浅埋偏压隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真分析.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 浅埋偏压隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真分析杨绪祥(云南省公路科学技术研究院昆明 )摘要:文中提出浅埋偏压隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真分析方法该方法以某浅埋偏压型隧道为研究对象,依据隧道围岩和支护物理参数使用有限元模拟软件构建隧道冒顶塌方二次破坏风险仿真模型对隧道冒顶塌方二次破坏风险仿真模型进行网格划分,整合隧道不同空间位置质量参数利用仿真模型计算二次破坏风险相关性系数,依据该系数判断二次破坏风险结果表明:该方法计算出的隧道冒顶塌方二次破坏风险相关系数数值与实际值完全吻合,验证了模型的可靠性浅埋偏压隧道挖掘时的渗透体积荷载取值越大,其内部变形越显著,塑性区分布范围越广,此时隧道围岩变形严重坚固程度差,冒顶塌方二次破坏风险较高关键词:浅埋偏压隧道;冒顶塌方;二次破坏风险;相关系数;隧道拱顶;偏移数值中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:杨绪祥(),男,硕士生,高级工程师,主要研究领域为公路工程、岩土工程基金项目:云南省交通运输厅科技项目()引言隧道在挖掘过程中,受浅埋偏压影响其围岩容易失稳,导致隧道坚固程度下降甚至出现冒顶坍塌现象为防止隧道冒顶塌陷对隧道造成的二次破坏,对浅埋偏压隧道冒顶塌方二次破坏进行仿真是隧道挖掘过程中最重要的一步杨文东等以土砂互层隧道为研究对象,利用相似模型仿真其塌方风险演变情况王婧等则构建隧道塌方风险评价指标体系,利用数据可视化方法和加权模糊评价方法获得风险评价值,实现隧道塌方风险仿真上述两种方法虽均可实现隧道塌方二次破坏风险的仿真,但文献 所研究的土砂互层隧道在浅埋偏压类型隧道中占比较小,不具备普适性,而文献 所建立的隧道塌方风险评价指标存在主观性鉴于上述隧道仿真中存在的问题,文中提出浅埋偏压隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真分析方法,为浅埋偏压隧道施工提供借鉴依据隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真 工程概况以某一级公路隧道为研究对象,该隧道总长度 m、宽度为 m、高度为 m,隧道起讫桩号为Z A 至Z A 号,隧道岩柱宽度为 m,隧道埋深区间为 m隧道两端洞口的地形偏压角度区间为 ,是典型的浅埋偏压型隧道,且其具备小净距特征该隧道剖面见图 图隧道冒顶剖面示意图该隧道的冒顶位于其右上部区域,在隧道开挖前该冒顶无变形现象在对该隧道进行开挖时,对该冒顶区域进行了支护处理冒顶上部覆盖素填土,依次向下是强风化花岗石片麻岩和中风化花岗石片麻岩该隧道的围岩和支护的物理参数见表表隧道围岩和支护物理参数物理参数素填土强风化花岗石片麻岩中风化花岗石片麻岩支护弹性模量/G P a 泊松比 重度/(k Nm)内黏聚力/MP a 摩擦角/()材料属性弹塑性弹塑性弹塑性弹性 仿真数值模型构建结合隧道斜坡应力的边界效应 ,隧道仿真模型的计算区间设置在隧道两侧,下部倍洞径,其上部直至地表同时在隧道仿真数值模型的左右两个边界上添加水平约束、底面边界增加垂直约束 对于隧道平面应力则使用有限元软件内的平面应变弹塑性力学模型进行模拟,对于隧道岩土的屈服则依据M o h r C o l u m b原则作为参考使用四边形网格划分方法对构建的隧道模型进行网格划分,在仿真其二次破坏风险时,需先获得其斜坡初始自重应力场,在仿真其二次破坏风险隧道数值仿真模型计算网格划分见图图隧道数值仿真模型计算网格划分示意图 隧道冒顶塌方的二次破坏风险计算整合隧道不同空间位置的质量参数,得到隧道质量参数的初始数值,将该初始数值作为其冒顶塌方二次破坏风险计算基础,对隧道不同空间位置进行相关性计算,获得其二次破坏风险相关性系数,从而判断其塌方时的二次破坏风险计算隧道冒顶局部压力空间调整系数,即(tjt j)/(tt)()式中:为隧道冒顶局部压力空间调整系数;j为第j个隧道冒顶子区域压力参数;t、t 均为隧道冒顶网格划分区域令R(|j)为第j个隧道冒顶子区域的压力参数分布密度,其表达公式为R(|j)e/sa J/()E|a|/()式中:s为轮廓密度;为参数压力均值矩阵;a、J分别为隧道空间面积;E为塌方风险区域面积利用式()计算隧道整体压力参数分布密度,为R(|a l l)e/sa/()E|a|/()式中:R(|a l l)为隧道整体压力参数分布密度计算隧道不同空间位置a和J处的压力特征参数,为Q(|J)e/UJ/()E|J|/Q(|F)e/Ua/()E|a|/()式中:U为隧道整体空间轮廓密度;Q(|F)、Q(|J)分别为隧道空间位置F和J的压力特征参数依据压力特征参数计算隧道不同空间位置的二次破坏风险相关系数,为()E|J|/e/|kl|()式中:为隧道不同范围值的二次破坏风险相关系数;k、l均为隧道任意空间承压压力参数经过上述步骤可计算隧道任意空间位置处的二次破坏风险相关系数,当该系数大于/时,说明隧道该空间位置处冒顶塌方风险程度较小,反之则说明隧道该空间位置处的冒顶塌方风险较高仿真实验分析在仿真浅埋偏压隧道冒顶塌方二次风险时,设置种隧道挖掘工况,渗透体积荷载取值分别为 、MP a 使用有限元仿真软件按照上述三种工况对浅埋偏压隧道展开挖掘,同时标记隧道拱顶测试位置见图在仿真软件内模拟次隧道区域受荷载状况,将二次破坏风险相关系数与实际数值做对比,武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷图隧道拱顶测试位置标记示意图验证有限元模型仿真结果的可靠性,结果见图图仿真可靠性测试结果由图可知:本文方法计算的隧道二次破坏风险相关系数时的数值在第次冒顶风险时与实际值完全相同,仅在第次冒顶风险时略高于实际数值,但二者之间数值相差极其微小,该差值并未影响对隧道冒顶塌方二次破坏仿真结果,因此本文建立的有限元模型可有效计算隧道二次破坏风险相关系数,且计算数值较为精准,验证该有限元模型具备较好的可靠性,可用于后续的隧道冒顶坍塌二次破坏风险仿真从浅埋偏压隧道挖掘时的变形特征角度展开实验,模拟三种工况时,该浅埋偏压隧道二次塌方风险的围岩变形特征,结果见图由图可知:在挖掘浅埋偏压隧道时的渗透体积荷载取值越大,则隧道内部变形特征越明显在工况中,隧道内部最大变形区域数值约在 m,且其分布区域较小,仅分布在隧道冒顶部位,其最小变形区域数值为 m随着挖掘时的渗透体积荷载取值增加,该隧道内部变形区域出现扩大趋势的同时,其内部变形数值也呈现增加趋势在渗透体积荷载取值为 MP a时,隧道顶部发生变形的数值达到 m且该变形区域已经接近冒落岩体土层,隧道内最小变形数值也已经到达了 m,且该区域已扩展至高程 m位置处上述情况说明,在工况时该隧道围岩变形严重,坚固程度较差,已经出现冒顶塌方二次破坏风险为更清楚呈现工况时隧道冒顶塌方二次破坏风险,给出工况时 个隧道工况标记点的水平和垂直最大偏移数值,结果见表图三种工况时浅埋偏压隧道围岩变形特征表工况时浅埋偏压隧道拱顶水平与垂直最大偏移数值单位:m隧道拱顶标记点水平竖直 由表可知:隧道拱顶标记点的竖直最大偏移数值均高于其水平最大偏移数值,其中隧道拱第期杨绪祥:浅埋偏压隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真分析顶标记点为、的标记点位置处其水平最大偏移数值均为,说明其未承受水平荷载力,仅承受竖向的荷载力隧道的 个拱顶标记点中,第至第 号标记点的竖直位移均较大,其中第个标记点位于隧道最顶部,其水平和竖直位移分别为 和 m,其位移数值最大,说明隧道拱顶最高位置处所受水平和竖直方向的荷载力最大,其变形情况也最显著,该位置处的冒顶塌方二次破坏风险最大以变异系数作为衡量浅埋偏压隧道冒顶塌陷二次风险指标,在仿真软件内模拟种工况,分析在不同工况情况下,个隧道拱顶标记点的变异系数,结果见表表隧道拱顶标记点在不同工况下变异系数隧道拱顶标记点工况工况工况 由表可知:在不同工况下,自隧道拱顶最顶部标记点依次向隧道拱顶底部排列的标记点的变异系数呈现下降趋势,其中第个和第 个标记点位于隧道拱顶最底部,其在种工况下的变异系数均为 ,该数值说明在种工况下,隧道该位置处未发生任何变形情况但隧道拱顶最顶部的号标记点处在种工况下的变异系数数值最大,说明该位置处变形情况最为严重在第种工况下,第、标记点的变异数值均超过 ,在第种工况下,第、标记点变异系数均超过 ,在第种工况下,第、标记点变异系数均超过 ,其说明在其相对应的工况时,变异系数超过 的标记点存在冒顶塌方二次破坏风险,且变异数值越大,其二次破坏风险越高当隧道开挖后,坡面的土层沉降会出现偏压情况,给出种工况下,隧道塑性区分布情况,结果见图图不同工况下隧道塑性区变化情况由图可知:当渗透体积荷载取值越大时,浅埋偏压隧道开挖时塑性区面积越大其中在工况和工况时,隧道斜上方位置和隧道顶部的塑性区面积横向并未发生变化,其纵向呈现向下延伸趋势而隧道斜下方塑性区域则分别向下和向水平方法延伸综上结果表明:隧道开挖时的渗透荷载取值越大,隧道内塑型区域覆盖面积越大,则隧道发生冒顶坍塌二次破坏风险越大以二次破坏风险相关系数作为衡量指标,以第 个隧道拱顶标记点为实验对象,在工况实验条件下,使用本文方法仿真其冒顶坍塌二次破坏风险,结果见图图隧道拱顶二次破坏风险相关系数武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷由图可知:在工况情况下,隧道拱顶标记点、的二次破坏风险相关系数均超过,该数值说明其存在较大的二次破坏风险综上,本文方法可有效获知浅埋偏压隧道拱顶不同位置的二次破坏风险情况,仿真效果较好结论)浅埋偏压隧道在挖掘时的渗透体积荷载取值越大,其内部变形特征明显,二次破坏风险越高)在渗透体积荷载取值为 MP a时,该隧道拱顶第个标记点水平和竖直位移分别为 和 m,该数值为最大数值,其受荷载力最大,变形情况最为显著,较易出现冒顶塌方情况参 考 文 献李文韬,张拥军,刘思佳,等山岭隧道浅埋偏压段塌方冒顶分析及工法优化J公路,():杨文东,林泳良,谢全敏基于博弈和谐度方程的隧道围岩稳定性评价J武汉理工大学学报,():王婧,靳春玲,贡力,等基于可变模糊集理论的铁路隧道塌方风险评价J铁道科学与工程学报,():张晨曦,吴顺川,吴金山岭隧道施工中塌方风险评估模型 研 究 及 应 用 J中 国 安 全 生 产 科 学 技 术,():严健,何川,卢岱岳,等德格隧道冒顶和冒落破坏特征及处治技术J现代隧道技术,():罗刚,邱红胜,王哲,等浅埋偏压隧道地表预注浆加固力学行为研究J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():和振海,孙印国,罗忠荣,等连拱隧道爆破振动响应与减振技术研究J武汉理大学学报(交通科学与工程版),():S i m u l a t i o nA n a l y s i so fS e c o n d a r yF a i l u r eR i s ko fR o o fF a l l a n dC o l l a p s e i nS h a l l o w b u r i e dE c c e n t r i cP r e s s u r eT u n n e lY A N GX u x i a n g(Y u n n a nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fH i g h w a yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,K u n m i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:As i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o do f s e c o n d a r yd a m a g e r i s ko f r o o f c o l l a p s e i ns h a l l o w b u r i e du n s y mm e t r i c a l p r e s s u r e t u n n e lw a sp r o p o s e d T h i sm e t h o dt o o kas h a l l o w b u r i e du n s y mm e t r i c a l t u n n e la s t h er e s e a r c ho b j e c t,a n du s e d f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r e t ob u i l das i m u l a t i o nm o d e l o f s e c o n d a r yd a m a g er i s ko f t u n n e l r o o f f a l l a n dc o l l a p s ea c c o r d i n gt ot u n n e l s u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r t i n gp h y s i c a l p a r a m e t e r s T h es i m u l a t i o nm o d e lo fs e c o n d a r yd a m a g er i s ko f t u n n e l r o o fc o l l a p s ew a sm e s h e da n dt h eq u a l i t yp a r a m e t e r so fd i f f e r e n ts p a t i a lp o s i t i o n so ft h et u n n e lw e r ei n t e g r a t e d T h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t o f s e c o n d a r yd a m a g e r i s kw a s c a l c u l a t e db ys i m u l a t i o nm o d e l,a n d t h e s e c o n d a r yd a m a g er i s kw a s j u d g e da c c o r d i n g t o t h i s c o e f f i c i e n t T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h en u m e r i c a l v a l u eo f t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f s e c o n d a r yd a m a g er i s ko f t u n n e l r o o f f a l lc a l c u l a t e db yt h i sm e t h o di sc o m p l e t e l yc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lv a l u e,w h i c hv e r i f i e st h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e l T h eg r e a t e rt h es e e p a g ev o l u m e l o a dd u r i n ge x c a v a t i o no f s h a l l o w b u r i e du n s y mm e t r i c a l p r e s s u r e t u n n e l,t h em o r eo b v i o u s i t s i n t e r n a l d e f o r m a t i o na n dt h ew i d e rt h ed i s t r i b u t i o nr a n g eo fp l a s t i cz o n e A tt h i st i m e,t h es u r r o u n d i n g r o c ko f t u n n e l i s s e v e r e l yd e f o r m e da n d t h ed e g r e eo f f i r m n e s s i 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