高地应力隧道开挖过程中围岩稳定性分析

焦国良 王 卫

1 工程概况

方斗山隧道位于四川盆地东缘,由西向东穿越方斗山山脉中段,山脉走向呈北东～南西,其走向与构造线走向基本一致,隧道最大埋深836 m。据区域地质数据,本区地应力较高,隧区构造线呈NE向展布,推断最大水平主应力呈NW向,与拟建隧道轴线小角度斜交,对隧道的建设有利。隧道中段埋深大,地应力相对较高,岩性主要为灰岩。

2 FLAC3D简介

FLAC[1](Fast Lagrangian Analysis of Continua,连续介质快速拉格朗日分析)是由Cundall和美国ITASCA公司开发出的有限差分数值计算程序,主要适用于地质和岩土工程的力学分析。

FLAC程序建立在拉格朗日算法基础上,特别适合模拟大变形和扭曲。FLAC采用显式算法来获得模型全部运动方程(包括内变量)的时间步长解,从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落,这对研究工程地质问题非常重要。

3 建立数值模型

3.1 计算范围与数值模型

为模拟高地应力隧道,地应力对围岩稳定性影响,本文选取DK160+800～DK161+000间隧道进行受力分析,本区域段围岩级别为Ⅲ级围岩,施工方法采用上下台阶法[2]开挖。根据隧道围岩完整性状态,参考刚性、柔性支护结构理论,确定初步支护结构形式为:初衬23cm厚 C25混凝土,锚杆长度为3.5 m,间距1.5 m×1.5 m。二衬55cm厚C35混凝土。

计算坐标:X轴与隧道水平轴平行,Y轴与大地坐标重合,Z轴与隧道纵轴线重合,坐标原点为隧道底板与洞室纵轴线交点。计算范围:左右边界距隧道中心50 m,底部边界距隧道地板距离30 m。取顶部边界距离坐标原点60 m。沿隧道纵轴Z向取值为45 m。

数值计算采用岩土工程数值计算软件FLAC3D。围岩及衬砌均采用FLAC3D的实体单元进行模拟,锚杆采用FLAC3D中的Cable结构单元。单元总数48980,节点总数52608。

开挖方法采用上下台阶法开挖,初期支护延迟一步,二衬延后初期支护一步,两者随开挖同步跟进。本文根据现场的实际施工组织过程,工作面开挖进尺取3 m。衬砌支护完成共计18个施工步。

3.2 初始应力及边界条件

考虑隧道与地应力测量主应力平面方位与倾角的关系,根据新的地应力测试成果地应力反演理论进行三维初始应力场反演回归分析[3],并根据地应力反演大区域下的地应力值进行插值计算得到了隧道所处区域的地应力值,其应力值如表1所示。

表1 区域地应力计算值 MPa

3.3 岩体本构模型及材料参数

岩石力学室内试验结果和现场调研都表明研究隧道地段灰岩夹页岩性质十分明显,按围岩级别分类处于Ⅲ级围岩。计算采用摩尔—库仑准则[5],根据现场调查以及岩石力学测试结果,得出了研究隧道段计算区域围岩与支护岩力学指标如表2所示。

表2 围岩与支护结构材料物理力学性能参数

4 计算结果分析

隧道开挖后,围岩位移总体趋势表现为向临空面方向移动,考虑到边界条件的影响,选择模型Z=-22.5 m的中间断面作为位移分析的典型断面,隧道开挖过程中围岩水平位移 UX,竖向位移UY及轴向位移UZ位移云图如图1所示。

分析图1可以看出,开挖完成后,隧道周边位移矢量都趋向洞内。受地应力影响,位移不再保持对称,水平位移与竖向位移均与洞室水平方向与垂直方向存在一定的夹角。

隧道沿水平与竖向位移均较大,开挖完后,左边墙最大水平位移为46mm,右边墙最大水平位移为49mm,拱顶最大竖向位移为56mm,拱底最大竖向位移为66.7mm,沿隧道Z向,左边墙最大值为68.5mm,右边墙最大值为17mm,由此可以看出明显的存在不对称性,隧道沿Z向位移较大不可忽略。

5 结语

本文对深埋隧道进行了数值计算,分析了高地应力下深埋隧道围岩位移,主要取得了以下结论:

1)深埋隧道开挖围岩位移受地应力场影响较大,开挖后围岩均朝洞内发生移动,并且掌子面前方围岩产生较大轴向位移朝掌子面前方移动。2)受地应力影响位移不再保持对称,右边墙位移要大于左边墙位移。3)综合分析隧道围岩水平、竖直、轴线方向位移的分布规律可知,高地应力下隧道位移分布与地应力方向存在密切关系,这也是深埋隧道选址轴线与最大主应力方向平行的主要原因。

[1] 刘 波,韩彦辉.FLAC原理实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005:9.

[2] 关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京:人民交通出版社,2003:60.

[3] 熊照辉.区域初始地应力场的回归计算方法[J].水利学报,1985(10):18-28.

[4] 靳春国,彭小金,洪 明.浅议土石坝坝坡稳定性分析[J].山西建筑,2009,35(21):359-360.

[5] 张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].第 2版.北京:地质出版社,1994.