浅埋偏压小净距隧道围岩变形影响因素数值模拟研究

朱小坚

(中铁十六局集团 第三工程有限公司,浙江 湖州,313000)

浅埋偏压小净距隧道围岩变形影响因素数值模拟研究

朱小坚

(中铁十六局集团 第三工程有限公司,浙江 湖州,313000)

通过有限元数值模拟软件模拟了浅埋偏压小净距隧道在不同间距和不同埋深条件下的开挖,研究了隧道间距和埋深对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道的最大变形出现在拱顶,但并不在拱顶的正中间,而是中间偏右侧;右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道的大;随着隧道间距的增大,地表沉降值不断减小,而拱顶下沉累计沉降量先减小后增大;随着隧道埋深的增大,拱顶沉降量增大,地表沉降累计值减小。

浅埋偏压;小净距隧道;围岩变形;数值模拟

随着高速公路及铁路的铺设面越来越广,线路受到了经济及工程环境的限制,不可避免地会出现浅埋偏压小净距隧道。针对这种比较复杂的隧道结构形式,国内外已经有许多研究成果。孟景辉[1]通过现场监控量测及有限差分软件FLAC3d对隧道的不同工法进行数值模拟,研究表明,在隧道洞口浅埋段,随着开挖面不断推进,拱顶沉降逐渐变大。万科民[2]通过数值模拟及现场实际测量相结合的方式,对浅埋偏压小净距隧道的施工技术以及力学特征进行研究,得到了覆盖层厚度以及地表坡度变化的情况下围岩压力的分布以及变化规律。杨灵[3]通过对工程原型简化之后运用分解叠加的等效原则,对偏压隧道的应力场进行研究,阐明了影响围岩压力分布的各项因素。谢小鱼[4]基于二次正交组合设计原理,通过声波测试的方法,进行了围岩松动圈的测试,研究表明对围岩松动圈影响显著性依次是围岩含水情况、隧道埋深、偏压率和岩层产状。朱小坚[5]对双侧壁导坑法及CRD工法2种开挖方法下的隧道沉降进行了施工监控量测,并得到在控制浅埋软弱破碎围岩隧道变形方面,CRD工法优于双侧壁导坑法的结论。另外,周应麟、张晓春和苏永华[6–8]等学者探讨了层状岩体中地下洞室稳定性及破坏特征。

本文将采用有限元数值软件模拟小净距隧道在不同间距、埋深和开挖先后顺序等条件下的变形情况,以地表累计沉降值最大值及各地表沉降点的累计沉降量的和作为比较标准,比较各因素对此类工程地表稳定性的影响。

1 模型与参数

1.1 数值模型

本文采用有限元数值模拟软件Plaxis 2D AE建立模型,使用β-法模拟隧道开挖产生的三维自然拱效应。模型左右边界均为200 m,上下边界均为140 m。采用马蹄形断面,隧道开挖洞径为12.16 m,隧道高为9.96 m,为双洞双向四车道的公路隧道形式。初始地应力由自重形成,隧道开挖工法为全断面法,利用板模拟混凝土衬砌。模型网格划分如图1所示,生成2 626个单位,21 449个节点。

1.2 计算参数

图1 模型网格划分

岩土层参数根据贵州某高速公路项目的实际地勘资料进行取值,具体取值如表1所示。

表1 数值模拟参数

2 计算结果与分析

2.1 隧道间距对地表沉降的影响

计算中,采用的隧道埋深均为19 m,左边隧道先开挖,除了隧道间距变化外,其他参数均不变。图2为不同隧道间距(本文中隧道间距特指相邻隧道结构的最小距离)下的位移云图。由各隧道间距的计算结果可知,隧道的最大变形出现在拱顶,但并不是在拱顶的正中间,而是中间偏右侧。经分析,这是由于该隧道为偏压隧道,隧道结构所受到的围岩压力右侧比左侧大,造成了变形右侧比左侧大。右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道大;边坡上的地表沉降累计值右侧比左侧大。

对比不同隧道间距下各模拟结果可知,不同隧道间距下围岩的变形情况不同。各组计算的最大拱顶沉降量及最大地表沉降量与相应的隧道间距关系如图3、图4所示。

由图3和图4可知,隧道间距为6 m时,拱顶沉降量最大,为7.982 mm,地表沉降量最大,为4.73 mm;随着隧道间距的增大,拱顶下沉累计沉降量先减小后增大,而地表沉降值则不断减小。

图2 不同隧道间距下的位移云图

图3 隧道间距—拱顶沉降曲线

图4 隧道间距—地表沉降曲线

2.2 埋深对地表沉降的影响

计算中采用的隧道间距均为14 m,左边隧道先开挖,除了隧道埋深变化,模型的其他参数均不变。图5为不同隧道埋深(本文中隧道埋深特指左线隧道的结构顶部至地表的最小距离)下的位移云图。由各隧道埋深的计算结果可知,计算的各变形情况与2.1节的计算结果基本相同。隧道结构的最大变形出现在拱顶,但并不是在拱顶的正中间,而是中间偏右侧;右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道大;边坡上的地表沉降累计值右侧比左侧大。

图5 不同隧道埋深云图

对比不同隧道埋深下各模拟结果可知,不同隧道埋深下围岩的变形情况不同。现将各组计算的最大拱顶沉降量及最大地表沉降量与相应的隧道埋深绘制成图6与图7。

由隧道埋深—拱顶沉降曲线(图6)可知,隧道埋深为9 m时,拱顶沉降量最小,为6.897 mm;隧道埋深为19 m时,拱顶沉降量最大,为7.731 mm;随着隧道埋深的增大,拱顶沉降量增大。分析可知,浅埋隧道中,随着埋深增大,隧道结构所受的围岩压力以及水荷载更大,其他参数一定时,结构变形更大,围岩变形也更大。

由隧道埋深—地表沉降曲线(图7)可知,隧道埋深为9 m时,地表沉降量最大,为4.370 mm;埋深为19 m时,地表沉降量最小,为3.710 mm,随着隧道埋深的增大,地表沉降累计值减小。分析可知,隧道埋深变小时,围岩变形向地表的延伸路径更短,地表受到的因隧道开挖造成的沉降更大。这种影响超过了因衬砌结构所受的围岩荷载减小对地表沉降变化造成的影响,所以会产生随着埋深减小,地表沉降反而增大的情况。

图6 隧道埋深—拱顶下沉曲线

图7 隧道埋深—地表沉降曲线

3 结论

本文根据贵州某高速公路项目的实际地勘资料进行取值,通过有限元数值模拟软件Plaxis 2D AE模拟浅埋偏压小净距隧道在不同间距和不同埋深条件下的开挖,研究隧道间距和埋深对隧道围岩变形的影响,主要得到以下结论:(1) 浅埋偏压小净距隧道的最大变形出现在拱顶,但并不是在拱顶的正中间,而是中间偏右侧,故对此类隧道进行拱顶下沉监控量测时,不仅需要在隧道拱顶中心布点,还需要在拱顶远离偏压侧布点;(2) 右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道大,因此,在浅埋偏压小净距隧道设计中,右侧隧道围护结构需加强,施工时,需更多地关注右侧隧道;(3) 随着隧道间距的增大,拱顶下沉累计沉降量先减小后增大,而地表沉降值不断减小;(4) 随着隧道埋深的增大,拱顶沉降量增大,地表沉降累计值减小。

[1] 孟景辉. 浅埋偏压小净距隧道洞口段施工方法优化研究[D]. 重庆:西南交通大学,2016.

[2] 万民科. 浅埋偏压小净距隧道力学特性及施工技术研究[D]. 长沙:中南大学,2013.

[3] 杨灵. 浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究[D]. 北京:中国矿业大学,2014.

[4] 谢小鱼. 浅埋偏压隧道围岩松动圈的影响因素分析[J]. 中外公路,2016(4):256–260.

[5] 朱小坚. 浅埋软弱破碎围岩隧道变形监测与分析——以贵州省三穗至黎平高速公路的锦所隧道为例[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版),2016,28(1):75–78.

[6] 周应麟,邱喜华. 层状岩层围岩隧道稳定性的探讨[J]. 地下空间与工程学报,2006,2(2):345–348.

[7] 张晓春,缪协兴. 层状岩体中洞室围岩层裂及破坏的数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(11):70–75.

[8] 苏永华,姚爱军,欧阳光前. 沉积岩中深部隧道围岩层状破坏模型[J]. 公路工程,2006,31(2):33–36.

Numerical simulation study on influence of surrounding rock deformation of shallow embedded bias neighborhood tunnels

Zhu Xiaojian
(China Railway 16th Bureau Group Co Ltd,Huzhou 313000,China)

The finite element numerical simulation software is used to simulate the excavation of shallow buried tunnel with small spacing under different spacing and different depth,and the influence of tunnel spacing and depth on the deformation of tunnel surrounding rock is studied. The results show that the maximum deformation of the tunnel appears in the vault,but it is on the right side of the center but not in the middle of the vault. The displacement of the arch,arch and side wall of the right tunnel is larger than that of the left tunnel. With the increase of the buried depth of the tunnel,the settlement of the dome increases,while the cumulative value of the surface settlement decreases.

shallow embedded bias;neighborhood tunnels;surrounding rock deformation;numerical simulation

TU 921

A

1672–6146(2017)03–0045–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.04.012

朱小坚,529055208@qq.com。

2017–04–20

(责任编校:江河)