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1、6 8 4 2 0 0 6 年中国交通土连I 程学术论文集 【摘要】 【关t 词】 隧道破碎带开挖支护的数值模拟研究 孟云伟1 2 柴贺军1 重庆交通科研设计院重庆4 0 0 0 6 7 2 重庆交通学院重庆4 0 0 0 7 4 用颗粒离散元对隧道破碎带开挖引起的围岩稳定性进行了模拟，建立了无衬砌支护和有衬 砌支护两种模型，比较围岩位移和隧道断面附近区域拉应力变化的不同，评价支护结构的 效果。 颗粒离散元村砌位移拉应力 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nS t u d yo nE x c a v a t i o na n dT i m b e r i n
2、 gi n F r a g m e n tS t r i po fT u n n e l A b s t r a c t ：T h es t a b i l i t yo fw a l lr o c kb e c a u s eo fe x c a v a t i o ni nf r a g m e n ts t r i pi sm o d e l e db yp a r t i c l ef l o w c o d e 2m o d e l ，n ol i n e ra n dl i n e r , a r ef o r r a e d T h ed i f f e r e n c e sb
3、 e t w e e nd i s p l a c e m e n ta n dt e n s i o nS t r e s so fw a l l r o c ka r ec o m p a r e d T h ee f f e c to fl i n e rs t r u c t u r ei se s t i m a t e d K e yw o r d s ：p a r t i c l ef l o wo o d e ，l i n e r ，d i s p l a c e m e n t ，t e n s i o nS U t S S 1 引言 断层破碎带地带的开挖及衬砌工作往往在工程
4、中是重要环节，如何开挖并在开挖后及时进行衬砌支 护关系到隧道的整体稳定性。通常，检验衬砌支护效果可在断面处埋设位移观测点，使用仪器对这些点 进行径向变形的记录，但对于因开挖造成的隧道影响范围内的应力的状况则不容易检测。本文用颗粒离 散元程序P F C 2 0 对破碎带开挖有无衬砌两种情况下的位移场及应力进行模拟，判断衬砌支护后，隧道断 面附近应力，尤其是拉应力是否趋于稳定，以便评价支护效果。 2 工程地质概况 某隧道隧址区位于川鄂湘黔建褶带万县弧形构造带，隧道轴线穿越地层有保罗系下统珍珠冲组 ( J z h ) 、三叠系上统须家河组( T 3 司) 、中统巴东组( T 2 b ) 、下统嘉陵江
5、组( T d ) 大冶组( T l d ) ，主 要岩性为砂岩、泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩、钙质泥岩、泥灰岩和灰岩，地质构造复杂。方斗山背 斜中部南东翼有茨竹垭正断层( F t 8 ) ，在F t a 中，断层破碎带较宽，据钻孔资料揭露，此破碎带岩体 破碎，产状混乱，局部见层角砾岩，角砾大小混杂，粒径O 2 2 0c m ，呈棱角状、次棱角状，成分 为灰岩、泥岩。破碎带隧道埋深2 1 2 1 2m 。根据文献i t 】公路隧道设计规范，破碎带的围岩分 类归为V 类。 隧址区属地质构造影响较重区域，区内以构造节理为主，并见少量风化、卸荷裂隙。构造节理 的发育情况，医不同的地层和背斜的不同部位丽不同
6、。根据勘探资料，本文要研究的破碎带主要发 隧道6 8 5 一 育以下3 组节理： J 1 ：走向N 1 4 。4 0 。W ，倾向S W ，倾角多在4 2 。7 9 。裂隙平直，裂面较粗糙，无填充，具锈蚀。 量闭合微张，节理间距0 0 3 4 i n ，延展长度2 5 m 。 J 2 ：走向N 4 4 。7 5 0 W ，倾向N E ，倾角多在4 8 。6 8 。裂隙平直，裂面较粗糙，大多无填充，局 部泥土填充，节理间距0 0 2 8 t T l ，走向延伸长度0 3 1 5 m 。 J 3 ：走向N 2 5 0 3 5 。E ，倾向W N ，倾角多在4 8 。5 6 。裂隙平直，裂面较粗糙，
7、闭合张开，裂 隙宽度o 4c m ，局部泥土填充，节理间距o 3 t m ，走向延伸长度t 2 t o m 。 3 模型及计算参数的确定 3 1 颗粒离散元方法基本原理。 在颗粒离散元方法P F C 2 0 中，视物质都是由具有剐度的圆形颗粒组成的。对每个颗粒设定半径、 密度、摩擦系数、接触形式等参数，整体达到平衡后，在外力作用下，颗粒间将产生位移，引起应力 的变化。在这个过程中，对每个颗粒应用牛顿第二定律，在颗粒接触处应用力位移定律。牛顿第 二定律确定每个颗粒由于接触或体力引起的颗粒运动，雨力位移定律用来夏新接触力，接触力是 随着接触处产生相对运动而时刻变化的。这两个定律在计算过程中交替使用
8、，直至整体达到新的平衡。 颗粒离散元自从2 0 世纪末创建以来- 在岩土工程中得到了重要的应用9 “1 ，是研究非线性材料的有 利工具。 3 2 力学模型及参数的选取 颗粒离散元法是针对不连续节理岩体提出的，在用P F C 2 0 进行模拟的过程中，为了使模拟结果可信 度更高，首先应开展试算工作，即找出拟用参数与室内试验得到的参数间的对应关系。通过多次试算， 认为选取下列参数是可行的，见表l 。 v 鞯 衰1 计算模型力学参散 参数名称上下部岩体破碎带 隧道区域 r a d ( m ) 0 6 5 25O ，8 2 60 佻一O 1 2 1 13 0 05 6 025 0 0 d e n s3
9、9 0 037 0 037 0 0 f r l cO 。80 。80 4 k s = k n ( N m ) 5 l o s5 1 0 s3 1 0 s s b o n d = n _ b o n d ( N ) 5 1 0 42 1 0 62 1 0 6 曲一k n = p b k s ( N m ) 1 1 0 s0 0 p b _ n = p b _ s ( N m ) 5 1 0 50O 注：m d - 薏舡丰径d e n s 一曩粗毫度f r i c 曩拉摩肆蠢缸n 蝴p 曩越敖茸，k n 曩拉涣向州虎k s - 囊拉扔向刖度n _ b o u d - 榭 建徭法向强度sb o n
10、d 甚鼍建捶切由疆度p b _ k s - 平行连接切向哪度p b _ k n - 平抒连徭洼向耐度，p b s _ 平行连接切向 强度，p b n 平抒连徭法由强度。 结合勘察资料，节理共设置6 组( 见图1 ) ，虚线表示节理。节理的连续度定义为在节理所 在的真线段上，贯通的节理段的总长度与定义的节理的总长度之比。这里，取节理的连续度为 0 8 0 9 。 6 “ 8 62 0 0 6 年中国交通土建I 程学术论文集 圈1 破碎带节理分布 以此建立的力学模型见图2 及图3 。模型高2 0 0m ，宽度为1 5 0m 。破碎带以上覆盖有较厚的岩层。 本文主要考虑破碎带，因此未对上下部岩体施加
11、节理。在图3 中，破碎带的颗粒间接触是相对少的，这 样可以比较真实地反映研究地带岩体的离散性。 圈2 整体模型圈 4 计算结果分析 圈3 颗粒间的接触 4 1 隧道开挖即时状态 考虑隧道施工的实际情况9 1 ，隧道断面上部为半径5r i l 的半圆，下部为半径1 3m 的一段圆弧。假 定断面一次挖成。刚开挖隧道区域颗粒间的接触见图4 。这时围岩中是不存在拉应力的。下面我们将以 此为基点，分别研究无衬砌和有衬砌两种工况下的围岩稳定性。对衬砌效果进行评价。 在以下的计算过程中，接触力、位移均是以时步( s t e p ) 为计算单元的，由于是静态分析，这里的 s t e p 与真实的时间是存在差别
12、的，但是s t e p 数的多少与时间的长短是近乎正比例关系的，因此可以从接 触力和位移与时步的关系中近似得到两者随时间变化的特点。 4 2 隧道无支护 以图4 为基础，运行2 0 0 时步后得到颗粒接触力如图5 所示。我们可以看出，由于开挖，隧道断面 隧道6 8 “ 7 - 附近出现了较大区域的拉应力，上部和下部分布较多，数值较大，而两侧较小所有的拉应力出现在隧 道边界约5m 的范围内，这就是在这一阶段隧道开挖的影响范围。随着时步的继续增加，拉应力的数值 和范围还将扩大。 囤4 隧道开挖刚完或时的颗粒接触力图5 无村硼时颗粒连接接触力 图6 为隧道区域的位移场示意图，可见，上部及两侧的位移较
13、大，说明这些位置受开挖的影响大 而底部较小。位移最大值发生在拱顶至右侧拱腰的中间位置，其值达到3 0 6 B c m 。 膪6 无衬翻时开挖引起的位移墒 4 3 隧道有支护 鉴于直接开挖不采取支护措施将引起以上所述的围岩不稳定现象，在实际工程中应在开挖后尽可能 短的时间内进行支护工作。在这项数值模拟中，采取了两种支护措施：支护衬砌层厚度0 6 m ，采用接 触联结；锚杆7 根，分别在与x 轴正方向成3 0 。、7 0 。、8 0 。、9 0 。、1 0 0 。、1 1 0 。和1 5 0 。，布置长3 5m 的 锚杆，参数设置见表2 。分别做了开挖l O 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0
14、 、8 0 、I ( 3 0 时步才开始衬砌的模拟，得到了 一些结论。现在选择2 0 时步为代表来说明问题，开挖2 0 时步后形成的模型及计算结果见图7 图9 。 囊2 衬翻支护结构的力学参数 参数名称村砌锚杆 t a d ( m ) O 0 8 0 1 2O 0 2 5 d e n s38 0 039 0 0 k s = k n ( N m ) I 1 0 51 1 0 3 s b o n d = 1 1 _ b o n d ( N ) I 10 ， I 1 0 1 0 p b _ k n = p b _ k s ( N l m 3 ) 0 lx 1 0 1 5 p b _ n = p bs
15、 ( N m ) OIx 1 0 1 5 注：表中誊甚惠艾羁袁l 。 ，6 8 8 2 0 0 6 年中国交通土建I 程学术论文集 - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ I _ _ - _ _ l _ _ I _ l _ - - _ _ _ _ l _ _ - _ - l _ _ _ l - _ _ - - _ l _ _ r o l lI _ - - 圈7 采甩锚杆和村翻后的麓道蠲8 进行树砌和锚轩加嗣后的接麓力冒 羲 豳9 进行衬翻和锚杆加固后的位移塌 由于无法在开挖时就对危岩衬砌和锚固，因此开挖与支护总是存在着一定的时间间隔。在模拟过程 中，这点体现在支护之前，危岩在自
16、重作用下发生径向位移和拉应力的发展。从图8 中可以看出，进行 衬砌及锚杆加固后，经过长时间的观测，圄岩带的拉应力已经不再增加，说明衬砌结构及锚杆与围岩形 成了一个稳定的整体。图9 中显示围岩中仍存在位移，但从下列位移记录中可以发现这种位移已经达到 了稳定。 左右拱底与拱腰的变形具有对称性，我们记录在支护完毕后运行若干时步的过程中，拱顶、左拱腰、 左拱底的位置，以此得到相应的位移来说明支护前后隧道围岩的变形。图l O W 图1 2 分别显示了拱顶的 竖向位置及左拱腰、左拱底的水平位置。 图1 0 拱顶竖向位置曲蛙圈1 1 左拱腰水平位置曲线 隧道6 8 9 圈1 2 左拱底水平位置曲坟 拱顶竖向位移随时闯的变化，从图t O 可以看出，开挖造成的位移有2 lm m ，采用锚杆加衬砌之后 位移只增大了5m m ，拱顶的竖向位移逐渐减小并最终达到稳定，说明这种支护起到
