某浅埋偏压隧道出口段围岩与支护力学响应数值模拟分析

2023-09-17潘朝张著彬邹勇

科技与创新 2023年17期

潘朝，张著彬，邹勇

（湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司，湖北武汉 430064）

隧道及地下结构是一个由围岩与支护结构构成的复杂系统，往往具有“地质因素复杂且变化众多，受多种因素影响，施工较为困难”等特点，施工设计不当易引发一系列安全问题，如塌方、冒顶等事件，更严重会造成人员伤亡，因此，确定围岩的稳定性是隧道设计和施工中研究的重点和难点。然而围岩条件的复杂多变性、载荷效应的动态特性及支护结构构造性能的不确定性，使得本学科的理论指导作用不像其他学科更易于实现定量化[1]。

目前国内外对隧道围岩与支护结构力学特征的研究较多，但对特殊地段、特殊地质条件的相关研究却很少。为此，本文首先对隧道围岩变形与初期支护机理进行理论分析，然后通过现场监控量测和ANSYS数值模拟对比分析，研究了浅埋偏压隧道围岩变形与初期支护力学响应特征，旨在指导支护设计与现场施工，保证隧道安全、快速贯通，为类似工程研究提供参考借鉴。

1 工程地质概况

某隧道是沪昆客专长昆湖南段重难点隧道，起止里程为DK387+174.24—DK388+075，全长900.76 m，最大埋深127.4 m，宽约14 m，为来回双线。

该隧道出口段属于低山丘陵地貌，岩性为青灰色凝灰质板岩及紫红色砂质板岩，岩体较为破碎，节理裂隙发育，强风化，风化层厚度较大，呈块状、碎块状，结构松散。该段埋深20～30 m，DK388+055 断面通过断层F150，存在偏压现象，为浅埋偏压隧道段。隧道区板溪群马底驿组二段与板溪群马底驿组三段为整合接触[2]。

2 围岩与支护结构监控量测

2.1 监测项目及内容

主要监测项目及内容如表1 所示[3]，各监测项目布置如图1 所示。

表1 监测项目及内容

2.2 隧道出口段现场监测成果分析

对DK388+025典型断面进行监测分析，结果如下。

2.2.1 拱顶沉降与水平收敛

DK388+025 断面拱顶下沉、收敛差值及累计沉降量、收敛量随时间变化曲线如图2 所示。

图2 DK388+025 断面拱顶下沉、收敛差值及累计沉降量、收敛量随时间变化曲线

DK388+025 断面拱顶下沉、水平收敛当日变形速率及平均变形速率随时间变化曲线如图3 所示。

图3 DK388+025 断面拱顶下沉、水平收敛当日变形速率及平均变形速率随时间变化曲线

由图2 和图3 可知，拱顶沉降在初期阶段变化非常显著，沉降速率达到7.54 mm/d 出现在隧道开挖后的4 d 左右，随后变形开始趋于稳定，但是当日沉降速率需要34 d 左右才能降低到0.1 mm/d 以下。

水平收敛上下测线所需要的时间分别为32～42 d、13～23 d，均比较长。其变形速率降到0.1 mm/d以下，上测线大约需要34 d，占收敛总时间的80.9%；而下测线只需11 d，占收敛总时间的36.7%。

结合分析可知，拱顶沉降变形与水平收敛变形趋势比较相近，都是呈现3 个阶段，即增长和急速增长阶段、缓慢增长阶段和趋于稳定阶段，但各阶段历时有一定差异。拱顶沉降变形在增长和急速增长阶段的时间大约为15 d，是水平收敛变形的2 倍左右；而水平收敛变形在缓慢增长阶段的时间长达22 d；两者趋于稳定阶段的时间相差不大。拱顶总沉降量比水平收敛位移量大得多，高达17 mm 左右，但其收敛速率也不太相同，这与隧道的埋深、岩体的各种物理力学参数及监测部位有着不可否认的关系。

2.2.2 地表沉降

在隧道出口段地表布设了2 组地表下沉监测测线（DK388+025 断面、DK388+022 断面），每组布设7个地表观测点（P11—P17、P21—P27），隧道轴线纵断面正上方地表埋设P14 和P24，然后向两侧依次均匀布设，间距3 m。鉴于篇幅有限，仅对部分时间段典型观测点P11、P14、P17、P21、P24 及P27 进行统计分析，其地表测点累计沉降量随时间变化曲线如图4 所示。

图4 地表累计沉降量随时间变化曲线

监测表明，地表各监测点沉降速率变化也分3 个阶段，隧道轴线上的监测点（P14、P24）表现更明显些，两侧监测点沉降速率变化稍显平缓。各监测点沉降趋于稳定阶段较晚，大约都在37 d 之后。

地表各监测点的沉降量远远大于拱顶沉降量与水平收敛量，这与隧道上方岩体的类型、物理力学参数、破碎程度及施工工艺与方法有重要关系，还与施工期处于霉雨季节有直接关系。

2.2.3 钢支撑压力

根据工程经验和相关文献资料，钢支撑在拱顶和拱肩这些部位受力比较显著，所以对DK388+022 断面左拱腰、拱顶和右拱腰分别布置了635#、636#、637#GYL 钢筋应力计，所得钢支撑压力随时间变化曲线如图5 所示。

图5 DK388+012 断面钢支撑压力随时间变化曲线

从图中可以看出，拱顶和两侧拱腰处钢支撑所受的压力都比较大，说明在浅埋偏压隧道施工过程中钢支撑承受了来自围岩的大部分压力；在钢支撑所处的拱顶和拱腰部位上所测得的压力随时间变化呈现“快速增长—缓慢增长—快速增长—缓慢增长”的规律，这种规律表示钢拱架所受到的压力受到现场施工非常大的影响；拱腰处受到的压力左侧比右侧明显大一些，主要原因是隧道处于偏压状态，使得左右两侧拱腰处受力不均。

2.2.4 锚杆轴力

根据工程经验和相关文献资料，锚杆在拱腰处受力会比较显著。受条件所限，本次仅对DK388+020 断面B、D 测孔处布置测点。B 测孔的各测点B1、B2、B3 的埋深分别为2.8 m、1.6 m、0.4 m，D 测孔的各测点D1、D2、D3 的埋深分别为2.8 m、1.6 m、0.4 m。

监测结果表明，锚杆被监测的轴力随着深度增大从0 逐渐增大，随后又慢慢变小，直至减小到0。其浅中部锚杆轴力变化规律为“快速增长（轴力下降）—缓慢增长—趋于平稳”，深入岩石内部测点的轴力呈“上升—平缓—平缓”波动的特征。由于受到隧道偏压的影响，左侧量测锚杆的轴力分布均值比右侧的要大，具体如图6 所示。

图6 DK388+020 断面B、D 测孔锚杆轴力曲线

3 围岩与支护结构力学响应数值模拟

3.1 计算模型假设条件及围岩边界条件

将隧道围岩材料特性视作为均质弹塑性体，并且其材料力学的屈服条件选取Drucker-Prager 屈服准则[4]；隧道岩体变形时满足各向同性；可用二维平面应变问题代替隧道围岩的受力和变形。

大量的实践证明，洞室应力重分布在以洞室为中心3～5 倍洞径范围以内。因此，本文使用的计算模型在水平方向取3 倍洞径，在竖直方向向地层深部取4倍洞径，在地表处采用实际的埋深及地形地势。将初始应力场侧压力作用考虑在内，施加均布荷载边界条件作用在计算模型的水平两侧及上侧，竖向上部荷载数值可以通过隧道埋深进行确定，通过反算确定水平荷载大小，一般认为位移在开挖前已经完成，因此在模型下部作用位移约束[5]。

3.2 单元类型及参数

围岩及二衬衬砌通过4 节点等参平面实体单元（PLANE42）来进行模拟，初期支护通过2 节点等参平面梁单元（BEAM3）来进行模拟，环向锚杆通过2节点等参杆单元（LINK1）进行模拟[6]。

本次模型模拟过程中按照实际施工采用的设计参数选取各单元的参数，其具体内容如下：①初期支护厚度取0.30 m；②Φ22 mm 锚杆长度取3.6 m，布设36根在隧道壁环向180°，圆心角取5°，间距为0.6 m。

围岩性质参数主要通过考虑按规范及现场实测V级围岩的参数确定，具体如表2 所示。

表2 围岩与结构的物理力学参数

3.3 计算模型及模拟施工步骤

3.3.1 计算模型的选择

隧道仿真模拟断面历程为DK388+025，该断面埋深27 m。

隧道实际断面形状具体尺寸如下：①水平跨度最大达14 m，高度达9.8 m；②由四心圆构成，半径分别为7.35 m、19.3 m、3.1 m、3.1 m。

二维平面ANSYS平面模型如图7所示。

图7 有限元计算模型

3.3.2 施工步骤模拟

由于隧道围岩失稳事故一般发生在低级别围岩中，并且隧道贯通的关键在于出口段V级围岩段，因此本次选取某隧道V级围岩进行模拟计算分析。根据现场实际施工的3台阶7步开挖方法来进行本次模拟，在整个模拟过程中，可分为14个荷载步进行模拟。要想与监控量测结果进行对比分析，同时也要满足实际施工步骤，可以把初期支护单独进行模拟，二次衬砌作为应力储备，在此不做模拟计算。隧道3台阶7步的土体荷载步分布如图8所示。模拟计算初期支护的具体荷载步如下：模拟计算初始应力（自重应力场）—上台阶环形土体①进行模拟开挖—激活上台阶的支护—中左台阶②开挖—激活中左台阶的支护—中右台阶③进行模拟开挖—激活中右台阶的支护—下左台阶④进行模拟开挖—激活下左台阶的支护—下右台阶⑤进行模拟计算—激活下右台阶的支护及全部锚杆—核心土体⑥进行模拟开挖—仰拱土体⑦进行模拟开挖—激活仰拱土体的支护。

图8 3台阶7步施工荷载步

3.4 数值模拟成果及与监控量测数据对比分析

3.4.1 位移场分析

隧道开挖后，由于受围岩应力重分布的影响，位移云图在隧道附近出现显著变化。Y方向位移及合位移最大值仍然出现在锥角处，均为206.1 mm，如图9、图10所示。相比其他部位，隧道左拱肩到拱顶沉降明显较大，其范围值为170.3～183.2 mm，这是由于隧道处于偏压造成的。而X方向位移基本变化都较小。

图9 开挖模拟前Y方向初始位移云图

图10 开挖模拟后Y方向位移云图

DK388+025断面实测沉降数据与模拟值对比如表3所示。分析得出，实际监测与ANSYS模拟的各个位移变化值中，地表沉降最大，拱顶沉降次之，周边收敛最小。这是符合实际情况的，原因是隧道上方土层因开挖及施工扰动，会造成应力重分布，从而使土层更密实。

表3 DK388+025断面位移变化实测值与模拟值对比分析

3.4.2 应力场分析

隧道开挖后会扰动初始应力场，产生二次应力重分布。开挖模拟前应力基本呈均匀层状分布，隧道右上方地表边缘会出现一定程度的拉应力。

开挖模拟后，无论是水平方向还是竖直方向，应力最大值都产生在边墙中部位置，最小值出现在拱顶及仰拱部位水平和竖直方向。同时，仰拱部位水平方向主要产生拉应力，竖直方向多承受压应力，这也就是为什么隧道在施工中会出现仰拱突起现象的原因。在Y方向和第3主应力云图上，围岩的应力分布在拱顶形成一个 “V” 字形槽，如图11、图12所示。

图11 开挖模拟后Y方向应力云图

图12 开挖模拟后第3主应力云图

对比开挖模拟前后应力云图可以得出，隧道开挖后对初始应力扰动将使二次应力产生重分布现象，通过模拟可发现，其支护结构受到的第一主应力方向大致与水平方向相近，同时第三主应方向也与竖直方向趋近，这种现象符合实际情况。隧道开挖前，隧道周围岩体所受应力均匀分布，不存在应力集中现象。而随着隧道开挖的进行，应力在边墙中部位移出现逐渐集中现象，尤其是在左边墙。在左侧从拱肩到拱顶处，虽然不是隧道所受应力最大值部位，但也出现了一定程度的应力集中。

3.4.3 塑性区分析

隧道开挖模拟后周围围岩塑性区分布云图如图13所示。

图13 围岩塑性区分布云图

围岩塑性区即周围荷载产生压力超过围岩极限承载力，使局部围岩产生变形不可恢复的屈服区域。分析图13 可知，塑性区域主要集中在左侧拱脚处，其次是两侧拱墙和拱腰位置，右侧拱脚处不存在塑性区域。这是由于隧道处于偏压状态，周围岩体与隧道初期支护在拱脚相互挤压在左侧更加严重造成的。

另外，围岩塑性集中区都处于各个开挖台阶的下边缘处。实际施工过程中，每一台阶开挖时都会及时进行初期支护，然后一般由于支护没有封闭成环，在边缘处多以周围岩体结合支撑。因此施工期中，开挖台阶下边缘周围岩体比较容易出现应力集中现象，导致后期初期支护及时封闭成环，这些位置也会出现塑性区。

3.4.4 初期支护受力图

开挖模拟后锚杆轴力分布图如图14 所示。从图中可以看出，隧道开挖模拟后锚杆轴力值在隧道的拱顶及两侧拱腰处较大，尤其是左侧拱腰。左侧拱腰处最大轴力值为15.8 4 4 kN ；拱顶位置最大轴力值为7.688 kN；右侧拱腰处最大轴力值为11.766 kN。将上述模拟数据与实际监测数据进行统计对比，如表4 所示。

图14 开挖模拟后锚杆轴力分布图

表4 各关键点锚杆最大支护轴力的模拟数据与实际监测数据对比

由表4 可知，实际监测和ANSYS 模拟的锚杆轴力相差不大，并且左侧拱腰处锚杆轴力都比右侧大很多；无论是实际监测还是ANSYS 模拟得到的锚杆轴力数据，两侧拱腰位置锚杆浅部位置（0.4 m 处）轴力最大，中部位置（1.6 m 处）轴力次之，深部位置（2.8 m 处）轴力最小；结合图4—图13，可以总结出锚杆从浅部位置到深入围岩的深部位置，其轴力呈逐渐减小趋势。