黄土隧道基底区域围岩应力分布规律研究

2014-11-27周云超刘志春王文忠唐世海

铁道标准设计 2014年1期

周云超，刘志春，王文忠，唐世海

(石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043)

狭义上的围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。一般求解围岩压力的方法都是一些经验简化方法，如太沙基法、普氏法、岩柱法等。为此国内学者对其进行深入研究，如文献［1］依托郑西客运专线，分别采用太沙基法、普氏方法、卡柯理论等计算围岩压力并与实测值进行对比，得出计算大断面深埋黄土隧道围岩压力应采用太沙基法，并通过实测统计分析确定了垂直方向和水平方向围岩压力的计算图式;文献［2］通过对复杂性状洞室围岩应力弹性分析解析得到了围岩应力变形的解析逼近解;文献［3］在修正的芬纳公式的基础上作进一步的推导得到塑形区半径的理论计算方法，从而可直接应用修正的芬纳公式计算围岩压力。文献［4］则在假定软岩隧道围岩压力沿支护结构的外表面连续分布，并可沿一个函数代替的前提下，提出了一种基于隧道周边位移来直接求解围岩压力分布的简便方法。

而对于这些研究理论大部分都是采用一些假设，这些假设大部分与实际情况存在差距，并且这些方法没有考虑隧道断面的形状影响和局部压力变化，更无法考虑隧道围岩复杂的地质条件和地形地表条件。而本文从有限元的角度，避开各种假设上的差距，并且可以考虑复杂边界条件，通过ANSYS有限元软件，对隧道不同施工方法、不同埋深的基底围岩应力进行分析，从而得到隧道基底围岩压力的分布规律。

1 工程概况

依托宝兰客运专线上的王家岔隧道为工程背景进行研究。王家岔隧道位于通渭县王家岔口村东侧，隧道起讫里程 DK870+072.35～DK870+716，全长643.65 m，为双线隧道，最大埋深60 m。该隧道地层按时代由新到老包括了第四全新统、上更新统及上第三系地层。王家岔隧道在区域构造上地处陇西系内旋褶带，构造相对简单。晚第三纪以来，区内新构造运动较为活跃，表现为河谷阶地上升显著，现代河流侵蚀、下切明显，河谷两岸阶地发育，构成颇为典型的河谷阶地地貌。隧道断面为单洞双线马蹄形，如图1所示。

隧道开挖断面宽度为14.72 m，高度为12.58 m，初支厚度为35 cm，二衬厚度拱墙为60 cm，仰拱为70 cm。

图1 隧道断面(单位:cm)

初支采用C25喷射混凝土，厚度为35 cm。拱墙位置布有φ8 mm钢筋网片，网格间距为20 cm×20 cm。在边墙施作锚杆，长度为3.5 m，环间距为1.2 m×1.0 m，全环布置钢架，钢架采用I25a型钢，每榀间距为0.6 m。

2 传统理论方法计算结果对比

隧道工程与围岩的相互作用的不确定性决定着围岩压力计算方法的多样性，随着隧道工程技术的不断进步，隧道断面、形状、支护参数、施工方法及所处地质环境都在不断发展变化，而目前还没有统一的围岩压力计算方法，常用的理论计算方法主要有:普氏理论、岩柱法、谢家休理论、规范推荐经验法等。

采用上述理论方法，对计算参数(表1)相同的隧道进行隧道底部围岩压力计算。二次衬砌按60 cm厚计算，则衬砌自重约为600 kN，衬砌作用于隧底的应力约为40 kPa。不同理论方法计算结果如图2所示。

表1 计算参数

由结果对比分析可知传统理论公式计算在以下方面存在明显不足:

(1)不同理论得到的基底围岩压力差别很大，使得准确确定基底围岩压力大小变得相当困难;

(2)我国《铁路隧道设计规范》所推荐的方法和普氏方法计算出的隧道基底围岩压力不连续，只适用于深埋隧道;

(3)各种计算方法都有自己假设的条件，并且没有考虑隧道不同施工方法和隧道形状的影响，这就不可避免地和实际情况存在很大的差别;

(4)各种理论计算方法只是提供了一个近似计算围岩压力值的方法，并没有给出隧道底部围岩沿横向的压力分布状态。

图2 不同理论方法基底压力与埋深的关系

3 三维有限元模型

为了克服上述传统理论公式的弊端，针对黄土隧道，采用ANSYS有限元数值模拟的方法来计算隧道基底围岩应力，用隧道基底围岩应力近似等效围岩压力的方法来分析隧道基底围岩压力的分布规律。

为减少边界约束效应，计算范围按左右边界距隧道中心线距离为3～5倍洞径考虑，底部边界距隧道底部的距离为3～5倍的隧道高度考虑。整个模型左右距离隧道中线各取50 m，下部边界距离隧道中心取40 m，隧道纵长为60 m，隧道埋深为30 m。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，模型上面为自由边界。本三维有限元模型，围岩用solid45单元，初支用shell63单元，二衬用solid45单元模拟。三维计算模型网格如图3、图4所示。

图3 整体网格

图4 局部网格

围岩视为DP弹塑性材料，支护结构均视为弹性材料。初期支护为35 cm厚的C25喷射混凝土，二衬厚度拱墙60 cm，仰拱70 cm。围岩物理力学参数参照地质资料、现行《铁路隧道设计规范》选取地层和支护的物理力学指标见表2。

表2 地层和支护的物理力学性能指标

为分析隧道底部围岩应力的分布规律，选取仰拱底部0.5 m处一层平行于仰拱的水平向单元和沿隧底中心线的一条竖向单元进行对比分析。

4 基底区域围岩应力分布规律

为进一步研究隧道底部区域围岩分布规律，现考虑埋深30 m，采用三台阶加仰拱的隧道施工法，计算参数如表2所示。

4.1 施工步骤

隧道采用上、中、下三台阶施工。开挖循环进尺为1 m，上、中台阶错开4 m，中下台阶错开4 m，上、中、下台阶初期支护滞后开挖1步，分析目标面选在模型中间位置。

4.2 数值模拟结果及分析

计算所得竖向位移分布和垂直方向应力分布如图5、图6所示。隧道施工前后隧底围岩竖向应力与距隧底深度的关系如图7所示。隧底围岩竖向应力沿横向分布如图9所示。

图5 竖向位移云图

(1)由图5、图6可得到随着隧道的开挖过程，隧道基底围岩位移有上凸的趋势，隧道基底中线附近围岩应力值明显小于其周围围岩应力值，这说明隧道基底中线附近围岩存在明显的荷载释放。这与用传统理论公式得到的基底围岩压力是有差异的。

(2)由图7可知，隧底围岩只在距离隧底一定深度范围内存在明显的荷载释放现象，当距隧底达到一定的深度后，荷载释放效果明显减弱，隧道施工后的基底围岩应力沿深度变化曲线平行于初始地应力这条渐近线。

图6 竖向应力云图

图7 基底围岩竖向应力沿深度变化

(3)由图8可得，隧底围岩应力在隧道中线处的竖向应力最小，而随着距隧道中线距离的增大，隧底围岩明显增大。这说明隧底中线处荷载释放非常明显，而墙角由于出现应力集中使得墙角附近区域应力明显增大。

图8 隧底竖向应力沿横向分布(隧底0.5 m)

5 隧道施工方法及埋深对隧底围岩应力影响分析

5.1 不同施工方法对隧底围岩的应力影响

考虑到不同的施工方法会对隧道周围围岩引起不同程度的扰动，从而引起隧道围岩不同程度的荷载释放，现对隧道进行不同施工方法的数值模拟，从而研究隧道底部围岩应力的变化和分布规律。为统一对比隧道底部围岩压力的分布规律，现考虑隧道埋深都是30 m，参数如表2所示。施工方法考虑常用的台阶法和分步开挖法，待隧道开挖完后隧底0.5 m处竖向应力分布如图9所示。