基于卵砾石层隧道围岩特性的稳定性分
析
摘要: 为了研究某卵砾石隧道围岩稳定性及隧道结构随开挖深度变化过程中的变形行为，首先对该隧道进行围岩变形监测并进行相关的分析；基于弹塑性理论模型，对不同埋深隧道围岩的塑性区半径和周边位移进行相关计算，得出随着隧道埋深的增加，塑性区半径和径向位移不断增大。
关键词：围岩稳定性；卵砾石层；隧道稳定性；弹塑性理论；数值模拟； Stability analysis of surrounding rock of gravel tunnel
Abstract：In order to study the stability of the surrounding rock of a gravel tunnel and the deformation behavior of the tunnel structure with the change of excavation depth, the surrounding rock deformation of the tunnel is monitored and analyzed. Based on the elastic-plastic theoretical model, the plastic zone radius and surrounding displacement of surrounding rocks of tunnels with different buried depths are calculated. It is concluded that the radius and radial displacement of plastic zone increase with the increase of tunnel depth.
Key words: stability of surrounding rock; Gravel layer; Tunnel stability; Elastic-plastic theory; Numerical simulation;
1 概述
目前，我国大部分隧道穿过岩体或土层，在修建该种隧道过程中积累了较多施工技术与经验[1]。而在河滩、海岸等特殊地质条件工程建设经常会遇到卵砾石
层[2]，此类地层具有含水量高、渗透性强、地层不稳定等特点，进行围岩开挖时容易遇到大范围突涌水以及穿越断层破碎带，严重时会发生大规模塌方，造成严重的经济损失，同时给工程人员带来极大困难[3]。
由于卵砾石层地质条件特殊，国内学者对其进行相关研究，童立元[4]等分析卵砾石层中公路隧道围岩稳定性，并对卵砾石层的弹性模量进行了反演，得到了符合实际情况的计算参数，总结出卵砾石层结构变化的规律。沈才华[5]等以拱顶下沉量为主要控制目标，采用弹塑性非线性有限元模拟分析某特殊残坡积卵砾石层公路隧道的开挖和支护全过程，采用释放系数这一概念，模拟开挖围岩应力释放时空效应。刘持光[6]采用有限元通用软件ANSYS西对卵砾石隧道围岩稳定性进行数值模拟，通过相似模型试验和数值仿真模拟相结合的研究方法，分析了不同施工方法对隧道的稳定性影响。汤劲松[7]研究了卵砾石土地层偏压地形下大跨浅埋隧道合理的施工工法，建立了考虑实际地形状况的隧道三维计算模型，分别采用台阶法和分部开挖法以不对隧道的施工过程进行数值模拟，确定了卵砾石隧道的施工工法。。
综上，国内外学者对卵砾石层施工方案与围岩稳定性数值模拟等方面进行了大量研究，而对于卵砾石层隧道的理论计算较少。因此，本论文以某隧道监测结果为基础，选用弹塑性计算模型理论对该隧道未支护情况下不同埋深的围岩进行计算。研究不同埋深的卵砾石层隧道稳定性问题，为相关地层隧道提供相应支护设计和施工方案，丰富我国卵砾石层隧道工程经验。
2.工程地质背景
西北某隧道是一座左、右线分离的四车道高速公路双洞中隧道，左右线间距为
16m，隧道最大开挖跨度12.7m，最大开挖高度10.3m，开挖断面面积108.37m2，属于大断面隧道。该隧道工程上具有以下特点：①洞身主要穿越地层岩性为第四系晚更新统冲洪积碎石土，冲积卵砾石为主，灰黄色，物相复杂，埋深15~80m，局部夹中密状圆砾、细砂及零星大漂石，分布于洞身大部。②卵砾石土颗粒粒径分布范围较大，在0.075~100mm之间，其中20~60mm颗粒含量约占61%，大于0.075mm的粘性土及细砂充填约占15%，其不均匀系数Cu为18.6，曲率系数Cc为4.11；卵砾石土的粘聚力C为0.011MPa，内摩擦角φ为42°，强度极低，属于典型的软弱破碎岩土体结构。在有约束的条件下，具有一定的承载力。
3.理论计算原理
开挖后隧道围岩应力在卸荷作用下发生重新分布，应力集中也出现在这一阶段。此时可能出现两种状态，如果围岩的应力小于岩体的弹性极限强度，则围岩将处于弹性状态；相反，围岩将部分进入塑性状态[9-11]。此时会出现塑性区，一方面使应力不断的向围岩深部转移，另一方面向隧道方面变形并逐渐解除塑性区的应力[11]
对某隧道围岩的位移计算采用弹塑性力学分析，求得围岩在弹塑性变形下的解析解。为了便于计算和求解，把隧道简化为圆形模型[12]，考虑隧道围岩为均匀、各向同性，原岩应力为各向等压，将复杂问题化为平面应变情形下的轴对称问题。采用极坐标方法来表示这些参数，p0和p1分别表示地应力和支护反作用力，σr、σθ和εr、εθ分别表示径向、环向应力和应变，u表示位移。在围岩应力和变形的计算中，需要考虑塑性区围岩参数c、φ、E的变化，但是为简化计算，将其考虑为常数。
假设塑性区体积不变条件下的轴对称圆巷周边位移隧道的高度为h，隧道的跨度为l，则公式为：
3.1）
式中：—隧道净半径(m)；
h—隧道的高度(m)，本隧道取值为10.3m； l—隧道的跨度(m)，本隧道取值为12.7m。 经计算此隧道的净半径为5.75m。
隧道的原岩应力由自重应力和构造应力组成，由于该隧道大部属于土质隧道，最大埋深约为80m，可不考虑构造地应力对隧道的影响，故该隧道的原岩应力主要受自重应力的影响。计算以YK393+270断面为例，隧道埋深约75m，上覆黄土的厚度为35m，重度为17kN/m3，卵砾石土层厚度为40m，卵砾石土的重度为19 kN/m3，围岩的竖向自重应力p0的计算公式如下：
（3.2） 式中：γ—岩石的重度（kN/m3）
h—隧道埋深（m）
计算可得此处的竖向自重应力为1355kPa。 4.计算过程及结果
本模型选取弹塑性力学对卵砾石层围岩的位移计算，根据弹塑性计算模型隧道计算过程，对该隧道进行理论计算。原岩初始地应力直接影响到围岩的稳定性，它在围岩变形乃至破坏过程中起到非常大的作用[12-14]。在隧道中可不考虑构造地应力对隧道的影响，故自重应力起到至关重要的作用，选取不同的埋深分析其对隧道围岩稳定性的影响，从埋深15m到埋深75m，每隔20m选取一个典型断面来进行计算分析，计算结果如表4.1所示。最后解得YK393+270断面最大埋深75m处的围岩塑性区半径为13.86m，理论的周边位移量达到1.54m。
表4.1不同埋深隧道理论解析解
埋深/m 塑性区半径/m 径向位移/m
15 10.22 0.70
35 11.94 1.09
55 13.14 1.38
75
13.86 1.54
由以上分析可得随着埋深的增加，弹塑性理论方程求得的塑性区半径和径向位移也不断增大，呈线性增长关系。埋深从15m增加到75m时，塑性区半径从10.22m增加到13.86m，增长1.35倍；径向位移从0.70m增加到1.54m，增长2.20倍。但随着埋深的增加，半径和位移增长幅度趋于减小，达到一定埋深后埋深对塑性区半径和径向位移的影响在减小，不会随着埋深的增加而无限增大。
5 结语
采用不同的方法进行围岩稳定性分析，对隧道施工技术的选取和支护设计具有重要的指导意义。本研究通过理论计算卵砾层隧道不同埋深情况下的围岩稳定性进行了分析，得到如下结论：
（1）采用弹塑性理论计算模型和工程参数计算出了不同埋深围岩的的塑性区半径和径向位移。随着隧道埋深的增加，塑性区半径和径向位移不断增大，埋深从15m增加到75m时，塑性区半径从10.22m增大到13.86m，增长了1.35倍；理论位移量从0.70m增大到1.54m，增长了2.20倍。
（2）理论计算结果均反映，卵砾石层隧道最大位移量和塑性区半径均超过围岩变形允许的最大值，此卵砾石层隧道开挖未加支护时会发生大变形破坏和坍塌，在施工中需要选取合适的施工技术来保证隧道开挖的稳定。
参考文献：
[1]童立元，冯世进，刘松玉. 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(s1).
[2]朱连臣,王渭明,王有旗,等.卵石流塑地层盾构下穿铁路框架桥加固技术与变形控制研究[J].铁道标准设计,2018,62(09):125-130.
[3]洪开荣. 我国隧道及地下工程近两年的发展与展望[J]. 隧道建设, 2017(2).
[4]童立元,刘松玉,袁振中,等. 特殊卵砾石层中大跨浅埋公路隧道施工过程的三维数值分析[C]// 地下工程施工与风险防范技术——2007第三届上海国际隧道工程研讨会文集. 2007.
[5]沈才华,童立元,刘松玉. 卵砾石层浅埋公路隧道支护方案的优化研究[J]. 土木工程学报, 2008, 41(7):71-75.
[6]刘持光. 卵砾石地层大跨浅埋偏压隧道施工安全稳定性研究[D].石家庄铁道大学,2016. [7]汤劲松,刘松玉,童立元,等. 卵砾石土抗剪强度指标原位直剪试验研究[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(zk1):167-171.
[8]徐军，郑颖人. 隧道围岩弹塑性随机有限元分析及可靠度计算[J]. 岩土力学， 2003， 24(1):70-74.
[9]黄锋，朱合华. 开挖进尺对大断面隧道变形的影响[J]. 铁道建筑， 2013(8):56-58.
[10]寇廷君. 凤山隧道围岩BQ分级及稳定性分析[D].中国矿业大学,2016. [11]罗鹏. 石羊岭隧道设计施工技术研究[D]. 长安大学, 2014. [12]彭立敏. 交通隧道工程[M]. 中南大学出版社, 2003.
[13]Brady B H G， Bray J W. The boundary element method for determining stresses and displacements around long openings in a triaxial stress field[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1978， 15(1):21-28.
[14]马启超，王宝林. 岩体地应力场的边界直接积分法[C]// 全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会. 1986.