偏压角度变化对小净距隧道围岩稳定性影响研究

2021-04-28刘家均

湖南交通科技 2021年1期

刘家均

(芷江县交通运输局农村公路建设管理办公室，湖南怀化 419100)

0 引言

在山区或城区修建公路隧道，受线路选型、地质条件等诸多因素限制,在长隧道洞口段或短隧道中通常采取小净距隧道形式，施工时可能遇到偏压地形，给施工带来了极大难度[1-3]。与常规隧道相比，地形偏压对小净距隧道施工安全影响较大，其围岩稳定性较难控制[4-7]。不同地形偏压条件下隧道施工对周边围岩的扰动程度差异较大，因此确定不同地形偏压条件对隧道开挖围岩稳定性与破坏模式的影响，才能保证隧道施工与运营期间安全。本文依托某小净距隧道工程，借助Abaqus有限元计算软件建立三维隧道模型，研究隧道不同围岩偏压角度下隧道围岩稳定性变化规律。

1 工程概况

某小净距隧道位于湖南省境内，为双向四车道公路，总长380 m，净宽13.51 m，开挖高度10.44 m，开挖面积135.78 m2，围岩等级IV级，双洞净距7 m。隧道处于单斜地貌，左洞较右洞埋深浅，沿着隧道纵向地表横向坡度约为20°～55°，存在较强的地形偏压。浅埋侧拱肩最小覆土厚度为7.5 m，深埋侧拱肩最小覆土厚度为20.8 m，隧道位置示意见图1。现场隧道施工采用上下台阶法，先施工浅埋侧洞，再施工深埋洞，一次开挖进尺为1.5 m，双洞开挖面错开间距为40 m。隧道存在较大地形偏压，施工对周边围岩扰动较大。

图1 隧道位置断面(单位： m)

2 有限元模型建立

本次计算采用Abaqus有限元计算软件，根据工程实际情况建立偏压隧道三维模型，隧道衬砌结构采用壳单元进行模拟，周边围岩采用实体单元进行模拟，模型高度为100 m，宽度为150 m，隧道掘进方向长度取40 m，对模型进行网格划分，共计10.9万个单元(见图2)。模型顶部地表设置为自由边界，将模型底部单元节点竖向位移、左右边界单元节点的横向位移进行约束，并对模型纵向前后边界单元节点纵向位移进行限制。为了研究不同偏压角度对隧道围岩稳定性的影响，建模时考虑将浅埋侧拱肩覆土厚度固定为7.5 m，隧道净距固定为7 m，仅改变隧道地面横向坡度。依据现场实际施工方案进行模拟，材料物理力学参数见表1。

图2 有限元数值计算模型

表1 材料物理力学参数材料重度/(kN·m-3)变形模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/MPaIV围岩223.60.33280.35C30二衬2530.00.20——喷砼2223.50.20——锚杆78205.00.30——

3 不同偏压角度下隧道围岩稳定性分析

为研究不同地形偏压条件下隧道施工对围岩稳定性影响，将浅埋侧拱肩覆土厚度固定，仅改变隧道偏压角度，设置0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、55°及60°等9种偏压角度计算工况，分析其对隧道围岩塑性区、变形受力及稳定系数的影响，选取如图3所示特征点进行分析。

图3 计算特征点布置图

3.1 围岩应力分析

为描述不同偏压条件下隧道围岩力学特性，引入偏压系数，定义为以中夹岩柱中线为对称轴的两侧对称特征点应力差值与平坡对应点应力和的比值[6]，提取不同工况下的围岩最大、最小主应力，计算得到偏压系数如图4、图5所示。

由图4、图5可知：

1)随着偏压角度的增加，围岩应力分布不对称性越来越明显，各特征点偏压系数随偏压角度的增加而逐渐增加。当偏压角度达到20°后，拱顶及拱肩处偏压系数急剧增大，其余特征点偏压系数的增加速度逐渐减缓；当偏压角度超过40°后，偏压系数呈现下降或稳定的趋势，同样拱顶及拱肩处偏压系数的下降最为明显。由此可知，地形偏压对隧道围岩的影响主要体现在偏压角度0°～40°时，尤其以20°～40°时最为明显。

2)可以将特征点的影响分为3类：拱顶、拱肩的强偏压，拱腰、墙脚的中偏压，拱底、拱脚的弱偏压。特征点的偏压系数随着深度加深而减小。

图4 考虑最小主应力时的偏压系数

图5 考虑最大主应力时的偏压系数

3.2 围岩塑性区分析

图6、图7为不同计算工况下围岩塑性区分布与计算结果。由图可知，随着偏压角度增大，隧道围岩塑性区范围逐渐扩大，塑性应变随着偏压角度增大而先增大，后趋于稳定。可以将偏压角度对塑性区的影响分为几个阶段：当偏压角度θ≤30°时，随着偏压角度增加，首先在深埋洞的外拱腰至外拱脚、内拱脚至内墙脚以及浅埋洞的内拱脚处产生塑性区；当30°<θ≤40°时，两洞塑性区域逐渐增加，深埋洞的塑性区向外墙脚和内拱腰延伸，浅埋洞向外拱肩和内墙脚处延伸，塑性区开始向外发展，塑性应变增大最为显著；当40°<θ≤55°时，塑性区在中夹岩柱处叠加，最大应变值趋于稳定，此时中夹岩柱极易发生破坏；当55°<θ≤60°时，塑性区延伸至地表，中夹岩柱塑性区全面贯通。可见随着偏压角度增大，围岩塑性区在中夹岩柱处叠加，中夹岩柱最易发生塑性区中心贯通而破坏，需采取有效的加固措施对中夹岩柱进行处理。

a) 无偏压θ=0

b) 偏压角θ=10°c) 偏压角θ=20°

d) 偏压角θ=30°

e) 偏压角θ=40°

f) 偏压角θ=50°

g) 偏压角θ=50°

h) 偏压角θ=55°

i) 偏压角θ=60°

图7 不同偏压角度下围岩最大塑性应变

3.3 围岩位移分析

提取不同计算工况下围岩竖向位移、水平位移计算结果如图8、图9所示。

图8 关键特征点竖向位移随偏压角度变化

图9 关键特征点水平向位移随偏压角度变化

由图8、图9可知：

1)对于浅埋洞，平坡条件下，竖向位移最大值在拱顶，随着偏压角度的增加，特征点竖向位移逐渐变大，且最大值逐渐向内侧即靠近中夹岩柱一侧移动，内侧竖向位移明显大于外侧，最大值在内拱肩附近，竖向位移呈现出明显的偏压特征。对于深埋洞，随着偏压角度的增加，内外侧竖向位移基本呈对称分布，最大值在拱顶，偏压特征无浅埋洞明显。偏压角度从30°变化到40°，从55°变化到60°，特征点的竖向位移均有一个突变，对于浅埋洞变化最明显的为拱顶、内拱肩、内拱腰，对于深埋洞变化最明显的为外拱腰、外拱肩、拱顶，均为靠近中夹岩柱一侧。可见相比深埋侧，偏压角度变化对浅埋侧隧道围岩稳定影响更显著，对中夹岩柱影响最大。

2)对于浅埋洞，随着偏压角度增加，特征点水平向位移逐渐向外侧变化，偏压角度超过30°之后变化速率明显加快。对于深埋洞，随着偏压角度增加，特征点水平向位移逐渐向外侧变化，在超过40°之后又开始整体向内侧变化，变化最快的同样是外拱腰和外拱肩。从特征点位移分析可知，偏压角度40°为深、浅埋洞位移状态变化的分界点，因此也可能为偏压级别的分界点。