濕陷性黃土隧道圍巖穩(wěn)定性分析

0基于穩(wěn)定性模型的黃土隧道施工過(guò)程分析中國(guó)西部是高原的多山黃砂帶。本文運(yùn)用flac3d軟件,分別選取摩爾-庫(kù)倫及伯格斯模型,基于黃土的流變特性,針對(duì)性的對(duì)黃土隧道進(jìn)行施工過(guò)程及后期運(yùn)營(yíng)中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,以期對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考與指導(dǎo).1基于隧道模型的數(shù)值分析以蘭州定遠(yuǎn)隧道為依托工程.定遠(yuǎn)隧道位于甘肅省蘭州市東郊榆中縣定遠(yuǎn)鎮(zhèn)西側(cè),其地層為中等濕陷性黃土.該隧道為分離式長(zhǎng)隧道,左右線(xiàn)長(zhǎng)度分別為1398.297和1372.713m,設(shè)計(jì)行車(chē)速度80km/h.拱頂部采用R=737cm圓弧,側(cè)拱半徑R=543cm圓弧,側(cè)墻采用R=793cm大半徑圓弧,仰拱半徑為1800cm,仰拱與側(cè)墻間采用R=150cm小半徑圓弧連接.采用有限差分法,利用flac3d軟件建立數(shù)值分析模型.考慮到開(kāi)挖隧道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)在3倍洞徑之外的區(qū)域其變化量不足5%,結(jié)合隧道相關(guān)資料,隧道上方荷載只考慮覆土的自重,建立了長(zhǎng)寬高的尺寸為80m×10m×210m的三維模型,模型共有20864個(gè)單元及26395個(gè)節(jié)點(diǎn),模型整體圖和隧道模型局部圖見(jiàn)圖1.模型的邊界范圍為隧道左側(cè)和右側(cè)均取35m,隧道底部取40m,隧道頂部埋深范圍取160m,其余各線(xiàn)施加法向約束,等效的隧道埋深為160m.根據(jù)隧道臺(tái)階法的施工步驟,模型模擬了隧道整個(gè)開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程,主要模擬以下4個(gè)施工步驟:(1)上臺(tái)階開(kāi)挖,并施加初襯;(2)中臺(tái)階開(kāi)挖,并施加初襯;(3)下臺(tái)階開(kāi)挖,并施加初襯;(4)二次襯砌.土層材料模型選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,單元類(lèi)型為Solid實(shí)體單元,襯砌材料模型選用線(xiàn)彈性模型.定遠(yuǎn)隧道黃土的物理力學(xué)參數(shù)和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見(jiàn)表1~2.2通過(guò)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性分析2.1初期支護(hù)對(duì)圍巖位移的影響圖2為隧道開(kāi)挖過(guò)程中每一步開(kāi)挖初期支護(hù)后形成的應(yīng)力云圖.隨著隧道斷面的開(kāi)挖,原始應(yīng)力充分釋放,隧道上方形成卸壓區(qū)域,并出現(xiàn)似漏斗狀的松散體區(qū)域,松散體的穩(wěn)定性由初始支護(hù)力來(lái)維持,支護(hù)力的大小基本等同于松散體圍巖的重力.總體開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力的分布趨勢(shì)為,拱頂區(qū)域卸載,圍巖應(yīng)力減少;拱腳區(qū)域加載,圍巖應(yīng)力增加.由表3可知,上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),大量圍巖應(yīng)力釋放,隧道圍巖向內(nèi)空區(qū)運(yùn)動(dòng)使應(yīng)力場(chǎng)平衡,此時(shí)拱頂出現(xiàn)0.17MPa壓應(yīng)力,由于埋深較大,側(cè)向壓力對(duì)拱肩的影響明顯,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩位置為8.2MPa.在及時(shí)噴射混凝土和錨桿支護(hù)后,圍巖和噴錨層形成受力整體,限制了圍巖繼續(xù)變形,開(kāi)挖中臺(tái)階的土體對(duì)周?chē)h(huán)境擾動(dòng)較小,在拱頂區(qū)域產(chǎn)生了0.27MPa的拉應(yīng)力,中臺(tái)階的卸載也使拱底的壓應(yīng)力相對(duì)減小.開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí),整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)基本處于平衡狀態(tài),變化甚微.圖3~5為隧道開(kāi)挖過(guò)程中位移場(chǎng)變化圖.在臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中,上臺(tái)階施工會(huì)對(duì)圍巖造成相對(duì)較大的擾動(dòng),拱頂位置會(huì)有將近26cm的沉降,拱底圍巖因?yàn)樾遁d回彈,產(chǎn)生將近24cm的隆起.水平位移總體呈蝴蝶狀對(duì)稱(chēng)分布,最大水平位移出現(xiàn)在拱肩位置.開(kāi)挖上臺(tái)階后立即施加初期支護(hù),約束了圍巖的變形,因此,開(kāi)挖中臺(tái)階階段對(duì)拱頂?shù)膰鷰r沒(méi)有太大擾動(dòng),拱頂沉降值、拱底隆起及水平位移變化較小.開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí),對(duì)拱底圍巖擾動(dòng)最大,拱底隆起相對(duì)減小1.8cm,其他位置基本保持穩(wěn)定.整個(gè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況見(jiàn)表4.在隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的豎向位移和水平位移相對(duì)隧道中線(xiàn)分別呈漏斗狀和蝴蝶狀對(duì)稱(chēng)分布.其中拱頂、拱底區(qū)域圍巖以豎向位移為主,拱肩區(qū)域以水平位移為主,符合自重應(yīng)力作用下拱頂卸載下沉而拱底卸載回彈的力學(xué)特性.隨著開(kāi)挖過(guò)程中的初期支護(hù),位移變化量逐漸減小,隧道圍巖日趨穩(wěn)定.2.2不同斷面的隧道開(kāi)挖圍巖位移分析對(duì)于濕陷性黃土而言,含水率是影響其工程性質(zhì)的重要因素.針對(duì)不同埋深不同含水率的隧道斷面進(jìn)行分析,可以更加全面的評(píng)價(jià)開(kāi)挖過(guò)程中隧道圍巖的穩(wěn)定性.根據(jù)隧道相關(guān)資料,選取埋深30m、含水率2.8%的斷面,埋深80m、含水率5%以及埋深160m、含水率11.7%的3個(gè)斷面分別進(jìn)行隧道開(kāi)挖工況模擬,開(kāi)挖過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移情況見(jiàn)表5.對(duì)于埋深30m的隧道斷面,其圍巖含水率較低,工程性質(zhì)較為穩(wěn)定,上層覆土自重應(yīng)力場(chǎng)較小,在開(kāi)挖過(guò)程中拱頂累積沉降值僅為9.7cm,拱底略有隆起,由于側(cè)向應(yīng)力較小,拱肩處的水平位移沒(méi)有太大變化.對(duì)于埋深80m的隧道斷面,圍巖含水率增加到5%,由于黃土顆粒間膠結(jié)物的溶解和骨架結(jié)構(gòu)的破壞,圍巖的力學(xué)性能變差致使變形增大,拱頂累積沉降值為20.2cm,拱底隆起13.8cm,拱肩處產(chǎn)生4.5cm的水平位移.到埋深160m處,拱頂、拱底及拱肩的變形值因含水率的增加而進(jìn)一步增大.通過(guò)不同斷面位移對(duì)比分析可知,淺埋段拱肩處位移受側(cè)向壓力的影響變化較為明顯;深埋段含水率的增大改變了圍巖的工程性質(zhì),拱頂累積沉降值最大,因此最大埋深處屬于定遠(yuǎn)隧道施工中最不利斷面.3隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析通過(guò)對(duì)定遠(yuǎn)隧道的原狀黃土進(jìn)行三軸蠕變?cè)囼?yàn),經(jīng)數(shù)學(xué)方法擬合分析,選取伯格斯蠕變模型來(lái)描述定遠(yuǎn)隧道濕陷性黃土的長(zhǎng)期流變特性,分析定遠(yuǎn)隧道在30年的圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨時(shí)間變化的規(guī)律3.1埋深斷面拱頂沉降不同埋深處的隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)大小不同,在隧道長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生不同的流變效應(yīng).現(xiàn)選取3個(gè)典型斷面(埋深30,80,160m)進(jìn)行長(zhǎng)期蠕變分析,將其拱頂沉降收斂趨勢(shì)整理見(jiàn)圖6.由圖6可知,3個(gè)埋深段面的圍巖均有較明顯的蠕變效應(yīng).30m埋深斷面拱頂累計(jì)沉降為0.68cm,約在45d收斂;80m埋深斷面拱頂累積沉降約為2.2cm,約在150d收斂;最大埋深160m處沉降約為3.2cm,在230d收斂.隨著埋深增大,含水率相應(yīng)增加,濕陷性黃土的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)降低,其粘滯性能也會(huì)發(fā)生改變,因此,不同埋深處斷面的蠕變出現(xiàn)不同收斂時(shí)間和沉降值.最大埋深處圍巖含水率為11.7%,其蠕變特性也最為明顯,圍巖蠕變效應(yīng)產(chǎn)生了最大的變形,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響也是最大的,對(duì)該斷面的蠕變分析可以初步評(píng)判隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.現(xiàn)以最大埋深處(160m)的隧道斷面圍巖流變效應(yīng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),來(lái)分析隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.在隧道斷面的拱頂和拱底分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行30年(9.46×10由圖8可知,拱頂位移變化基本分為3個(gè)階段:0~0.2×103.2不同含水率的圍巖模型模擬分析定遠(yuǎn)隧道在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,黃土地層中的地下水會(huì)向隧道洞周遷移滲透引起洞周黃土圍巖含水率的增大,導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度的降低甚至?xí)a(chǎn)生濕陷變形,同時(shí)也會(huì)影響圍巖的流變特性.現(xiàn)對(duì)埋深80m的隧道斷面進(jìn)行不同工況下(含水率分別為5%,10%和15%)的蠕變計(jì)算,分析相同斷面的圍巖在其含水率增大的情況下其流變特性的差異.對(duì)于埋深80m的隧道斷面,其圍巖含水率不同情況下拱頂因蠕變產(chǎn)生的位移見(jiàn)圖9.當(dāng)含水率增大到10%時(shí),拱頂位移收斂所需時(shí)間大概為180d,累積沉降值為3.5cm;當(dāng)含水率增大到15%時(shí),拱頂位移收斂所需時(shí)間提高到250d,累積沉降值為6.2cm.含水率增大時(shí),圍巖沉降值越大,沉降收斂時(shí)間越長(zhǎng),說(shuō)明含水率對(duì)濕陷性黃土的流變效應(yīng)影響十分顯著.當(dāng)圍巖位移過(guò)大時(shí),容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫,從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn).因此對(duì)于蘭州定遠(yuǎn)隧道而言,在施工過(guò)程中應(yīng)該充分考慮隧道防水設(shè)計(jì),在初襯和二襯之間鋪設(shè)防水帆布,同時(shí)還應(yīng)該加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B等級(jí),避免地下水對(duì)圍巖的影響.4不同埋深斷面的圍巖流變效應(yīng)分析1)通過(guò)模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程,分析了不同工況下隧道圍巖應(yīng)力和位移的變化規(guī)律,臺(tái)階法施工過(guò)程中的上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),原始應(yīng)力大量釋放,隧道圍巖有向內(nèi)空區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì),應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)均發(fā)生較大變化.隨著開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù),約束了圍巖的變形,中下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),沉降值雖有累積,但變形速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)挖初始階段的變形速率.2)通過(guò)對(duì)不同埋深斷面和不同含水率條件下的圍巖蠕變分析,發(fā)現(xiàn)含水率與濕陷性黃土的流變效應(yīng)關(guān)系密切,含水率增大會(huì)直接導(dǎo)致圍巖蠕變過(guò)程中拱頂沉降值增大,收斂時(shí)間變長(zhǎng).因此,加強(qiáng)蘭州定遠(yuǎn)隧道施工過(guò)程中的防水設(shè)計(jì)