不连续岩体中的隧道施工全过程离散单元法仿真研究

吴建文，张恒，孙建春， 林放

(1. 四川工程职业技术学院， 四川 德阳 618000；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)



不连续岩体中的隧道施工全过程离散单元法仿真研究

吴建文1，张恒2，孙建春2， 林放2

(1. 四川工程职业技术学院， 四川 德阳 618000；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

离散单元法是一种特别适用于模拟不连续介质(如节理岩体)的数值方法，但实际操作起来比较困难。如何准确地模拟隧道的开挖和支护的每一个环节对计算结果的可靠性非常关键。本文以贵广铁路斗篷山隧道为工程依托，对隧道开挖、初期支护和二衬施作的全过程进行仿真分析。研究结果表明，围岩变形、初支内力、锚杆轴力等均随围岩破碎程度的提高而增加；初期支护在隧道开挖后对于围岩变形约束和承担荷载起到决定因素，二次支护仅作为永久支护结构，作为安全储备，其内力与初期支护相比较小，但考虑到开挖后围岩物理力学参数降低，岩土体流变性以及初期支护材料的力学性质减弱等原因，不应忽略其作用，应按受力结构进行计算设计。

隧道工程；不连续体；施工过程；离散单元法

在较坚硬的岩体中修建隧道,存在着大量的不连续面,如断层、节理、岩石层面等[1],传统的以连续介质为基础的数值模拟方法(诸如有限元法等)只适合于不连续面数量不多且位移较小的情况。由Cundall于1971年首先提出针对岩石力学中不连续岩体模拟的离散单元法则特别适合于模拟不连续介质问题。它将不连续岩体看成是由离散的岩块以及岩块之间的节理面构成[2-5]。在实际应用离散单元程序UDEC模拟隧道开挖过程中常遇到不少问题。首先，隧道的开挖和支护是一个与空间和时间相关的动态过程。隧道的开挖伴随着空间的变化，开挖过程中应力发生多次重分布。支护结构的施设又与时间密切相关。如何准确地模拟隧道的开挖和支护的每一个环节对计算结果的可靠性非常关键；其次，虽然通过钻孔取样、前期地质调查和隧道施工过程的掌子面地质描述可获得一定的岩石节理的产状和参数，但要将它们移植到计算模型中还有大量的工作要做，因为不可能将每一根节理都考虑进去。而且通过上述手段得到的节理分布只是局部的，而计算模型中也包括岩体内的节理，如何推断岩体内的节理几何分布需要一定的工程地质知识和经验；而且，UDEC是一个二维分析程序而实际的隧道开挖是三维的，如何在UDEC模拟中考虑隧道的空间效应需要一定的技巧[6-9]。本文以贵广铁路斗篷山一级风险隧道为工程依托，通过UDEC的内建FISH语言来实现和调整其应力释放从而模拟三维空间效应，可对隧道开挖、初期支护和二衬施作的全过程进行仿真分析。

1　工程概况

斗篷山隧道为贵(阳)—广(州)高速铁路线上的一座I级风险隧道。全长7 369m，最大埋深470m，最大跨度14m。洞身地质主要以灰岩、白云岩为主，节理较发育，地表溶蚀发育程度强烈，洞内岩溶强烈发育，地下水为岩溶管道水，含水量丰富。Ⅴ级围岩长564m，占全隧总长的7.7%；Ⅳ级围岩长1 540m,占全隧总长的20.8%；Ⅲ级围岩长5 005m，占全隧总长的67.9%；Ⅱ级围岩长130m，占全隧总长的1.8%。隧道区控制性构造为区域性的渔洞山正断层：走向近NW向，全长达29.5km，大致在于线路进口端左侧200m外与线路基本平行通过，未与线路相交。构造节理一般3～4条/m，局部地段6～8条/m。在向斜轴部和穹窿顶，因长期的缓慢抬升隆起的过程中形成走向节理，以及沿倾向上的横张节理。两组节理，均以高倾角为主一组N50o～70oE，另一组是N40o～50oW，贯通性好、延伸远，节理面闭合～微张开型，见方解石脉和黏土充填，岩体在这套共轭节理的切割下呈块状。区域性断层对岩体的破坏非常严重，在靠近断层的地段，岩体较破碎～破碎，节理发育密集，能够见到与断层走向大致垂直的破劈理带，反映了硬质岩中局部存在规模不一的构造挤压破碎带。

2　计算模型的建立和参数的确定

2.1模型建立及工况设定

3种工况隧道为Ⅳ级围岩，存在两组不连续面，两组不连续面倾向相反，走向与隧洞走向相近。隧道的跨度为13.46m，高度为12.4m，针对贵广铁路双线隧道IV、V级围岩断面结构尺寸试验开发了基于专项精细爆破设计和专用悬臂拼装式多功能台架的微台阶开挖工法，实现了上下导坑同步钻眼、装药，同时起爆，同时出碴，上下台阶部分工序平行作业。数值模拟的模型尺寸为宽90m，高110m。为充分掌握该支护结构设计对整个地段的适用性，针对不连续面的倾角和间距的变化分3个工况来考虑。不同工况的节理设定如图1和表1所示，模型尺寸及边界条件如图2所示，隧道支护设计如图3所示。左右边界控制水平位移，底边界控制水平与竖向位移，同时施加边界应力。原点坐标在拱顶处，同时忽略该断面表层坡积层土，由于断层附近两种岩体力学性质接近，出于简化计算的目的，这里整个模型设置为一种材料进行模拟。

(a)工况1; (b)工况2;(c)工况3图1　不同工况模型图Fig.1 Model diagram in different conditions

工况节理面一倾角(°)节理面二倾角(°)断层面倾角(°)节理面一间距/m节理面二间距/m工况10-65无14工况20-65无12工况30-65-7512

2.2计算参数的确定

根据现场地应力测试结果，计算模型中的水平侧压力系数为0.8。相对于节理，岩石材料的强度极高，破坏主要表现在节理的破坏，因此计算中岩石材料被视为弹性材料处理，地层参数见表2和表3。初期支护采用锚杆和钢支撑，其计算参数分别列于表4和表5中；二衬参数见表6。隧洞的开挖和支护是一个与时间和空间相关的动态过程，同时岩体具有一定的流变特性，开挖荷载的释放是与隧道开挖所造成的空间(所考虑断面离掌子面的距离)及时间(包括施工进度及岩体流变效应)密切相关的，它的精确确定有一定的难度。本检算结合本工程的具体施工情况，并参考其它工程的经验，认为隧道开挖后、锚喷初期支护前释放30%的开挖荷载，锚杆、钢支撑施工后二衬施加前释放另外的60%开挖荷载，二衬施加后释放剩下的10%开挖荷载。

表2　地层数值计算参数

表3　节理及断层计算参数

表4　系统锚杆计算参数

表5　钢支撑计算参数

表6　模筑混凝土计算参数

3　计算结果分析

3.1支护条件下隧道开挖围岩变形

通过计算3种工况下，隧道开挖后初期支护前都表现为，拱顶和拱底位移较大，隧道开挖后初期支护前(即释放30%初始应力)隧道拱顶位移最大，工况1为5.4mm，工况2为5.8mm，工况3为6.5mm。隧道初期支护后二衬施作前(即释放60%初始应力)隧道围岩的大部分位移都是发生在这个阶段，工况一最大位移达到16.4mm，工况2为17.1mm，工况3为17.7mm。二衬施作后，随着最后10%初始应力的释放，工况1最大位移增大到16.9mm，工况2为18.6mm,工况3为19.3mm，二衬施作后隧道围岩最终变形如图2所示。

3.2隧道开挖后主应力分布

图3～图5为3种工况下隧道开挖施工不同阶段隧道围岩主应力分布。由于3种工况下都表现为拱顶和拱底的位移较大，所以拱顶和拱底的应力也释放得多，应力值较小，拱腰处的位移较小，主应力较大，隧道开挖后初期支护前隧道拱腰处应力最大，拱顶拱底处应力较小；隧道初期支护后二衬施作前随着围岩的继续变形，隧道断面周围的应力进一步加大；二衬施作后，随着最后10%初始应力的释放，应力还有略微的增加。立体交叉隧道施工过程中，受新建隧道开挖的影响，既有隧道拱顶沉降和喷射混凝土轴力均有增大的趋势，且随立体交叉隧道岩柱高度和交叉角度增大，围岩条件变差，拱顶沉降增大的趋势越明显，可见既有隧道拱顶沉降是立体交叉隧道施工中最为敏感的物理量，设计和施工过程中可作为影响程度评定的重要指标。与此同时，既有隧道喷射混凝土轴力对交叉角度的变化相对更为敏感，交叉角度增大时，既有隧道喷射混凝土轴力增加增大明显。

图2　二衬施作后不同工况下的围岩变形Fig.2 Surrounding rock deformation under different conditions after secondary lining

图3　隧道开挖后初期支护前主应力图Fig.3 Principal stress after tunnel excavation before primary support

图4　初期支护后二衬施作前主应力图Fig.4 Principal stress after primary support before secondary lining

图5　二衬施作后主应力图Fig.5 Principal stress after secondary lining

3.3隧道开挖后锚杆轴力分布

图6为锚杆单元编号(逆时针从1号到21号)，从图9可以看出3种工况下锚杆轴力并不是均匀分部，轴力的大小与围岩的节理情况有关，初期支护后二衬施作前，这个阶段围岩变形最大，锚杆的轴力也主要发生在这个阶段；二衬施作后，随着最后10%初始应力的释放，围岩继续变形，锚杆的轴力要比初期支护后二衬前的轴力有稍微的增加。以工况1的cable1为例：在初支后2衬前，轴力为-2.101×105N，在二衬施做后，轴力变为-2.761×105N。与工况1和工况2相比，在隧道开挖、支护、二衬等过程中工况3锚杆的轴力又有一些增加，说明围岩的破碎程度越大锚杆的轴力越大。

3.4二衬后轴力和弯矩分布

图8和图9为隧道开挖施作二衬后二衬的轴力和弯矩图。以工况一为例，二衬的最大轴力仅为9.13×105N，二衬的最大弯矩仅为1.14×105N.m。与工况2和工况3相比二衬的轴力与弯矩相差不大。3种工况下二衬所受到的荷载作用很小，可见二衬结构仅仅作为安全储备。

3.5拱顶下沉计算值与实测值对比

图10为不同工况拱顶位移时程曲线图，从图中可以发现：隧道洞周的位移在支护前变化很快；而大部分位移主要发生在初期支护后二衬支护前；二衬支护后，位移变化很小。通过与图11的拱顶下沉监测值相比较可以看出计算值与实测值相差在15%以内，计算值稍大于实测值，说明离散单元法程序能有效地模拟隧道开挖后围岩的变形情况，对施工进行动态指导。

图6　二衬施作后主应力图Fig.6 Number of bolt element

图7　3种工况下锚杆轴力图Fig.7 Axial force of bolt element in three conditions

图8　二衬轴力图Fig.8 Axial force of secondary lining

图9　二衬弯矩图Fig.9 Bending moment of secondary lining

图10　不同工况隧道拱顶位移时程曲线Fig.10 Displacement and time curve of tunnel vault in different conditions

图11　拱顶下沉监测结果分析图Fig.11 Vault crown settlement

4　结论

1)拱底位移随围岩破碎程度增加而明显增加，在初期支护后，释放位移达90%左右，二衬施作后新增位移量较小。围岩变形、初支内力、锚杆轴力等均随围岩破碎程度的提高而增加。

2)初期支护在隧道开挖后对于围岩变形约束和承担荷载起到决定因素，二次支护仅作为永久支护结构，作为安全储备，其内力与初期支护相比较小，但考虑到开挖后围岩物理力学参数降低，岩土体流变性以及初期支护材料的力学性质减弱等原因，不应忽略其作用，应按受力结构进行计算设计算。

3)模拟计算结果表明该支护结构设计能满足隧洞施工、运营发电及检修期间的支护结构安全和隧洞稳定性要求。

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Simulation study of tunnel construction process in discontinuous rock by discrete element method

WU Jianwen1，ZHANG Heng2，SUN Jianchun2， LIN Fang2

(1.SichuanEngineeringTechnicalCollege，Deyang，6180000China;2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

TheDiscreteElementMethod(DEM)isverifiedtobesuitableforthesimulationofdiscontinuousmedia(e.g.,jointedrockmass),buttheactualoperationismoredifficult.Howtoaccuratelysimulateeveryaspectofthetunnelexcavationandsupportiscriticalforreliabilityoftheresults.BasedonDoupengshantunnelofGuiguangrailway,thewholeprocessoftunnelexcavation,i.e.,primarysupportandsecondaryliningweresimulated.Thestudyshowsthatthesurroundingrockdeformation,internalforceofprimarysupport,andaxialforceofanchorboltareimprovedwithincreasingfragmentationdegreesofsurroundingrock.Theprimarysupportisthedeterminantofconstraintofsurroundingrockdeformationandbearstheloadaftertunnelexcavation.Secondarysupportonlybehavesasapermanentsupportstructureandasafetymargin,anditsinternalforceissmallascomparedtothatoftheprimarysupport.Thedecreasingphysicalandmechanicalparametersofthesurroundingrockexcavation,rheologyofsoilandreducingofmechanicalpropertiesofprimarysupportmaterialweretakenintoaccount.Thesecondaryliningshouldbecalculatedanddesignedasforcestructure.

tunnelengineering;discontinuityrock;constructionprocess;discreteelementmethod

2015-11-19

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU11ZT33)；教育部创新团队发展计划资助项目(IRT0955)

张恒(1985-)，男，贵州铜仁人，博士，讲师，从事隧道及地下工程施工安全性研究；E-mail：tunnelzh@home.swjtu.edu.cn

TU91

A

1672-7029(2016)07-1379-07