斜穿过砂卵石层地质构造隧道开挖的三维数值模拟分析

巨建民，任小惠

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

砂卵石地层一般由粘性土或砂卵石、粗砂、卵石等组成，偶遇巨石块.大多数砂卵石地层结构松散，分布不匀，具有强烈的离散特性，砂卵石层的这种特性，在隧道开挖过程中，由于扰动破坏了原有岩层的平衡状态，洞室附近的应力重新分配，当遇到砂卵石层地质时，砂卵石的粘聚力比较小，在掌子面一定高度范围内的砂卵石产生过度的松弛变形，形成松动区，产生较大的位移，出现隧道塌方现象.这里针对斜穿过砂卵石层地质构造隧道开挖的工程实例来分析这种不利情况下的隧道整体性态，同时考虑隧道实际开挖工序下的支护结构情况.

1 工程概况

某地铁隧道设计路线为单线，断面近似椭圆形隧道，计算选取隧道的埋深为14.55 m，设计采用浅埋暗挖全断面开挖施工方法开挖，跨度10.9 m，高8.45 m.初期支护衬砌的厚度为0.29 m，二期支护衬砌厚度为0.71 m.该地质结构比较复杂，主要地层为:粉质粘土层、砂卵石层、弱风化层、中风化泥岩层.锚杆采用圆形截面，钢拱架采用工字型截面.隧道开挖时，土层和支护参数如附表.

附表 土层和支护参数

2 计算模型及条件

2.1 计算模型

模型以水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，以隧道长度方向为Z轴.根据隧道开挖影响范围的大小，参照岩石力学和隧道力学计算结果，计算模型范围取为60 m×35 m×50 m.隧道的开挖和支护通过控制单元生死进行模拟，隧道分十一步开挖，1～9步每步开挖3.5 m，第10步开挖2.1 m，最后一步开挖1.4 m.为了更好仿真实际地质情况，采用弹塑性本构关系，围岩和支护采用DP材料模拟.该隧道属于浅埋段，采用自重应力场分析，模型上部为自由边界面，其它面为垂直于各面的约束.围岩、初期支护、二期支护采用块体单元，锚杆采用杆单元，钢拱架采用梁单元.为了控制计算模型并同时达到较好的计算精度，在划分网格模型的时候，采用了不同精度的网格划分，在计算关心的隧道体附近对网格进行加密.计算模型地层分布如图1所示.

图1 地层分布图示意图

2.2 模拟开挖、支护的施工方案

探讨锚杆和二次衬砌在砂卵石层中的作用，本文分三种工况进行了隧道开挖、支护施工方案的模拟:

Ⅰ隧道开挖完一步，进行锚杆、钢拱架、初期衬砌支护，接着循环下一步开挖、支护;

Ⅱ隧道开挖完一步，进行钢拱架、初期衬砌支护，接着循环下一步开挖、支护;

Ⅲ隧道开挖完35 m后，进行二次衬砌.

3 计算机模拟分析

3.1Ⅰ、Ⅱ两种工况位移场、应力场和塑性区的分析

3.1.1 位移场分析

第Ⅰ种工况地铁隧道围岩的初始总位移场云图如图2(a)所示，在弱风化岩和中风化岩层处位移基本上为0 mm.砂卵石层最厚处围岩出现最大位移2.5 mm，这验证了砂卵石层结构分布不均、结构松散，粘聚力较小造成的.

第一次开挖完成后，由于隧道开挖造成卸载作用，在砂卵石层厚度最大处，围岩急剧发生了较大位移，最大位移为99.75 mm，如图2(b)所示.在第一步开挖之后的位移变化不大并趋于稳定.隧道拱顶局部受拉，隧道拱顶上部的土向两边滑移，最后在隧道围岩的两侧发生了较大的位移，如图2(c)所示.有限元软件建模模拟分析结果表明，第Ⅱ种工况和第Ⅰ种工况位移大小变化基本一致，开挖完第二步后围岩部位的位移趋于稳定.随着施工步数的变化，围岩部位最大位移变化情况如图3所示.

图2 不同工况下位移云图

图3 有无锚杆最大位移变化情况

3.1.2 应力场分析

(1)拱顶上部径向应力σy分析 隧道围岩开挖前，整体性比较好，第一步开挖后，因土体原有的三向应力平衡状态破坏，应力重新分布，周围土体发生位移和变形，上部围岩处于临空状态，内部应力大量释放，最大径向压应力为0.265 MPa.隧道拱顶一定范围内最大径向应力在有、无锚杆的情况下，如图4所示.分析结果显示在有锚杆的情况下比无锚杆情况下径向应力小.锚杆受力后，在周围一定范围内形成压缩区，地层间相互挤压，层间摩阻力增大，内应力减小.锚杆的减跨作用也使得围岩的弯曲应力减小.开挖隧道时，在砂卵石层处及时支护锚杆可有效减小围岩的径向力，防止围岩由于受力过大造成隧道塌方.隧道侧墙处的径向应力随着开挖步步数的增大而增大，全部开挖后有锚杆时最大径向应力为2.73 MPa(如图5)，无锚杆时最大径向应力为3.07 MPa.随着开挖长度的增长，隧道临空面增大，拱脚处出现应力集中且承受压应力逐渐增大.

(2)剪应力τxy分析 在隧道开挖过程中，隧道顶部受力复杂，顶部以上区域变形较大，颗粒滑移.如图6所示，在拱腰的上半部分出现了最大的剪应力，且随着开挖进尺逐渐增大，剪应力也逐渐向前移动并增大，这部分是剪切破坏的主要形式，如果长期不支护，可能会出现流动现象，发生剪切破坏，造成隧道失稳.隧道拱顶上部围岩在开挖过程中的剪应力变化如图7所示，从图中可以看出有锚杆XY方向的切向径力比无锚杆XY方向的切向径力大.这说明在锚杆的作用下，由于锚杆的约束作用，临空面附近稳定性较弱的岩体与深部稳定性较好的岩体通过锚杆连接在一起，增强了岩体结构的整体稳定性.

(3)塑性区分析 隧洞开挖前，岩体是保持平衡的，没有出现塑性区.隧洞开挖后，原有的平衡状态遭到破坏，洞室附近的应力重新分配，造成环向应力集中，使岩体向临空面产生位移，当洞壁一定范围内围岩应力超过极限强度时，该范围内的岩体呈塑性状态，形成塑性区或松弛区，在此范围之外岩体仍为弹性体.第一步开挖后，在弱风化岩层和砂卵石层接触处，由于应力集中，出现了少量的塑性区.待开挖到第五步时，掌子面上部全为砂卵石层，砂卵石粘聚力小，强度低，砂卵石面处出现大量的塑性区，如果产生无限发展很大的塑性变形和位移，隧道将会产生塌方，砂卵石层处产生的塑性区如8图所示.

图8 塑性区示意图

隧道全部开挖完后，有锚杆和无锚杆情况下，在隧道面发生塑性区的位置是一致的，且没有锚杆情况下塑性区处的位移相比较小.

3.2 第Ⅲ种工况分析

初期支护达到一定强度时进行二期支护，最大位移为101.42 mm.无锚杆情况下的XY方向的最大剪应力为2.57 MPa，第一主应力最大为1.11 MPa，比初期支护完最大剪应力减少76.84%，第一主应力减少66.26%，如图9所示.

图9 应力云图

3.3 钢拱架受力分析

钢拱架在隧道中是主要的受力结构，对控制隧道围岩变形起着重要作用.分析结果表明，在无锚杆作用时，钢拱架受力较小.无锚杆作用时全部开挖完后钢拱架在隧道中以压力为主，最大压力发生在拱腰上半部分，只有拱腰下半部分出现少量的受拉部位，大部分钢拱架受轴压力在112.85～189.69 kN之间，最大压力为650.8 kN，最大轴拉力为40.85 kN.

4 结论

本文针对某地铁隧道施工过程中围岩位移、应力和塑性区运用数值模拟方法进行了分析，得出以下结论.

(1)砂卵石的粘聚力小，强度低，在隧道开挖过程中，第一步开挖后围岩位移比较小，但在第二步开挖过程中位移急剧变化，在砂卵石层最厚处围岩产生了最大位移，在后面的开挖过程中，围岩处的位移逐渐趋于稳定;

(2)砂卵石结构松散，分布不均，对有锚杆和无锚杆情况下的位移、应力、塑性区进行了对比，经分析对比得，锚杆在隧道中提高了围岩的整体性能，使隧道拱顶上部一定范围内的围岩径向应力降低，围岩的强度和承载力提高了.开挖隧道时，在砂卵石层处及时支护锚杆可有效减小围岩的径向力，防止围岩由于受力过大造成隧道塌方;

(3)在隧道开挖过程中，由于结构扁平，拱腰部位形成了一定应力力集中，在此部位剪应力比较大.在围岩自重力作用下，拱顶形成了拉应力.如果超过了砂卵石所能承受的范围，容易造成剪切和拉裂破坏.施工过程中初期支护强度达到一定程度时应及时施做二期衬砌，可有效的使隧道受力大大减小，提高隧道使用的安全性.弱风化岩层和砂卵石层接触处容易出现塑性区，且在开挖到砂卵石层处时，掌子面出现大片塑性区.

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