基于强度折减法的浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性分析

侯瑞彬,申玉生,陈明奎

基于强度折减法的浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性分析

侯瑞彬,申玉生,陈明奎

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

针对广东某浅埋偏压小净距高速公路隧道,采用有限元强度折减法基本原理,研究隧道施工过程中各施工工序的安全系数动态变化过程,并对极限状态下关键施工工序的围岩塑性区与隧道围岩位移进行分析,结论为:隧道左洞第一步开挖时,由于中岩柱的出现,其安全系数最小,为最危险施工步,其次为两个洞室临时岩柱上台阶开挖;施工中中岩柱、洞室左拱腰和右拱脚出现大量塑性区,为围岩应力危险区域;中岩柱水平位移在施工过程中呈现出左右往返变化,右侧隧道竖向位移及其上部地表沉降较大,为监控量测重点部位。

小净距隧道;围岩稳定性;强度折减法;安全系数

我国地形、地质条件复杂,高速公路建设中大量遇到隧道工程,受特殊地形、环境等条件的限制,小净距隧道结构形式大量出现。小净距隧道施工中工序多、围岩扰动大,尤其是在地质偏压等恶劣环境下围岩稳定性更难以保证,因此很多学者通过数值模拟、模型试验及现场监控量测等方法对其进行研究:王明年等[1]通过模型试验对软弱围岩下3孔小净距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术和施工力学进行研究,对不同的围岩预加固技术和施工进尺进行了评价;王更峰等[2]通过对不同围岩条件下不同隧道施工方案的数值模拟,得出大跨小净距隧道合理开挖方法与支护参数;晏启祥等[3-4]研究了软岩小净距隧道在不同开挖方式下稳定后围岩和衬砌的力学效应,得到不同后行隧道开挖方式对围岩和支护结构的影响;杨小礼等[5]模拟了某偏压公路隧道在不同开挖顺序下的力学效应,得出先开挖深埋隧道围岩塑性区较小的结论;龚建伍等[6]通过对浅埋小净距隧道围岩压力分析,提出了考虑隧道施工过程的围岩压力分析方法和计算公式,并与工程实测结果进行对比验证。

但是,这些研究仅是凭借应力、位移、塑性区大小来定性的评价隧道围岩稳定性,很难确定隧道的安全度和破坏面,因此,一些学者[7-11]提出安全系数的概念,利用有限元强度折减法来评价围岩稳定性和强度储备。在此基础上,本文选取广东某浅埋偏压小净距高速公路隧道,尝试将有限元强度折减法应用于隧道施工过程中各施工工序安全系数动态变化过程研究,并对其关键施工工序围岩塑性区进行分析,指出施工过程中围岩应力危险区域,为保证小净距隧道施工的安全性提出警示信息。

1 强度折减法的安全系数分析

1.1 强度折减基本原理

岩土体的破坏多为剪切破坏,传统的边坡稳定极限平衡方法计算安全系数公式表示如下

将式(1)两边同除以ω,变为

式中,子f为滑动面上各点的抗剪强度;子为滑动面上各点的实际剪应力;c(c′)、φ(φ′)分别为折减前(后)土体的黏聚力、内摩擦角。

由此可见,传统的极限平衡方法是将土体的抗剪指标c和tanφ减小为c/ω和tanφ/ω,使岩土体达到极限稳定状态。基于此原理,利用有限元程序将岩土体的抗剪强度参数c和tanφ除以一个大于1的折减系数ω,从而将岩土体抗剪强度降低,当土体达到极限状态而濒临破坏时的折减系数即为强度折减安全系数。

在隧道工程中,洞室的开挖使得围岩应力场不断进行调整,大量工程实践表明:隧道围岩失稳最直观的体现是洞周岩体发生大变形,其力学机理常是不利的应力状态使岩体发生剪切屈服并出现塑性流动,故基于以上原理的强度储备安全系数同样适用于隧道工程中,此方法所确定的安全系数是把非等强度的真实岩体视为均质等强的岩体,反映了隧道围岩的整体强度储备。

1.2 隧道失稳在计算中的判定

ABAQUS有限元计算中采用力收敛标准和位移收敛标准作为收敛判别标准[12],使用向量方式的欧几里得范数进行判别,准则如下:第r次残余力(位移增量)向量范数与第r-1次迭代得到的残余力(位移增量)向量范数比较,若逐渐减小表示运算过程趋于收敛

式中,ψr2为残余力向量的二范数;Δur2为位移增

岩土工程中土体破坏的标志是滑体出现无限移动,此时滑移面上的应变和位移发生突变并无限发展,与此同时在有限元计算中表现出计算不收敛。在隧道工程中,围岩发生失稳现象时,将产生无限发展的塑性位移,有限元程序的迭代过程将无法继续,同样出现不收敛现象。因此,本文以岩土体的应变和位移突然增大而导致隧道结构失稳为参考,分析隧道结构的安全系数变化特征。

2 隧道数值模型建立

2.1 依托工程概况

依托工程为广东某双向六车道小净距公路隧道,隧道单洞最大开挖跨度为17.953 m,洞高为12.20 m,中间岩柱净距为10.3 m,最小埋深仅为6 m;隧道穿越一孤峰,进洞口段洞轴线与山体斜坡走向相交,呈明显的偏压状。隧道穿越地层为泥盆系中统东岗岭组(D2d),主要岩性为灰黑、深灰色石灰岩。隧道支护结构采用复合式衬砌;断面形式为受力条件好、利用率较高的三心圆断面;初期支护以喷射混凝土、锚杆、钢筋网为主要手段,洞口段辅以超前小导管注浆支护措施,隧道衬砌设计如图1所示。

2.2 数值计算模型的建立

数值计算采用平面应变弹塑性本构模型,利用ABAQUS有限元程序模拟隧道开挖和支护结构的施做。模型中,围岩和初衬均采用实体单元,符合Mohr-Coulomb屈服准则,不进行二次衬砌的模拟,围岩初始应力场仅考虑自重应力。锚杆的支护作用通过提高围岩参数来实现[13],锚杆加固区厚度取为2.5 m;根据施工经验,小导管超前加固后,V级围岩一般可提高至Ⅳ级,浆液扩散半径取为0.5 m,隧道围岩及支护的物理力学参数如表1所示。

图1 隧道右洞衬砌

表1 围岩及支护物理力学参数

按隧道开挖影响范围的大小,计算模型边界范围:左、右边界和下边界均取隧道最大跨度3.5倍,上边界取至地表自由面,隧道偏压角度选取25°,浅埋侧隧道埋深选取12 m,即模型范围为166 m×(50～127)m;模型边界仅作用位移约束,左、右边界约束其水平方向位移,下边界约束其竖向方向位移,上边界为自由面,模型网格划分如图2所示。

图2 有限元模型网格图

2.3 隧道开挖计算方案

开挖模拟采用双侧壁导坑法,先施工深埋侧隧道,施工分区和施工工序如图3所示。考虑隧道开挖过程中时空效应的影响,在有限元程序中设计隧道施工步时分2步释放应力,即毛洞开挖释放应力∶初期支护释放应力=0.4∶0.6,数值计算中荷载步与施工工序对应关系如表2所示。

图3 隧道开挖步骤和计算点位置(单位:m)

表2 计算模型荷载步与施工工序对应关系

3 计算结果分析

3.1 关键施工步中围岩塑性区分析

小净距隧道施工过程中施工工序繁多,围岩和支护结构受力复杂,易出现应力集中现象,研究其塑性区发展规律是保证围岩稳定和施工安全的关键[14]。为更好地发现围岩破坏发展规律,选取隧道施工中的关键施工工序,对其强度折减至破坏时的塑性区进行分析,如图4所示。

与非偏压隧道破坏区主要集中在隧道左右边墙不同,第3步中开挖区域1时围岩塑性区主要集中在导坑右侧墙脚和左侧拱腰处,偏压作用下右侧墙脚因过大应力集中而产生很大塑性应变,为施工中重点支护部位。

在第7步中,区域3开挖后在隧道左拱腰处出现一条滑移面贯穿至地表,施工过程中应采取必要的支护手段;同时在右拱脚和右侧临时支护与初期支护交接处围岩,偏压荷载集中,塑性应变较大。

右洞支护完成后,如图4(c)所示,左拱腰处的塑性区大大减小,可见初期支护起到明显效果,此时,左拱腰和右拱脚塑性应变最大,为最危险部位,以左拱腰处较为明显。

在第12步中,区域5开挖后右洞塑性区位置变化不大,左洞塑性区出现在右拱脚和侧墙顶部,中间岩柱塑性区呈贯通趋势,此时中岩柱变为较危险区域。

开挖区域7时,中岩柱内出现塑性区呈贯通趋势,同时由于左洞埋深很浅及拱顶支护仍未施做,在左洞拱顶处出现一条向地表延伸的滑移面,易发生大面积塌方事故,施工中应格外注意。

隧道开挖并支护结束后,如图4(f)所示,左洞拱顶处向地表延伸的塑性区消失,左洞上部松弛荷载作用使左洞左拱腰出现应力集中,出现向上延伸塑性区,同时偏压作用下中岩柱内存在一斜向剪应力流,因而出现一条滑移面。

由塑性区变化过程可见,中岩柱、洞室左拱腰与右拱脚为隧道围岩最危险部位。

图4 关键施工工序中围岩塑性区

3.2 隧道支护后围岩位移分析

隧道开挖并支护完成后极限状态下的位移如图5所示。

图5 隧道初支完成后的位移图(单位:mm)

隧道支护完成后,偏压作用下隧道位移呈现明显不对称现象,隧道开挖主要对其右上方围岩影响较大。图5(a)中,在洞室右上方很大区域产生向洞室方向的位移,这是由于洞室开挖引起应力释放后,在偏压荷载作用下,右上方土体产生斜向下滑动趋势,围岩强度折减后,就会出现图4(f)中滑移面;同时,初期支护闭合形成一个刚性体,在右上方土体推力作用下衬砌会对洞室左侧土体产生挤压,因此中岩柱中上部出现很大的侧向位移,洞室左拱腰易挤压破坏。图4(b)中,左洞上方土体形成土柱作用在衬砌上,是由于隧道埋深过浅,上部围岩无法成拱,此时易发生整体坍塌破坏,施工中应采取超前大管棚等必要辅助措施。

选取计算点1、3、6、7、8,分析隧道施工完成并折减至极限状态后的位移变化规律,如图6所示,强度折减后位移曲线出现一个拐点并发生突变。图6(a)中,计算点1、6(隧道拱顶)x向位移随着施工的进行一直向左增大,而计算点3、7、8(中岩柱两侧)x向位移则呈现出往返变化过程,且计算点7(雁形部右侧)表现更为明显,可见中岩柱在施工中受扰动较大。图6(b)中明显看出计算点6、7、8(右洞)竖向位移更大,在施工过程中临时岩柱上台阶的开挖对洞周围岩竖向位移贡献最大,且右洞施工中表现得更加明显,可见浅埋隧道施工时随着其上覆土压的增大其竖向位移更大。

图6 洞周计算点位移时程曲线

由图5还可看出,由于洞室开挖引起的卸荷和围岩偏压的联合作用,右洞上方地表产生很大位移,远大于左洞上方地表位移,如表3所示,因此,对于地表沉降要求较高的工程在施工过程中应对右洞上方地表沉降量进行重点观测。

表3 地表计算点位移mm____

3.3 隧道安全系数动态变化特征

对隧道8个施工区域分别在开挖和支护状态时进行强度折减计算,得到对应荷载步的安全系数变化情况如图7所示。

图7 安全系数动态变化曲线

从图7可以看出,隧道整体安全系数随着施工过程中洞室开挖面积的增大而呈减小趋势。右洞施工过程中,安全系数变化幅度较大,而左洞变化幅度较小,应为右洞施工完成后左洞偏压效果减小所致;各洞室双导坑和临时岩柱上台阶施工过程中,安全系数变化较大,而预留核心土施工时,安全系数变化相对较安全。安全系数最小值ω=1.141,发生在第12步(左洞区域5开挖),该区域的开挖是施工过程中最危险的施工工序,由此可见后行洞施工对隧道围岩的稳定性影响很大。

整个施工过程中,隧道开挖状态下的安全系数均小于支护状态下的安全系数,各区域支护后安全系数均有不同程度的提高,可见及时施做初期支护有效地提高了隧道施工的安全性。在右洞施工过程中,第7步安全系数最小,ω=1.327,且区域3支护状态下安全系数提高最明显;左洞施工过程中,第12步(左洞区域5开挖)安全系数最小,第16步(左洞区域7开挖)次之,ω=1.269。可见,左洞第一步开挖、临时岩柱上台阶的开挖为危险施工步,对其进行深入分析,其安全系数及支护后提高值见表4。

表4 各工序安全系数及支护后提高值

开挖区域3(第7步)和开挖区域7(第16步)时安全系数较为接近,洞室的失稳状态也较相似,主要表现为临时岩柱上台阶开挖后上部围岩稳定性不足而破坏,而在开挖区域7时,右洞上部围岩稳定性已得到很好保证,可见初期支护有利于隧道的安全。对于浅埋隧道,上部围岩不易成拱,且其稳定性对隧道施工安全起到至关重要的作用,因此,针对其稳定性不足,开挖应采取必要的超前预加固手段,开挖后应及时进行支护。

开挖区域5(第12步)时,中岩柱出现,安全系数最小,为整个施工过程中最危险施工工序,围岩强度折减后,中岩柱出现很大塑性区,隧道将从中岩柱处失稳破坏。分析其原因,区域5开挖使中岩柱左侧推力减小,加之右侧偏压作用,在中岩柱内会形成一个斜向剪应力流,使中岩柱破坏。因此实际施工中,在区域1支护时应采取注浆、施做预应力锚杆等手段来提高中岩柱的抗剪强度,并且在区域5开挖后及时进行支护。

4 结论

本文将边坡计算中常用的有限元强度折减法引入隧道围岩稳定性分析中,通过对浅埋偏压小净距隧道施工过程的模拟,得到了隧道施工过程中各施工步的安全系数,并对关键施工工序中围岩的塑性区和位移进行分析,得出以下结论:

(1)各开挖步中初期支护的施做都会对围岩整体稳定安全系数有不同程度的提高,其中左洞第一步开挖、临时岩柱上台阶开挖为危险施工步;

(2)施工中极限状态下围岩塑性区主要集中在中岩柱、洞室左拱墙和右拱脚,为偏压小净距隧道围岩应力危险区域;

(3)施工过程中,中岩柱水平位移左右往返变化,受扰动较大,施工中应采取注浆加固等措施,以保证其稳定性;

(4)偏压作用下,右侧洞室上覆土压更大,施工过程中右洞位移更大,且隧道开挖带来的应力释放导致右上方土体产生向洞室方向位移,使得右侧隧道上方地表产生较大沉降,在施工中应重点监测。

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Analysis on Surrounding Rock Stability of Shallowly-buried Eccentrically-loaded Tunnels with Small Interval Based on Strength Reduction Method

HOU Rui-bin,SHEN Yu-sheng,CHEN Ming-kui
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

For the shallowly-buried eccentrically-loaded tunnels with small interval on an express highway in Guangdong province,the basic principle of finite element strength reduction method was employed in this study.Further,the dynamic change process of the safety coefficient of every construction procedure during tunnel construction was researched,and then the plastic zones and the displacements of tunnel surrounding rocks at the important construction procedures under ultimate limited state were analyzed. The research conclusions are as follows:(a)The first excavation procedure of the left tunnel is the most dangerous construction procedure,because its safety coefficient is the smallest one due to the emerging of the middle rock pillar;followed by the top bench excavation of the temporary rock pillar between the two tunnels.(b)During construction,a lot of plastic zones will occur at the middle rock pillar and at the tunnel's haunch and arch springing,so these zones are the dangerous stress zones of surrounding rock. (c)During construction,the horizontal displacement of middle rock pillar will change from side to side, while the vertical displacement of the right tunnel and upper ground surface settlement are relatively larger;therefore these parts should be regarded as the key parts in the process of monitoring and measurement.

tunnels with small interval;surrounding rock stability;strength reduction method;safety coefficient

U451+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.013

1004-2954(2014)04-0055-06

2013-07-21;

2013-08-07

国家自然科学基金(41102220、51178398);教育部创新团队发展计划资助(IRT0955);中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTUCX014、SWJTU11ZT33)

侯瑞彬(1990—),男,硕士研究生,E-mail:ruibin90816@ 163.com。