复杂地质条件下隧道围岩和支护稳定性分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷第２期　２００７年　６月　湖南科技大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．　２００７　复杂地质条件下隧道围岩和支护稳定性分析　尹光志ｈｂ，曹多阳　，李铃　（１．重庆大学ａ．资源及环境科学学院，ｂ．西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室．重庆４０００４４；　２．湖南科技大学能源与安全学院，湖南湘潭４１　１２０１）　摘要：基于渝湘某高速公路在建隧道工程，结合其洞口段的地形地质、监控量测资料，以ＤＰ弹塑性本构模型为基础，建立了　有限元数值仿真程序；分析了隧道围岩及支护结构的力学状态和稳定性，为隧道设计和施工提供了指导依据．并简要地提出其防治　措施为：偏压浅埋隧道洞口段土体较为松散破碎，施工中应注意扰动及地下水的影响，并适时地对土体进行加固　图７，表Ｉ，参６．　关键词：偏压；有限元；ＤＰ准则；监控量测；围岩　中图分类号：Ｕ４５７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９１０２（２００７）０２—００６５—０３　公路隧道倚山而建，地形地质围岩状况通常不稳　定，又因其暴露在外，受到雨水侵蚀、狂风、雪崩、雷电、　泥石流等自然灾害的影响，加之在施工过程中的开挖、　扰动等人为因素，容易引起滑坡，偏压等地质灾害ｍ．由　地下水较贫乏．洞１＝１段地形如图２所示．　４８０　４２０　于偏压的存在，使作用在隧道横断面上的荷载不均衡，　在支护结构上可能产生很大的弯矩和应力，从而导致　结构破坏．当隧道上部覆盖土层薄且倾斜、地层相对于　隧道断面倾斜、岩性不均一、膨胀型地层中受到来自单　侧较强挤压等情况下，均有可能产生偏压作用．　３６ｏ　３ｏｏ　２４０　围岩级别　Ⅲ　ｌ　Ｖ　图１　隧道纵断面示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆｔｕｎｎｅｌ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｅｃｔｉｏＩｌ　１　工程概况　白马隧道为渝湘高速公路的一段，采用上下行分　离设置，隧道轴线间距４０．５～５２．５　Ｉｎ．该隧道出１＝１端为　一自然斜坡，地形较陡．地面坡角约２０。～４０。；洞１＝１轴　线与岩层走向近于垂直，交线夹角约８９。，总体地势呈　东高西低，隧道纵断面如图１所示．洞１＝１浅埋段上覆　土层为第四系崩坡积块、碎石土，多呈块碎状松散结　构，稳定性差，土层厚度２．１０～１５．２０　Ｉｎ．下伏基岩为泥　灰岩、页岩互层局部地段夹灰岩．围岩级别判定为Ｖ　图２洞口偏压地形示意图　Ｆｉｇ．２　Ｓｋｅｔｃｈ　ａｐ　ｍｏｆｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ｐｒｅＳｓｕｒｅ　ａｒｅａ　２监控量测分析　在隧道工程中，监控量测是采用新奥法施工的重　要组成部分囝．取洞口段一典型断面施工后１００　ｄ的水　级，这类岩体较破碎，多呈块碎状松散结构，洞顶易产　生张裂塌落，侧壁经常小坍塌．由于地层岩性的差异及　构造裂隙的发育情况，其富水性较大，总体而言，该段　收稿日期：２００６—１２－１１　作者简介：喜答异　雾凳　谷尹光志（　一１９科６２差　），男，四川西昌人，ｌ　琶　苗士，博士，教授，博士生导师，博士生导帅，主要从事岩石力学的研究　主要从事岩自力字明饼＿咒　６５　维普资讯 http://www.cqvip.com ，∞踮∞∞加∞鲫∞∞加Ｏ　‘｛ｇｕｖ蛔　１１　平及拱顶位移收敛监测数据进行分析，并利用对数函　数对其作回归分析预测其变形量，如图３所示．隧道设　计为拱形曲墙式，通过现场目测，侧壁受水平作用向洞　内挤压，拱顶处由于覆土较浅所受弹性抗力较小从而　导致上升．通过图中数据可知，围岩变化趋势较为一　致，围岩变形在支护后并未立即收敛，而是保持着一恒　定速度增长，在４０ｄ左右，由于施作仰拱，位移变化曲　线发生了一个突变，此后围岩变形逐趋于稳定，８０　ｄ后　变形收敛．总体而言，围岩变形量较大且洞周位移量呈　现不对称性，靠偏压力集中作用一侧位移较大．　值　预测　预测　值　０　２Ｏ　４０　６ｏ　８Ｏ　１ｏ０　时间，ｄ　图３位移收敛曲线　Ｆｉｇ．３　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆｄ￣ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　３隧道地层结构有限元计算　３．１有限元建模　本文的目的在于分析偏压力对围岩的变形及支　护结构受力状态的影响．在数值计算中为了简化计算　采用了平面应变的二维有限元地层一结构模型，并且　围岩考虑为均质单一的各向同性体．根据理论分析，　考虑荷载释放而引起的围岩应力和位移变化，有限元　模型水平宽度取３倍洞径．考虑到偏压力的作用，表　层覆土根据实际情况简化为水平，上覆岩体自重按规　范计算模型，沿坡度分布，受偏压作用一侧按照边界　荷载调整法Ｉ　的思路布置为均布荷载，其余边界面加　以位移约束条件．分析中对于围岩采用平面应变单元　模拟，对于支护结构则采用梁单元进行模拟，并采用　单元的“生死”技术来模拟洞室的开挖工序以及支护　的设立．围岩的物理力学参数如表１所示．　表１有限元分析的物理力学参数　Ｔａｂ．１　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ＦＥＡ　３＿２岩土材料屈服准则　岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，　６６　其受压屈服强度远大于受拉屈服强度，并且在受剪切　作用下，材料会发生剪胀现象，其实质上是由于剪切　应力引起土颗粒间相互位置的变化，使其排列发生变　化，加大颗粒间的孔隙，从而发生了体积变化．对于这　类材料，通常在有限元分析中采用Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ屈　服准则．该准则考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，　但不考虑温度变化的影响，较适用于岩土类颗粒状材　料，其屈服面并不随材料的逐渐屈服而改变，尢强化　准则，但它的屈服强度随侧限压力（静水压力）的增加　而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性Ｉａ１．　Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ准则的表达式为：　１１＋＼／万一ｋ＝Ｏ．　式中，，　为应力张量的第一不变量，，１＝３　＝　；　为　应力偏量的第二不变量，　＝　．ｓ　．ｓ　，其中，Ｏｔ＝　——　一．　：—　鱼　一．　丁（３一ｓｉｎ　）’　丁（３一ｓｉｎ　）　３．３结果分析　有限元分析软件采用大型通用有限元程序Ａｎｓｙｓ．　边界条件及网格划分如图４所示，计算结果如图５所　示，隧道支护从左下拱脚节点４Ｏ起，至右下拱脚节点　４４，利用有限元程序将洞周支护离散为４９个节点，其　中ＵＸ、ＵＹ、ＵＳＵＭ分别代表了各节点的ｘ向位移、Ｙ　向位移和总位移．从图中ｕＹ曲线可以看出，在拱顶处　产生了１０　ｃｍ左右的上升位移量，两侧壁的Ｙ向位移　不大，产生了１０　ｃｍ左右的上升位移量，两侧壁的Ｙ　向位移不大，左侧稍大于右侧．由ＵＸ曲线可知左侧墙　向洞外发生了较小的侧移，右侧墙则向洞内挤压位移　量较大达到１９　ｃｍ左右，隧道支护结构变形的不对称　性体现出了偏压力在靠洞右一侧的集中作用．有限元　程序计算出的洞周位移量与监测数据较吻合，说明有　限元模型及边界条件设立较符合实际情况，此时，利　用边界荷载调整法得到的边界上的水平地应力为施　加在垂直方向的自重应力的１．７８倍左右，根据现场的　实际情况分析，作用在支护结构上的较大的侧压力主　要是由于在隧道右侧滑坡体产生的推力引起的．　图４有限元网格划分和边界条件设立　Ｆｉｇ．４　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｓｈ　ａｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｏ．１９２　Ｏ．１５２　Ｏ．１ｌ４　０．０７６　０．０３８　ｎＵ　在有限元的计算中也可以清楚的感受到；　（３）在隧道洞口的施工中应对拱肩及拱脚处围岩　－一０．０３　Ｏ．１ｌ４　－ｏ．１５２　—一采用适当的加固措施，以提高围岩的稳定性．从而减小　作用在支护结构上的形变压力；　（４）对于洞口外，因开挖而裸露的仰坡应及时地　进行处理和整治，防止因形成滑坡而增大作用在支护　Ｏ．１９　０　４．６　９．２　ｌ３．８　ｌ８．４　２３　２．３　６．９　ｌ１．５　ｌ６．１　２０．７　结构上的土压力．　节点距离路径／ｍ　图５洞周位移图表　Ｆｉｇ．５　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｇｒａｐｈ　ｏｆｔｕｒｍｅｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　参考文献：　图６显示围岩塑性区集中于隧道拱肩和拱脚外　【ｌ】刘庭金，朱合华．偏压连拱隧道病害分析及治理措施Ⅲ．中国公路学　报，２００５，ｌ８（４）：７２—７７．　侧，塑性应变最大值出现在右侧拱肩处，为０．０３８．图７　ＬＩＵ　Ｔｉｎｇ－ｊｉｎ，ＺＨＵ　Ｈｅ－ｈｕｍ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｄｅｆｃｅｍ　ｏｆ　Ａｒｃａｄｅ　Ｔｕｎｎｅｌ　显示为支护结构的弯矩图，同样由于受到水平挤压作　ｗｉｔｈ　Ｐａｒｔｉａｌ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｔｒｅａｔｉｎｇ　Ｍｅｎｓｕｒｅｍｅｎｔｓ册．Ｃｈｉｎａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　用，弯矩也以拱肩和拱脚处为最大，根据现场观察，这　０ｆｌＩｉｇｈｗａｙ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，２００５，１８（４）：７２－７７．　【２】姜勇，朱合华．岩石偏压隧道动态分析及相关研究Ⅲ．地下空间，　两邦拱肩都有不同程度的破损，出现斜向裂缝以及砼　２００４，２４（３）：３ｌ２—３ｌ４．　脱落掉块，支护结构破坏较严重．　ＪＩＡＮＧ　Ｙｏｎｇ，ＺＨＵ　Ｈｅ—ｈｕａ．Ｄｙｎａｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｏｃｋ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ⅲ．Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ，　２０（０，２４（３）：３１２—３１４．　［３】中华人民共和国行业标准编写组．公路隧道设计规范　（ＪＴＧＤ７０—２００４）［ｓＨＥ京：人民交通出版社，２００４．８９—９０．　Ｔｈｅ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　Ｃｏｍｐｉｌａｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　ｏｆ　Ｐｅｏｐｌｅ‘８　Ｒｅｐｕｂｌｉｃ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｄｅ　ｆｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｒｏａｄ　Ｔｕｎｎｅｌ（ＪＴＧＤ７０－２００４）ＩＳ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：　Ｃｈｍａ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｒｅｓｓ，２００４．８９－９０．　【４】代高飞，应松，等．高速公路隧道新奥法施工监控量测［Ｊ】．重庆大学　图６围岩等效塑性区　图７支护结构弯矩图　Ｆｉｇ．６　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｐｌａｓｔｉｃ　学报，２００４，２７（２）：１３２—１３５．　ｚｏｎｅ　ｉｎ　ｓｕｒｒｏｕｎｄ　Ｆｉｇ．７　Ｍｏｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｎｇ　ＤＡＩ　Ｇａｏ－ｆｅｉ，ＹＩＮＧ　Ｓｏｎｇ，ｅｔ　ｏ１．Ｔｈｅ　Ｍｏｍｔｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ｒｏｃｋ　ｌｎａｓｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＴｕｎｎｅｌｉｎＮａｔｍⅢ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４，２７（２）　ｌ３２一ｌ３５．　４结论及防治措施　【５】金艳丽，刘汉东．初始地应力场反演及回归分析方法研究Ⅲ．隧道建　设，２００４，２４（２）：６～８．　（１）复杂的地质条件对隧道围岩变形影响巨大，　ＪＩＮ　Ｙａｎ－ｌｉ，ＬＩＵ　Ｈａｎ－ｄｏｎｇ．Ｂａｃｋ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｉｎｉｔｉａｌ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｓｔｒｅｓｓ　Ｆｉｌｅｄ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ忉．Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，　浅埋隧道中水平应力的作用往往大于铅垂应力；　２００４，２４（２）：６—８．　（２）在浅埋偏压隧道中，作为地质条件之一的围　【６】郑颖人，沈珠江，龚晓南．岩土塑性力学原理［Ｍ】．中国建筑工业出版　社，２００２．　岩物理参数对隧道稳定性的影响要大于地形的影响，　ＺＨＥＮＧ　Ｙｉｎｇ－ｒｅｎ，ＳＨＥＮ　Ｚｈｕ－ｊｉａｎｇ，ＧＯＮＧ　Ｘｉａｏ－ｎｎｎ．Ｔｈｅ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｍ］．２００２．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋ　Ｍａｓｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｕｎｄｅｒ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ＹＩＮ　Ｇｕａｎｇ－ｚｈｉ　ａ　，ＣＡＯ　Ｄｕｏ—ｙａｎｇ　ａ　，ＬＩ　Ｌｉｎｇ￣　（１ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；ｌｂ．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｎａｄ　ｔｈｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＤｉｓａｓｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ；２．ｃＳｈｏｏｌ　ｏｆＥｎｅｒｇｙ　ａ　ｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｓｒｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ｎａｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇ，Ｘｉｎａｇｔａｎ　４１　１２０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎ　ｕｎｄｅｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｒｏｍ　Ｈｕｎａｎ　ｔｏ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，ｃｏｍｐｌｅｘ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ　ｉｎ　ｐｏｒｔａｌ　ａｒｅａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａ　ＦＥＭ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｎ　ＤＰ　ｃｏｎｓｉｔｕｔｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　Ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ：ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｏｒｔａｌ　ａｒｅａ，ｕｎｄｅｒ　ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，Ｗａｓ　ｌｏｏｓｅ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋｅｄ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｉｔ　Ｗａｓ　ｐａｉｄ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ，ｎａｄ　ｓｏｉｌ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　Ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ａｔ　ｔｈｅ　ｆｉｇｈｔ　ｔｉｍｅ．７ｆｉｇｓ．，ｌ　ｔｂａ．，　６ｒｅｆｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ＦＥＭ；ＤＰ　ｃｒｉｔｅｒｉａ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＹＩＮ　Ｇｕａｎｇ－ｚｈｉ。ｍａｌｅ，ｂｏｒｎ　ｉｎ　１　９６２，Ｄｒ．，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ。ｒｏｃｋ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．　６７