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.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation682023 年 第 17 期文章编号：2095-6835（2023）17-0068-05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）摘要：针对浅埋偏压隧道的特点，对某浅埋偏压隧道出口段拱顶沉降、水平收敛、地表沉降、锚杆轴力及钢支撑压力等项目进行监控量测，并进行 ANSYS 数值模拟分析。通过监测数据与模拟成果对比分析，得出了该隧道出口段围岩和支护系统的受力变形特点为浅埋偏压隧道水平收敛、拱顶沉降及地表沉降位移-时间曲线呈“台阶型”，变化分为 3 个阶段，即增长和急速增长阶段、缓慢增长阶段及稳定阶段；钢支撑压力和锚杆轴力均处于严重偏压状态，左侧受力大于右侧。据此，对后期施工方案进行了动态优化设计，为支护体系的优化提供了依据。结果表明，此研究可为类似条件下隧道工程的设计、施工和监测提供借鉴。关键词：浅埋偏压；围岩稳定性；初期支护；监控量测中图分类号：TU433文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.17.019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+174.24DK388+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 2030 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监测项目及内容测量主要项目测量仪器监测内容及目的备注洞内、外观察罗盘仪了解施工过程中地质情况和支护状况，判断支护的稳定性必测拱顶沉降水准仪、全站仪了解地层与结构共同作用的结果，为预测和反馈提供参数必测净空变形收敛计地表沉降全站仪掌握隧道施工时地表沉降的规律锚杆轴力电测式测力计了解锚杆轴力分布和变化情况，为锚杆的应用提供支护参数钢支撑压力钢弦测压仪得到隧道初期支护受力情况，为下阶段隧道初期支护在选择支护材料和参数方面提供判据拱顶沉降点水平收敛上测线锚杆轴力钢支撑压力BD水平收敛下测线图 1测点布置示意图Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期692.2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 2DK388+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 3DK388+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 3242 d、1323 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（P11P17、P21P27），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11 月 25 日12 月 3 日12 月 11 日12 月 19 日12 月 27 日1 月 4 日日期2012-11-252012-12-032012-12-112012-12-192012-12-272013-01-042012-11-252012-12-032012-12-112012-12-192012-12-272013-01-042012-11-252012-12-032012-12-112012-12-192012-12-272013-01-04科技与创新Science and Technology&Innovation702023 年 第 17 期线如图 5 所示。图 5DK388+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。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 35 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。图 6DK388+020 断面 B、D 测孔锚杆轴力曲线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：初期支护厚度取 0.30 m；22 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介质类型容重/（kNm-3）弹性模量 E/GPa泊松比内摩擦角/（）粘聚力C/MPaV 级砂质板岩27.52.50.24300.48碎石土21.02.00.18360.80C30钢筋混凝土22.031.00.2022 砂浆锚杆77.0210.00.253.3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：水平跨度最大达 14 m，高度达 9.8 m；由四心圆构成，半径分别为 7.35 m、19.3 m、3.1 m、3.1 m。埋深/m0.00.51.01.52.02.53.03.54.00481216202428累计天数/dScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期71二维平面 ANSYS 平面模型如图 7 所示。1A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A25 A26 XYZ APR 22 201411:11:27AREASAREA NUM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）上台阶环形土体进行模拟开挖激活上台阶的支护中左台阶开挖激活中左台阶的支护中右台阶进行模拟开挖激活中右台阶的支护下左台阶进行模拟开挖激活下左台阶的支护下右台阶进行模拟计算激活下右台阶的支护及全部锚杆核心土体进行模拟开挖仰拱土体进行模拟开挖激活仰拱土体的支护。图 83 台阶 7 步施工荷载步注：为开挖顺序。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 170.3183.2 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。MNMXXYZ-.204721-.181974-.159227-.12648-.113734-.090987-.06824-.045493-.0227470APR 22 201411:50:28NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=10TIME=1UY (AVG)RSYS=0DMX=.204721SMN=-.204721图 9开挖模拟前Y方向初始位移云图MNMXXYZ-.206099-.1832-.1703-.1374-.1145-.0916-.0687-.0458-.02290APR 22 201410:40:42NODAL SOLUTIONSTEP=14SUB=10TIME=14UY (AVG)RSYS=0DMX=.206099SMN=-.206099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 3DK388+025 断面位移变化实测值与模拟值对比分析里程围岩级别来源方式位移变化值/mm地表沉降 拱顶沉降 周边收敛DK388+025V 级实际监测62.3549.1132.29ANSYS 模拟51.2043.5522.103.4.2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。对比开挖模拟前后应力云图可以得出，隧道开挖YXA17A12A9A18A13A14A15A16A1A11科技与创新Science and Technology&Innovation722023 年 第 17 期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。1MNMXXYZ -.238E+07-.211E+07-.185E+07-.159E+07-.132E+07-.106E+07-790147-525184-2602224740APR 22 201410:41:22NODAL SOLUTIONSTEP=14SUB=10TIME=14SY (AVG)RSYS=0DMX=.206099SMN=-.238E+07SMX=4740图 11开挖模拟后Y方向应力云图1MNMXXYZ -.256E+07-.228E+07-.199E+07-.171E+07-.142E+07-.114E+07-855299-570804-286310-1815APR 22 201410:42:50NODAL SOLUTIONSTEP=14SUB=10TIME=14S3 (AVG)DMX=.206099SMN=-.256E+07SMX=-1815图 12开挖模拟后第 3 主应力云图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。1MNMXXYZ 0.143E-03.286E-03.429E-03.572E-03.715E-03.858E-03.001001.001144.001287MAY 16 201400:43:27NODAL SOLUTIONSTEP=14SUB=10TIME=14EPPLINT (AVG)DMX=.206099SMX=.001287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 15.844 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。XYZZHOULI distribution-2506-46715713610564976889727117661380515844APR 22 201411:01:05LINE STRESSSTEP=14SUB=10TIME=14ZHOULI ZHOULIMIN=-2506ELEM=546MAX=15844ELEM=494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里程围岩级别数据来源关键点锚杆轴力/kN左侧拱腰右侧拱腰0.4 m1.6 m2.8 m 0.4 m 1.6 m 2.8 mDK388+020V级实际监测15.858 10.881 6.220 11.730 7.232 3.704DK388+025ANSYS模拟15.844 11.582 6.989 11.766 7.612 3.687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。（下转第 75 页）YYXYXXXYScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期75内外侧初始温度分别为 21.8 和 22.1。随着室内加热器照射时长的增加，内外侧温度均逐渐上升，但玻璃幕墙外侧温度相对于内侧温度而言，上升速度更快。28 min 后，内外侧温度趋于稳定，内侧温度稳定在24.5 左右，外侧温度稳定在 29.7 左右。分析实验数据可知，封闭式双层玻璃幕中，当双层玻璃幕墙内外侧温度趋于稳定时，内侧温度比外侧温度低 4.2 左右；外循环通风模式下，当双层玻璃幕墙内外侧温度趋于稳定时，内侧温度比外侧温度低5 左右。研究表明，双层玻璃幕墙在夏季具有较好的隔热散热效果，对降低建筑物用于制冷供暖能耗起到了辅助作用，具有一定的节能作用。3结论将双层玻璃幕墙与太阳能百叶窗相结合，通过不同的通风口组合，实现了各个季节无风感室内空气循环；在双层玻璃幕墙中间添加石蜡半透明相变材料，采用蜂窝结构，加大了利用空间并增强了稳固性，相变材料可以强化换热，更好地带走室内热量；通过通风散热及集热金属保温，有效改善室内温度，节约了空调所需消耗的能源，且设置了自动调节太阳能百叶，可根据室外光照强度调节单元角度进行遮阳。参考文献：1杨华，杜芳，孟庆瑶，等.双层玻璃幕墙对办公建筑室内光环境及能耗影响研究J.建筑节能，2019，47（10）：63-66，104.2邓上峰.高层建筑玻璃幕墙的节能技术应用与分析J.大众科技，2010（5）：85-86.3GMCIAAD，NAVARRO L，CASTELLA，et a1 Life cycleassessment of a ventilated facade with PCM in its airchamberJ.Solar energy，2014，104：115-1234李栋，李仔武，卢丽冰，等.含半透明相变材料幕墙光热传输特性研究进展J.建筑热能通风空调，2016，35（4）：46-50.5李仔武.含石蜡新型玻璃幕墙光热传输特性研究D.大庆：东北石油大学，2016.6王鑫，方建华，刘坪.相变材料的研究进展J.功能材料，2019，50（2）：70-75.7江西理工大学.一种太阳能通风散热双层玻璃幕墙：CN210421552UP.2020-04-28.作者简介：肖阳（1999），男，江苏扬州人，本科，研究方向为通风技术。（编辑：丁琳）（上接第 72 页）4结论浅埋偏压隧道水平收敛、拱顶沉降及地表沉降随时间变化均呈现增长和急速增长阶段、缓慢增长阶段及趋于稳定阶段这 3 个阶段，但地表沉降量一般远远大于拱顶沉降量与水平收敛量，这与隧洞岩土体特性及施工工艺等因素有直接关系；受偏压影响钢支撑压力和锚杆轴力左侧均明显大于右侧，表明隧洞处于严重偏压状态。浅埋偏压隧道拱顶及地表沉降量较大，开挖后应加强支护并及时施作；拱腰和拱脚处应力集中，易发生剪切破坏，与一般隧道围岩塑性区的分析较吻合。施工开挖对围岩位移变化影响较大，浅埋偏压隧道的初期支护要与一般隧道支护区别对待，实际施工中要高度重视，宜采用复合式衬砌，对喷层适当加强或加固。数值模拟成果与监控量测数据分析相吻合，模型及参数选取正确，实际监控量测数据准确。参考文献：1张顶立.隧道及地下工程的基本问题及其研究进展J.力学学报，2017，49（1）：3-21.2潘朝，吴立.浅埋偏压隧道大变形原因分析及处治措施J.铁道建筑，2013（12）：65-68.3童立元.卵砾层中大跨浅埋隧道开挖变形监测与反分析J.地下空间与工程学报，2007（增刊 1）：1363-1367.4潘昌实，张弥，吴洪庆.隧道力学数值方法M.北京：中国铁道出版社，1995.5DAI H L，WANG X，XIE G X，et al.Theoretical model andsolution for the rheological problem of anchor-grouting asoft rock tunnelJ.International journal of pressure vesselsand piping，2004，81（9）：739-748.6王歇成，邵敏.有限元法基本原理和数值方法M.北京：清华大学出版社，1997.作者简介：潘朝，男，硕士研究生，中级工程师，研究方向为地质工程。（编辑：丁琳）