动静载作用下隧道及周围岩土体响应分析

闫立来

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

随着我国经济社会的发展和铁路系统规划布局的完善，越来越多的山岭地区逐渐开始建设公路隧道.隧道建设当中除面临复杂的地质与水文条件以外，还潜在承受诸如人工爆破、地震、机械设备开挖等动载作用，威胁隧道安全[1-3].经过长期的研究发现，隧道在动载作用下拱顶和拱底的水平应力将会增加，隧道围岩塑性区也将显著增大并且之前岩土体的应力状态将明显得到改变，极易引起隧道整体或局部失稳破坏[4-6].高富强等[7]通过运用FLAC数值模拟软件对深部巷道的围岩动态响应进行了分析，得出了动载会扩大巷道围岩塑性区及增大底板应力以至达到极高应力状态.唐益群等[8]基于有限元软件，对隧道周围岩土体在振动荷载下的变形进行分析，并结合实测数据为预测沉降和地铁安全运营提供参考，等等.

云湖2号隧道地处四川地区，长期承受地质灾害等作用，研究该隧道在动静载作用下的响应特性对于分析隧道的安全具有重要意义.本文主要利用FLAC3D数值模拟软件并重点对隧道在动静载作用下的位移和塑性区进行分析，探讨动静载作用下隧道围岩的变形和稳定性特点，可为同等或相似条件下隧道工程的设计和施工提供参考和借鉴.

1 数值模型

1.1 模型建立及参数选取

云湖2号隧道穿越通过绵远河左岸山体，山脊走向近于南北向，地形陡峭，地形上是一沿着绵远河走向的山体.隧道进出口处下段地形较陡，地形坡度45°～55°，为岩质陡坡，局部接近于直立，上段地形坡度相对较缓，坡度35°～45°.由于受到构造作用影响，导致山脊高耸.隧道穿越山脊顶部最高高程为1973.9m，岭谷相对高差达1153.9m，隧道进口绵远河河床高程820m，属于典型的中山构造剥蚀地貌特征.图1所示为隧道纵断面图.

图1 隧道纵断面图

本文以云湖2号隧道为标准模型进行建模，该隧道断面由圆弧和椭圆弧组成，其内部断面高度最大为8.3m，宽度最大为10.6m，详见图2.如图3所示，考虑到地下工程的一般开挖影响范围为3～5b(b为洞室内径)，故在实际建模过程中尺寸取60m(x轴)×60m(y轴)×40m(z轴)，以消除开挖影响.隧道建设区位于映秀至北川主干断裂带，加上受5.12大地震影响，地质构造作用强烈且岩体破碎，本文以K14+310断面为研究截面，该段岩性为Ⅴ级围岩，具体岩体物理力学参数如表1所示.

表1 岩体的物理力学指标

表2 喷射混凝土和锚杆的力学参数

该隧道在施工过程中，采用锚杆、钢筋网和钢拱架及二衬联合支护形式，喷射混凝土采用C20标号，拱墙喷射厚度为24cm，仰拱喷射厚度为45cm.施工过程中采用φ25mm注浆锚杆，锚杆采用梅花形布置，间距为750mm(环向)×1000mm(纵向)；钢筋网直径为φ8mm，网格尺寸为200mm×200mm，单层布置；钢拱架选用I18，纵向间距为1000mm，实际模拟中将钢筋网和钢拱架的弹性模量折算到混凝土中，混凝土与围岩之间设置有接触面.由于本文主要模拟隧道在动载作用下的响应，故对静载下的建模做了简化处理.表2为喷射混凝土和锚杆的力学参数.

1.2 模型边界条件

模型建立考虑到上覆岩层的垂直应力影响，在模型上边界施加有3.0MPa的垂直应力，其他边界均采用位移约束，且整个模型采用mohr-coulomb本构模型.远处动力源产生的冲击波在传播的过程中会逐渐衰减成压缩波，最后变成平面波.在该模型中，为了模拟远处动力源产生的动载对隧道的影响，参照文献[7]在模型底部施加平面波，具体如图4所示.与此同时，为了真实地模拟模型中的应力波的传播，除模型底部边界外，其他边界均设置为粘滞吸收边界.

图4 应力波时程曲线

2 静载作用下响应分析

地下工程在施工的过程中，一般会在关键位置布设相应数目的监测设备，主要包括位移监控和应力监控，以此来准确把握和解决施工过程中的紧急问题.如图2所示，云湖2号隧道施工过程中，对隧道拱顶位移和两侧拱墙水平收敛位移进行监测，通过收集、处理和分析数据并采用相应措施保证隧道施工整个过程安全进行.

图5 现场监测位移时程曲线

如图5所示，为云湖隧道现场监测时间-位移时程曲线，整个监测过程持续40天，每个测点收集到20组监测数据.由图可知，在初期位移近似线性增长，之后逐渐缓慢增长并最终保持相对稳定.以拱顶沉降为例，在0～7天沉降基本保持2.6mm/d的速率，从第8天开始位移变化逐渐缓慢，并在20天前后基本趋于稳定，最终拱顶沉降和水平收敛位移分别为24.78mm和16.43mm.将数值模拟监测到的位移导出，得到如图6所示，位移曲线所表现的规律与现场监测基本一致，且由表3可知，两者最终稳定位移值误差均控制在4.0%以内，说明数值模拟过程的准确性和可靠性.

图6 数值模拟位移时程曲线

表3 各测点数据对比

3 动载作用下响应分析

3.1 动载作用下位移变化

隧道拱顶及拱底位移变化对分析隧道的稳定性具有重要意义，如图7所示，将隧道拱顶及拱底的位移提取出来，取向隧道中心方向为正，反之为负.由图可知，动载作用下拱底向上隆起，且在0～50ms内增长迅速，这是因为平面波在该时间段内穿过隧道底部，对隧道底部产生冲击作用.观察拱顶位移可以发现，静载时拱底和拱顶位移分别为27.94mm和25.12mm，在动载作用下拱顶位移开始向上走动，这是由于隧道内衬砌形成拱效应，在平面波冲击隧道底部仰拱时，同时对拱墙形成冲击，造成拱顶位移回缩.最终拱底和拱顶位移分别为90.12mm和5.26mm，相对于静载时分别增大和减小了2.26倍和0.79倍，说明动载对隧道的位移尤其是对拱底位移产生较大影响，隧道的安全受到威胁，故在设计和使用时应该考虑动载所产生的影响，保证隧道在动载作用下的稳定性.

图7 动载作用下位移时程曲线

3.2 动载作用下隧道周围塑性区变化

(a)静态 (b)10ms

(c)38ms (d)40ms

(e)50ms (f)60ms

分析动载作用下隧道周围岩体的塑性区变化有利于掌握其受力情况及变化规律，判断隧道的稳定性及安全性.模型整个计算时长为200ms，在60ms时塑性区基本达到稳定，如图8所示，分别提取了静态和动载10ms、38ms、40ms、50ms以及60ms的塑性区图进行分析.由图8(a)可知，静态时，除隧道周围局部区域受剪外，其他区域均未受力；在10ms时，隧道仰拱下部出现新的受剪区域，但变化不明显，说明岩体整体稳定性仍较好；在38ms时，仰拱下部剪切屈服区不断扩大，说明此时应力波已逐渐靠近拱底；在40ms时，塑性区较40ms时继续向上走动，此时仰拱下部开始出现拉剪区域，原先拱底正下方未扰动的区域均开始产生拉剪屈服；随着时间的推移，由8(e)可知，50ms时除拱顶上侧岩体以外，整个隧道周围拉剪屈服和剪切屈服范围均得到扩大，并不断出现新的拉剪区；60ms时，岩体塑性区基本维持稳定，但从分布来看，隧道岩体周围3.5m范围内已发生大面积不同程度的屈服，尤其在仰拱下方更为明显，这对隧道的稳定性来说是及其不利的，也说明动载对隧道稳定性的影响应给予充分重视.

4 结论

利用FLAC3D数值模拟方法，建立了云湖2号隧道在动载作用下的模型，并基于现场监测数据，分析了其在动静载作用下的位移及塑性区变化规律，得到以下结论：

(1)由数值模拟监测结果与工程现场监测结果对比分析可知，数值模拟与现场监测结果相近，说明该模拟正确可靠.

(2)动载下隧道拱底和拱顶位移变化明显，分别为90.12mm和5.26mm，相对于静载时分别增大和减小2.26倍和0.79倍，对隧道稳定产生不利影响.

(3)动载对隧道围岩塑性区影响显著，随着动荷的传递，隧道周围3.5m范围内逐渐出现新的剪切破坏和拉剪破坏，并主要发生在拱底下部位置，隧道的稳定性受到威胁.