软弱围岩大断面隧道结构稳定性的数值模拟研究

2021-02-28曹文豪季宪军司小伟

南阳理工学院学报 2021年6期

曹文豪，季宪军，司小伟

(南阳理工学院土木工程学院河南南阳 473000)

0 引言

软岩隧道工程一直是世界性的难点工程，尤其是隧道逐渐向大型和超大型的方向发展，随之也带来了一系列围岩变形、剥落等问题。隧道围岩稳定性是业界人士一直比较关注的重点，在软弱围岩条件下的大断面隧道开挖支护更是其中的难点。

国外对于软岩巷道工程的研究起步要远早于我国，早在19世纪A Haim和W J M Rankine等人就提出了古典理论，之后奥地利工程师对前面的理论进行总结并提出了著名的新奥法理论[1]。新奥法被称为是一种隧道设计施工的方法理论，其核心是利用岩体自身承载力并与人工支护结合一同维护隧道的稳定性[2,3]。20世纪70年代，新奥法施工在国外的发展已经趋于成熟，随着我国隧道软岩研究大门的打开，我国各种原理、方法陆续问世，比如冯豫等教授经过不断分析和研究提出的联合支护理论，于学馥教授研究出的轴变理论，陈宗基教授建国初期就软弱岩体巷道支护问题发布的岩性转化理等[4,5]。上述理论的提出也进一步发展和完善了我国软弱围岩支护的理论，同时数值模拟方法[6-9]的丰富为围岩稳定性支护理论的进一步发展奠定了坚实的基础。

本文以坪坎-汉中高速公路某大断面隧道软弱围岩工程为背景，用FlAC3D进行具体岩体的数值模拟并对拱形隧道断面进行监测分析。对软岩隧道开挖后、支护后的位移收敛和应力变形进行检测和研究，科学地对隧道稳定性做出客观实际的规律总结，进而指导实际施工。

1 某隧道工程概况

坪坎-汉中高速公路施工地段位于秦岭南侧，该地区常年阳光辐射少，温度高，雨量大。围岩多以全风化泥质砂岩为主要特征，隧道围岩是极软岩，且地下水系复杂，这就不可避免地导致隧道施工过程中会出现围岩松散破碎，涌水甚至支护变形等病害，所以该地段施工难度较高，安全风险大，施工过程中应当极其重视。

该隧道主要位于页岩中，隧道为拱形隧道，上半部分为拱顶为半径为5.55 m的半圆，下半部分为宽11.1 m，高4 m的矩形。断面面积为92.7 m2，按照净空面积分类属于大断面隧道。

2 支护方案及参数

软弱岩体稳定性差，所以一定要“强支护、快闭合”[10]。这就要求初期支护具有强大的承载力，及时设置仰拱，使隧道衬砌结构在合适时间尽早形成拱形合围结构，利用拱形结构自身的力学性质，使得围岩保持稳定。

隧道的支护方式采用管棚支护，初期支护选用管棚支护，沿隧道开挖工作面打入厚壁钢管，在钢管中灌注混凝土，在其支撑作用下，然后做其他支护。二次衬砌时采用C30 钢筋混凝土为主要支护材料，在绑扎钢筋后，采用液压整体式衬砌台车进行二次衬砌，拱墙整体一次性施工。其工程地质具体各土层数据以及支护结构参数如地质和支护参数表1所示。

3 模型建立

利用FLAC 3D对软弱围岩大断面隧道进行开挖和支护模拟[9]，针对岩土力学中材料的多样性和各种材料之间异同性，FLAC软件可择的本构模型可以简单概括为以下几种：一种空模型、3种弹性模型、7种塑性模型。此次采用摩尔-库伦模型(Mohr-Coulomb Model)，该模型适用于普通土壤和岩石的力学行为(如边坡稳定和地下开挖)，对应的材料特征为：松散胶结的颗粒材料、土壤、岩石、混凝土等。

FLAC3D数值模拟过程中，有3部分需要严格制定，第一步是有限差分网格，第二步是选择本构模型并且输入材料特性即对材料进行赋值第三步则是确定模型的边界和初始条件，数值模拟大概流程如图1所示。

表1 地质和支护参数表

图1 数值模拟流程

模拟过程分为：数值模型建立、本构模型的选择、设置边界条件、初始条件施加、材料参数进行赋值、开挖、初次支护和二次衬砌、设置监测点结果输出。本次建模尺寸为： 50 m×10 m×70 m，最终得出模拟的完整图如图2所示。

确定边界时，将模型Z轴下端固定，上端不固定，Z轴为-36.55 m，X轴左右边界均需要固定，X左端为-50 m，右端为50 m，Y轴前后两端均需固定，Y轴前端为0 m后端为10 m。重力加速度的大小为10 m/s2，方向铅锤向下。本论文主要用的材料的物理参数有密度、内聚力、内摩擦角、体积模量、剪切模量、抗拉强度，具体如表1所示。

图2 数值模型

建立初始应力状态的岩体结构模型后，把结果进行保存，开始进行隧道的开挖，开挖分为连续开挖和一次性全面开挖，本次采用一次性全断面开挖，开挖时需要构建空洞模型，开挖后水平位移如图3。

图3 开挖后X轴方向的位移

4 结果分析

4.1 围岩应力场变化

支护前后竖直方向和水平方向的应力变化情况如图4和图5所示。

图4 竖直方向的应力变化

图5 水平方向应力变化

将支护前后水平竖向位移变化进行横向，纵向对比见表2。

表2 隧道支护前后的应力

由表2可知围岩经支护衬砌加固后，拱腰竖直方向围岩应力由0.25 MPa增加至6.27 MPa，应力显著增加；顶部水平应力由0.01 MPa增加至0.4 MPa，底部应力变化不大。就应变而言，隧道支护后竖直方向应力改善明显。

4.2 围岩位移场变化

支护后竖直方向和水平方向位移如图6和图7所示。

图6 竖直方向位移云图

图7 水平方向位移云图

将支护前后水平竖向位移变化进行横向，纵向对比分析具体见表3。

表3 支护后水平和竖向方向位移收敛值

由表3可知支护后水平方向总位移收敛由167.64 mm降至1.96 mm，共减小165.68 mm；竖直方向总位移收敛值由415.16 mm降至5.4 mm，共减小409.76 mm。相比而言，拱顶和拱底的竖向位移分别由246.78 mm和168.38mm，降至1.70 mm、3.7 mm，支护效果显著。