1. 引言
随着我国地下工程建设速度的加快, 隧洞在施工的过程中面临的地质条件多种多样, 围岩微裂隙不仅破坏了岩体的整体性, 而且也直接影响洞室围岩的受力及变形破裂方式。文章以贵阳轨道交通1号线下穿贵阳火车站段区间隧道工程为依托, 采用三维有限元软件, 建立有、无围岩微裂隙时岩溶地区隧道的数值模型, 通过计算分析围岩微裂隙对岩溶地区隧道施工的影响, 可为依托工程施工提供数据支持, 也可为贵阳类似工程地质区段的轨道交通建设的提供参考。
2. 计算参数的选择
建立数值模型, 对比分析微裂隙在工程上的具体影响, 建模参数如表1所示。
3. 围岩应力场计算结果与分析
图1和图2分别为有、无微裂隙时白云岩围岩在水平方向及竖直方向的应力云图。
图1中水平方向的应力计算结果表明:无微裂隙存在时, 隧道周围X方向应力值为-133.1k Pa, X方向应力最大值为-261.1k Pa;当岩体存在微裂隙时, 隧道周围X方向应力值为-132.1k Pa, X方向应力最大值为-261.0k Pa。因此, 岩体存在微裂隙时对整个模型的X方向应力分布影响很小。
图2中竖直方向的应力计算结果表明:无微裂隙存在时, 隧道拱顶的压应力为213.2k Pa, 拱底的压应力为313.4k Pa;当岩体存在微裂隙时, 隧道拱顶的压应力为199.0k Pa, 拱底的压应力为292.1k Pa。因此, 岩体存在的微裂隙会减小拱顶拱底所受到的竖直方向的压应力, 减小幅度分别为6.6%、6.7%。
综上所述, 微裂隙的存在会减少隧道顶部和拱部在竖直方向所受到的压应力, 但减小幅度较小, 减小幅度为6%左右;微裂隙的存在对于隧道在水平方向所受到的压应力并没有太大影响。可以认为, 微裂隙的存在只会对索道顶部和拱部竖直方向应力的分布产生明显影响, 即会较明显地减少隧道顶部和拱部竖直方向的应力, 而对隧道周边其他应力分布影响很小。
4. 围岩位移场计算结果与分析
位移计算结果表明:无微裂隙时, 隧道左侧X方向的位移为-0.0194mm, 隧道右侧有X方向0.0194mm的位移;微裂隙存在时, 隧道左侧X方向的位移为-0.0206mm, 隧道右侧有X方向0.0206mm的位移。这表明了微裂隙存在会使得隧道左右两侧在X方向的位移增大。无微裂隙时, 隧道拱顶的最大位移下沉值为0.148mm, 隧道拱底的最大隆起位移为0.137mm, 隧道正上方地表出最大沉降为0.0532mm;微裂隙存在时, 隧道拱顶的最大位移下沉值为0.166mm, 隧道拱底的最大隆起位移为0.163mm, 隧道正上方地表出最大沉降为0.0561mm。这表明了微裂隙的存在会使隧道在竖直方向上的位移增大, 同时也会使地表沉降变大。
由此可见, 微裂隙的存在会改变隧道围岩及地表位移场分布, 使位移增大。
5. 衬砌应力场计算结果与分析
通过分析有、无微裂隙时衬砌的最大主应力σ1和最小主应力σ3值, 结果表明:无微裂隙存在时候, 隧道衬砌两侧出现最大压应力, 其值为0.435MPa, 在隧道衬砌底部出现最大拉应力, 其值为0.326MPa;当微裂隙存在时, 最大压应力也出现在隧道衬砌的两侧, 其值为0.684MPa, 最大拉应力出现在隧道衬砌的底部及1号衬砌的两侧, 其值为0.425MPa。可以看出, 微裂隙的存在会增大隧道衬砌上的应力, 并且其增长值较大, 可以达到54.5%, 这会对衬砌的稳定性产生不良影响。
6. 衬砌纵向弯矩计算结果与分析
衬砌纵向弯矩计算结果表明:无微裂隙存在时, 隧道衬砌的拱顶出现最大正弯矩, 其值为2.478k N·m, 在隧道衬砌的两侧出现最大负弯矩, 其值为-8.738k N·m;当微裂隙存在时, 最大正弯矩也出现在隧道衬砌的拱顶部位, 其值为4.76k N·m。最大负弯矩也出现在隧道的两侧, 其值为-16.11k N·m。可以看出, 微裂隙的存在会增大隧道衬砌所受的弯矩, 增加幅度可以达到77.5%, 这对隧道衬砌的稳定性会产生不利的影响。
7. 隧道锚杆轴力计算结果与分析
隧道锚杆轴力计算结果表明:无微裂隙存在时, 锚杆最大拉力出现在隧道顶部锚杆, 其值为0.875k N, 锚杆最大压力出现在隧道两侧中部锚杆, 其值为-0.018k N;当存在微裂隙时, 锚杆最大拉力也出现在隧道顶部锚杆, 其值为1.856k N, 锚杆最大压力也出现在隧道两侧的中部锚杆, 其值为-0.026k N。可以看出, 微裂隙的存在会增大隧道锚杆的轴力, 隧道锚杆所受到的拉力和压力都会增大, 锚杆所受压力涨幅可达44.4%, 锚杆所受拉力最大涨幅可高达112.1%。这对于隧道锚杆的稳定性会产生非常大的影响。
8. 结论
从以上分析可以得出:若岩土体中存在微裂隙, 这会对隧道周边的应力场产生一定的影响, 能够减小隧道所受到的竖直压力, 但对于隧道所受到的水平压力则没有太大影响。同时, 微裂隙的存在也会改变隧道周边位移场的分布, 使隧道附近的位移及隧道上方的地表位移增大。其次, 微裂隙的存在还会较大地增大隧道衬砌结构上的应力水平和增大隧道衬砌结构上的弯矩内力。最后, 微裂隙的存在还会明显增大隧道锚杆的轴力。因此, 微裂隙的存在对隧道和隧道衬砌以及隧道锚杆的稳定均会产生比较大的不利影响, 在实际工程中应采取一定的措施以提高工程的安全系数。
摘要：以贵阳轨道交通1号线下穿贵阳火车站段区间隧道工程为研究对象, 采用三维有限元软件, 建立了受围岩微裂隙影响的隧洞数值模型, 通过对隧洞围岩有无微裂隙时围岩的应力、位移及衬砌应力场等方面的对比分析, 结果表明:微裂隙的存在, 会使隧道上覆岩体层的位移增大, 同时促使隧道衬砌结构的应力及弯矩增大, 锚杆的轴力也显著变大。建议在实际工程中, 应谨慎对待围岩含微裂隙时的岩溶隧道施工, 并采取可靠的措施以提高工程安全系数, 保障施工安全。
关键词：隧道工程,白云岩,微裂隙,岩溶隧道,施工,数值模拟
参考文献
[1] 梁为民, 杨小林, 战军, 等.溶洞对隧道爆破开挖影响的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报, 2006 (04) :452-455.
[2] 刘志春.裂隙岩体隧道与地下水环境相互作用机理及控制技术研究[D].北京交通大学, 2015.
[3] 刘再华, 岩溶作用动力学与环境[M].地质出版社, 2007
[4] 叶英.岩溶隧道施工超前地质预报方法研究[D].北京交通大学2006
[5] 陈成宗, 何发亮主编, 隧道工程地质与声波探测技术[M].西南交通大学出版社, 2005
[6] 张占荣.裂隙岩体变形特性研究[D].中国科学院研究生院 (武汉岩土力学研究所) 2010
[7] 李术才, 韩建新, 仝兴华, 李树忱, 张永伟.随机分布贯穿裂隙岩体变形特性研究[J].岩土力学.2012 (09)