湿陷性黄土隧道围岩稳定性分析

湿陷性黄土隧道围岩稳定性分析

0基于稳定性模型的黄土隧道施工过程分析中国西部是高原的多山黄砂带。本文运用flac3d软件,分别选取摩尔-库伦及伯格斯模型,基于黄土的流变特性,针对性的对黄土隧道进行施工过程及后期运营中的稳定性进行分析,以期对实际工程的设计与施工提供参考与指导.1基于隧道模型的数值分析以兰州定远隧道为依托工程.定远隧道位于甘肃省兰州市东郊榆中县定远镇西侧,其地层为中等湿陷性黄土.该隧道为分离式长隧道,左右线长度分别为1398.297和1372.713m,设计行车速度80km/h.拱顶部采用R=737cm圆弧,侧拱半径R=543cm圆弧,侧墙采用R=793cm大半径圆弧,仰拱半径为1800cm,仰拱与侧墙间采用R=150cm小半径圆弧连接.采用有限差分法,利用flac3d软件建立数值分析模型.考虑到开挖隧道围岩的应力场和位移场在3倍洞径之外的区域其变化量不足5%,结合隧道相关资料,隧道上方荷载只考虑覆土的自重,建立了长宽高的尺寸为80m×10m×210m的三维模型,模型共有20864个单元及26395个节点,模型整体图和隧道模型局部图见图1.模型的边界范围为隧道左侧和右侧均取35m,隧道底部取40m,隧道顶部埋深范围取160m,其余各线施加法向约束,等效的隧道埋深为160m.根据隧道台阶法的施工步骤,模型模拟了隧道整个开挖及支护过程,主要模拟以下4个施工步骤:(1)上台阶开挖,并施加初衬;(2)中台阶开挖,并施加初衬;(3)下台阶开挖,并施加初衬;(4)二次衬砌.土层材料模型选用摩尔-库伦本构模型,单元类型为Solid实体单元,衬砌材料模型选用线弹性模型.定远隧道黄土的物理力学参数和隧道支护结构参数分别见表1~2.2通过隧道开挖过程中的围岩稳定性分析2.1初期支护对围岩位移的影响图2为隧道开挖过程中每一步开挖初期支护后形成的应力云图.随着隧道断面的开挖,原始应力充分释放,隧道上方形成卸压区域,并出现似漏斗状的松散体区域,松散体的稳定性由初始支护力来维持,支护力的大小基本等同于松散体围岩的重力.总体开挖后围岩应力的分布趋势为,拱顶区域卸载,围岩应力减少;拱脚区域加载,围岩应力增加.由表3可知,上台阶开挖时,大量围岩应力释放,隧道围岩向内空区运动使应力场平衡,此时拱顶出现0.17MPa压应力,由于埋深较大,侧向压力对拱肩的影响明显,最大压应力出现在拱肩位置为8.2MPa.在及时喷射混凝土和锚杆支护后,围岩和喷锚层形成受力整体,限制了围岩继续变形,开挖中台阶的土体对周围环境扰动较小,在拱顶区域产生了0.27MPa的拉应力,中台阶的卸载也使拱底的压应力相对减小.开挖下台阶时,整个应力场基本处于平衡状态,变化甚微.图3~5为隧道开挖过程中位移场变化图.在台阶法开挖过程中,上台阶施工会对围岩造成相对较大的扰动,拱顶位置会有将近26cm的沉降,拱底围岩因为卸载回弹,产生将近24cm的隆起.水平位移总体呈蝴蝶状对称分布,最大水平位移出现在拱肩位置.开挖上台阶后立即施加初期支护,约束了围岩的变形,因此,开挖中台阶阶段对拱顶的围岩没有太大扰动,拱顶沉降值、拱底隆起及水平位移变化较小.开挖下台阶时,对拱底围岩扰动最大,拱底隆起相对减小1.8cm,其他位置基本保持稳定.整个隧道开挖过程中,各监测点的位移变化情况见表4.在隧道开挖过程中围岩的竖向位移和水平位移相对隧道中线分别呈漏斗状和蝴蝶状对称分布.其中拱顶、拱底区域围岩以竖向位移为主,拱肩区域以水平位移为主,符合自重应力作用下拱顶卸载下沉而拱底卸载回弹的力学特性.随着开挖过程中的初期支护,位移变化量逐渐减小,隧道围岩日趋稳定.2.2不同断面的隧道开挖围岩位移分析对于湿陷性黄土而言,含水率是影响其工程性质的重要因素.针对不同埋深不同含水率的隧道断面进行分析,可以更加全面的评价开挖过程中隧道围岩的稳定性.根据隧道相关资料,选取埋深30m、含水率2.8%的断面,埋深80m、含水率5%以及埋深160m、含水率11.7%的3个断面分别进行隧道开挖工况模拟,开挖过程中各监测点的位移情况见表5.对于埋深30m的隧道断面,其围岩含水率较低,工程性质较为稳定,上层覆土自重应力场较小,在开挖过程中拱顶累积沉降值仅为9.7cm,拱底略有隆起,由于侧向应力较小,拱肩处的水平位移没有太大变化.对于埋深80m的隧道断面,围岩含水率增加到5%,由于黄土颗粒间胶结物的溶解和骨架结构的破坏,围岩的力学性能变差致使变形增大,拱顶累积沉降值为20.2cm,拱底隆起13.8cm,拱肩处产生4.5cm的水平位移.到埋深160m处,拱顶、拱底及拱肩的变形值因含水率的增加而进一步增大.通过不同断面位移对比分析可知,浅埋段拱肩处位移受侧向压力的影响变化较为明显;深埋段含水率的增大改变了围岩的工程性质,拱顶累积沉降值最大,因此最大埋深处属于定远隧道施工中最不利断面.3隧道长期稳定性分析通过对定远隧道的原状黄土进行三轴蠕变试验,经数学方法拟合分析,选取伯格斯蠕变模型来描述定远隧道湿陷性黄土的长期流变特性,分析定远隧道在30年的围岩变形及支护结构受力随时间变化的规律3.1埋深断面拱顶沉降不同埋深处的隧道围岩应力场大小不同,在隧道长期的运营过程中也会产生不同的流变效应.现选取3个典型断面(埋深30,80,160m)进行长期蠕变分析,将其拱顶沉降收敛趋势整理见图6.由图6可知,3个埋深段面的围岩均有较明显的蠕变效应.30m埋深断面拱顶累计沉降为0.68cm,约在45d收敛;80m埋深断面拱顶累积沉降约为2.2cm,约在150d收敛;最大埋深160m处沉降约为3.2cm,在230d收敛.随着埋深增大,含水率相应增加,湿陷性黄土的力学强度指标相对降低,其粘滞性能也会发生改变,因此,不同埋深处断面的蠕变出现不同收敛时间和沉降值.最大埋深处围岩含水率为11.7%,其蠕变特性也最为明显,围岩蠕变效应产生了最大的变形,对衬砌结构的影响也是最大的,对该断面的蠕变分析可以初步评判隧道的长期稳定性.现以最大埋深处(160m)的隧道断面围岩流变效应对衬砌结构带来的影响为评判标准,来分析隧道的长期稳定性.在隧道断面的拱顶和拱底分别设置监测点并进行30年(9.46×10由图8可知,拱顶位移变化基本分为3个阶段:0~0.2×103.2不同含水率的围岩模型模拟分析定远隧道在后期运营过程中,黄土地层中的地下水会向隧道洞周迁移渗透引起洞周黄土围岩含水率的增大,导致围岩强度的降低甚至会产生湿陷变形,同时也会影响围岩的流变特性.现对埋深80m的隧道断面进行不同工况下(含水率分别为5%,10%和15%)的蠕变计算,分析相同断面的围岩在其含水率增大的情况下其流变特性的差异.对于埋深80m的隧道断面,其围岩含水率不同情况下拱顶因蠕变产生的位移见图9.当含水率增大到10%时,拱顶位移收敛所需时间大概为180d,累积沉降值为3.5cm;当含水率增大到15%时,拱顶位移收敛所需时间提高到250d,累积沉降值为6.2cm.含水率增大时,围岩沉降值越大,沉降收敛时间越长,说明含水率对湿陷性黄土的流变效应影响十分显著.当围岩位移过大时,容易导致衬砌结构出现裂缝,从而导致整个结构的失稳.因此对于兰州定远隧道而言,在施工过程中应该充分考虑隧道防水设计,在初衬和二衬之间铺设防水帆布,同时还应该加强混凝土结构的抗渗等级,避免地下水对围岩的影响.4不同埋深断面的围岩流变效应分析1)通过模拟隧道开挖过程,分析了不同工况下隧道围岩应力和位移的变化规律,台阶法施工过程中的上台阶开挖时,原始应力大量释放,隧道围岩有向内空区移动的趋势,应力场和位移场均发生较大变化.随着开挖后及时进行初期支护,约束了围岩的变形,中下台阶开挖时,沉降值虽有累积,但变形速率已经远远小于开挖初始阶段的变形速率.2)通过对不同埋深断面和不同含水率条件下的围岩蠕变分析,发现含水率与湿陷性黄土的流变效应关系密切,含水率增大会直接导致围岩蠕变过程中拱顶沉降值增大,收敛时间变长.因此,加强兰州定远隧道施工过程中的防水设计