田帅
中铁隧道勘测设计院有限公司
摘要：运用ANSYS有限元分析软件，建立数值模型，在假定隧道埋深为80米的情况下，对不同水平应力情况下的隧道的稳定性进行模拟计算分析。具体结论如下：随着水平应力增大，隧道顶部和底部稳定性越来越差，隧道边墙处稳定则越来越好。
关键词：水平应力；隧道稳定性；数值模拟；有限元分析
1、引言
围岩的初始应力场包括自重应力场和构造应力场。自然界中有的地方以自重应力场为主，有的地方以构造应力场为主。随着埋深的增加，由岩体自重引起的垂直应力和水平应力均相应增大，在高地应力作用下，围岩可以出现大变形、片帮、底鼓及岩爆等地质灾害，其稳定性与安全问题变得十分突出【1-2】。由于地应力和地质构造的改变，导致隧道围岩水平应力的不同，从而岩体能量的积累与释放方式也随之发生变化，成为频频出现的塌方和衬砌变形过大等事故的诱因之一。因此，对于不同水平应力作用下的围岩的应力状态和隧道位移变化的研究显得尤为必要。
2、隧道稳定性的判定
围岩稳定性评价一般采用定性评价与定量评价相结合的方法进行。定性评价是根据工程设计要求对洞址区的工程地质条件进行综合分析，并按一定的标准和原则对洞室围岩进行分类和分段，找出可能失稳的部位、破坏形式及其主要影响因素。定量评价是根据一定的判据对围岩进行稳定性定量计算。
2.1 围岩稳定性的定性评价
围岩稳定性不仅取决于岩体本身性质及其所处的天然应力、地下水等地质环境条件，还与隧洞规模、断面形状及施工方法等工程因素密切相关。因此，隧洞围岩的失稳破坏实际上是这些因素综合影响的结果。对一般埋深和规模不大的隧洞。围岩的破坏与失稳总是发生在围岩强度薄弱部位，不稳定的地质标志较为明显。通常能够通过一般地质调查工作予以查明。但对埋深和规模较大的隧洞，由于围岩应力的作用明显增大，不稳定的地质因素较为复杂，围岩稳定性的研究与评价也较为困难和复杂。如非线弹性问题、弹塑性问题和流变问题等，都可能在这类洞室中出现。
大量的实践经验表明，一般地下洞室围岩的失稳与破坏通常发生在下列部位：（1）破碎松散岩体或软弱岩类分布区，包括岩体中的风化和构造破碎带以及力学强度低、遇水易软化、膨胀崩解的粘土质岩类分布区；（2）碎裂结构岩体及半坚硬层状结构岩体分布区；（3）坚硬块状及厚层状岩体中，在多组软弱结构面切割并在洞壁上构成不稳定分离体的部位；（4）洞室中应力急剧集中的部位，如洞室间的岩柱和洞室形状急剧变化的部位，常易产生应力型破坏【26】。
以上这些部位通常是围岩失稳的部位，对于深埋地下洞室，特别是在高地应力场区及有地下水活动的情况下，最容易形成大规模的破坏。
2.2 围岩稳定性的定量评价
定量评价是根据一定的判据对围岩进行稳定性定量计算。因此，围岩稳定性的定量评价问题实际上就是选取合理围岩稳定判据的问题。在分析围岩稳定性时，各类计算理论一般都采用了屈服准则。但一点的屈服并不意味着围岩承载能力的丧失，屈服区不一定就是破坏区，因此目前的设计理论一般只能对围岩的应力状态作描述性判断，而不能做出供设计采用的判断结论。从国内外有关围岩稳定性判据的规范可以看出：大多数标准均是以定性的方式给出的，部分定量指标的给出，通常也是根据经验和统计资料得出。目前已有的围岩稳定判别方法较多，可以大体归纳为以下4类：
（1）围岩强度判据：该判据在隧道地下结构围岩稳定性的数值分析中得到广泛应用，其理论基础是强度破坏理论，如Drucker-Prager准则，即在低约束压力条件下，当岩体内某斜截面的剪应力超过破坏理论规定的滑动界限范围时，岩体就发生剪切极限破坏【3】。
3、有限元模拟
3.1基本假定
本文重点是分析轴向压力一定的情况下，不同侧压力对隧道围岩稳定性的影响。对于一些复杂的因素暂时未作考虑，并结合现有岩土工程领域数值模拟的通用方法，作出了以下假设【10】：
（1）假定岩体为均质连续体，不考虑岩体中节理裂隙的方向和发育。
（2）不考虑施工过程中的爆破影响。爆破对破碎岩层影响较大，对节理裂隙不发育的岩体影响不大。
（3）地层各层之间界面假定为水平面。
（4）忽略地质构造应力，用自重应力场来代表初始地应力场。
（5）未考虑超前辅助施工支护对围岩应力场的影响。本文主要研究的是开挖后二次应力场，且事实上当隧道拱顶位于中、微风化岩层中时，不用设超前辅助施工支护。
（6）未考虑地下水的影响，隧道位于无承压水且拱顶有弱透水层的岩层中，少量裂隙水的流失对应力场的影响不大，但对于裂隙发育，渗水量大且拱顶上覆土渗透系数大时，影响较大。
3.2 建模过程
（1）定义材料属性
设定模型隧道周围岩石类型为石灰岩，这种岩石抗拉强为3.9Mpa～196Mpa，抗拉强度为1.0Mpa～6.9Mpa。在该模型中，取石灰岩的抗压强度为13Mpa，即为软质岩，抗拉强度取1.3Mpa【11】。
设定该隧道模型围岩为Ⅳ类围岩，围岩的各项参数依据《铁路隧道设计规范》（TB10003—99）围岩分级中的Ⅳ类围岩的参数进行选取【44】。
（2）定义隧道模型类型与尺寸
随着经济的发展，我国地下工程也得到飞速发展，在当前国内隧道建设过程中，绝大多数隧道采用马蹄形作为隧洞断面形状【12】。因此，本文采用马蹄形作为隧道模型断面形状，来分析侧压力对隧道稳定性的影响。
研究表明，地下洞室的开挖仅在洞周距洞室中心点3—5倍洞径范围内存在实际影响。由于隧道及地下工程结构都属于细长结构物，即隧道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，在其纵向没有位移只有横向发生位移。所以，隧道的力学分析可以采用弹性理论中的平面应变模型进行。
3.3模型加载和约束
对于该模型，在y方向（轴向），对模型底面施加位移约束；在x方向（水平），对隧道中间面施加位移约束；在z方向，对隧道前后面施加位移约束。在模型中设定隧道埋深为80m，故施加在隧道模型顶部的外荷载应力为 =1.92Mpa。在隧道x方向面上施加水平应力 （ 为水平应力系数）。本文水平应力系数 分别取0.2，0.6，1.0，1.2，1.6。
4、计算结果
由于隧道模型具有对称性，分析时仅取右侧一半进行分析，通过分析不同水平应力作用下，隧道围岩位移和应力变化，得出不同水平应力作用下隧道的稳定性情况。
4.1 模型第一主应力应力分布规律
图2 围岩第三主应力图
由图可得，当水平应力系数小于1.6时，最大压应力区位于隧道边墙处，当水平应力系数不小于1.6时，最大压应力区位于隧道顶部。最大压应力值为8.18Mpa。
5、结论
本文通过有限元软件对马蹄形断面隧道进行模拟，分析不同侧压力系数作用下隧道稳定性的情况，通过分析得出：
（1）随着水平应力系数的增大，隧道顶部和底部稳定性越来越差，最后会出现剪切破坏现象；而隧道边墙处则稳定性越来越好。
（2）隧道开挖后，隧道断面顶部和底部变形量最大值出现在水平应力系数为0.2时，隧道边墙处最大变化值出现在水平应力系数为1.6时。
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论文作者:田帅
论文发表刊物:《基层建设》2016年2期
论文发表时间:2016/5/31
标签：围岩论文; 隧道论文; 应力论文; 稳定性论文; 力场论文; 水平论文; 判据论文; 《基层建设》2016年2期论文;