

正弦波應(yīng)力幅值為100 MPa時，不同時間作用周期得到的位移分別為0.074 6 m、0.074 7 m、0.074 9 m。由圖3、圖4可以看出，不同時間周期下的圍巖塑性區(qū)變化趨勢大致相同，均在隧道兩側(cè)拱腳和右側(cè)拱頂處出現(xiàn)塑性區(qū)，且不同作用時間周期下的圍巖塑性區(qū)面積相差不大。由此可見，作用周期的長短對圍巖塑性區(qū)影響不大。

(2)折線波動力擾動形式的影響

折線波作用形式下不同幅值及不同作用時間周期下初始開挖側(cè)隧道頂點的位移和應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 折線波組合下位移和應(yīng)力分步曲線

由圖5可知，隨著作用荷載逐漸增加，折線波形式作用下動力擾動的初始開挖側(cè)洞頂位移由0.045 m逐漸增大至0.419 m。

在相同作用時間和荷載下，比較正弦波形式下擾動所產(chǎn)生的位移和塑性區(qū)的變化情況與折線波形式下擾動所產(chǎn)生的位移和塑性區(qū)的變化情況，發(fā)現(xiàn)正弦波作用情況下，隧道圍巖塑性區(qū)的面積大于折線波作用形式下圍巖塑性區(qū)的面積，說明正弦波形式作用情況下圍巖的結(jié)構(gòu)更容易受到破壞。

(3)梯形波加載形式下的影響

不同幅值及不同作用時間周期在梯形波作用形式下初始開挖側(cè)隧道頂點的位移和應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 梯形波組合位移和應(yīng)力分步曲線

由圖6可知，隨著開挖步的增加，作用荷載增大，梯形波作用形式下隧道初始側(cè)開挖位移從0.079 8 m增至0.436 m。在相同作用時間和應(yīng)力幅值下，比較正弦波形式下擾動所產(chǎn)生的位移及塑性區(qū)變化情況、折線波形式下擾動所產(chǎn)生的位移和塑性區(qū)分布情況與梯形波形式下擾動所產(chǎn)生的位移與分布情況，發(fā)現(xiàn)梯形波作用形式下位移最大，在隧道兩側(cè)拱腳及拱頂都出現(xiàn)塑性區(qū)，折線波作用形式下位移最小，塑性區(qū)僅在隧道兩側(cè)拱腳處出現(xiàn)。如果長時間處于梯形波作用形式下的動力擾動，圍巖容易失穩(wěn)，從而引發(fā)災(zāi)害。

3 其他因素影響

在工程實際中，側(cè)壓力系數(shù)不同、襯砌厚度的確定都會對隧道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，為了研究其影響程度，本文以正弦波形式為例，探究不同側(cè)壓力系數(shù)及不同襯砌厚度對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.1 側(cè)壓力系數(shù)對隧道圍巖塑性區(qū)的影響

為方便分析，在正弦波作用周期為0.01 s、應(yīng)力幅值為100 MPa的情況下，研究側(cè)壓力系數(shù)的變化對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。為了考慮不同的初始地應(yīng)力分布狀態(tài)，側(cè)壓力系數(shù)分別取k＝1.0、k＝2.0。

圖7為側(cè)壓力系數(shù)為1.0、2.0時開挖結(jié)束后所對應(yīng)的洞周塑性區(qū)分布圖。

圖7 側(cè)壓力系數(shù)為1.0、2.0時開挖結(jié)束隧道洞周塑性區(qū)分布

在k＝1.0時，由于側(cè)壓力的增加，會改善之前頂部與底部的受拉情況以及兩側(cè)拱腳的受壓情況，所以對于隧道塑性區(qū)發(fā)生改善現(xiàn)象，使等效塑性應(yīng)變變小。

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)k＝2.0時，隧道右側(cè)受到的側(cè)壓力大于隧道上部受到的主壓力，此時頂部與底部受壓，隧道兩側(cè)拱腳受拉，隧道圍巖塑性極值區(qū)位于隧道右側(cè)拱腳處附近，等效塑性應(yīng)變增大。

3.2 襯砌厚度對隧道圍巖塑性區(qū)的影響

在正弦波形式作用下，取幅值為500 MPa、作用時長為0.05 s的加載條件。根據(jù)規(guī)范GB 50086—2015，選取襯砌厚度為 150 mm、160 mm、170 mm、185 mm及200 mm來研究襯砌厚度對隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)襯砌厚度不同時，第26步開挖結(jié)束后的襯砌應(yīng)力分布形式如圖8所示。綜上可知，隨著襯砌的加厚，隧道開挖結(jié)束后應(yīng)力會相對減小，隧道的穩(wěn)定性增強。但隨著襯砌厚度的增加，改善效果有限，考慮到實際工程的需要與成本問題，當(dāng)襯砌厚度為150 mm時，既能增強圍巖的穩(wěn)定性，又能節(jié)約成本。

圖8 不同襯砌厚度對隧道圍巖塑性區(qū)的影響

4 結(jié)論

本文通過改變擾動作用形式、作用時間周期、應(yīng)力幅值來模擬隧道開挖過程中受到的動力擾動，并通過改變側(cè)壓力系數(shù)及襯砌厚度對隧道圍巖的穩(wěn)定性進行分析，得出如下結(jié)論:

(1)不同擾動作用形式對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，梯形波作用形式下對圍巖穩(wěn)定性造成的破壞最大，折線波作用形式下造成的破壞最小，正弦波作用形式下造成的破壞居中。同種擾動作用形式下，隨著應(yīng)力幅值的增加，對應(yīng)的應(yīng)力和位移隨之增加，隧道圍巖塑性區(qū)面積增大，隧道圍巖穩(wěn)定性越差；作用時間周期變化對圍巖的穩(wěn)定性影響不大。

(2)側(cè)壓力系數(shù)對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。側(cè)壓力系數(shù)的變化會改變隧道洞周的應(yīng)力狀態(tài)，從而對塑性區(qū)的分布狀況造成影響。在實際施工過程中，應(yīng)考慮初始地應(yīng)力的分布情況以及施工過程中機械擾動對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

(3)襯砌厚度的增加會使隧道圍巖穩(wěn)定性增強，可根據(jù)實際工程需要進行經(jīng)濟最優(yōu)化選擇。