大跨度公路隧道长期稳定性分析.docx

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大跨度公路隧道长期稳定性分析

大跨度公路隧道长期稳定性分析

6.1引言

前面的分析都是基于岩体的弹塑性本构关系进行的，未考虑时间效应和长期蠕变的影响。

前人研究发现，地下工程开挖后一段很长时间内，支护或衬砌上的压力一直在变化，可见岩石的蠕变对于隧道特别是深埋隧道围岩的变形和长期稳定性，具有重要影响[78]。

为保证现场隧道的长期稳定运行，必须考虑到长期蠕变效应。

蠕变是当应力不变时，应力随时间增加而增长的现象，是流变效应的最重要表现特征。

岩石的蠕变曲线有三种主要类型[88]，见图6-1。

图6-1岩石蠕变曲线

图中三条蠕变曲线是在不同应力下得到的，

，蠕变试验表明，当岩石在较小荷载σC持续作用下，变形量虽然随时间增长有所增加，但变形速率逐渐减小，最后变形趋于一个稳定的极限值，这种蠕变称为稳定蠕变；当荷载σA很大时，变形速率逐渐增加，变形量一直加速增长，直到破坏，蠕变为不稳定蠕变；当荷载较大时，如图中的abcd曲线所示，此时根据应变速率不同，蠕变过程可分为3个阶段：

第一阶段，如曲线中ab所示，应变速率随时间增加而减小，故又称为减速蠕变阶段或初始蠕变阶段；第二阶段，如曲线中bc所示，应变速率保持不变，故又称为等速蠕变阶段；第三阶段，如曲线中cd所示，应变速率迅速增加直到岩石破坏，故又称为加速蠕变阶段。

一种岩石既可发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小。

超过某一临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展。

小于此临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展，通常称此临界应力为岩石的长期强度。

对岩石隧道来讲，由于开挖和支护导致应力重分布，围岩产生不同的应力分布状态，在进行长期蠕变效应分析时，应计算相应监测点的应力和变形状态，判断其蠕变效应。

众所周知，固体本构关系有三种：

弹性、塑性和粘性。

文献中，通常将围岩应力小于屈服极限时应力应变与时间的关系称为粘弹性问题，将围岩应力大于屈服极限时应力应变与时间的关系称为粘塑性问题。

研究表明，在隧道开挖完毕后的长期运营过程中，大多数岩石都表现出瞬时变形（弹性变形）和随着时间而增长的变形（粘性变形），即岩石是粘弹性的[80]；为使巷道维持稳定状态，人们也总是力图使围岩应力小于屈服极限。

下面采用FLAC软件进行数值分析，版本为FLAC2D5.00.355。

6.3弹塑性数值分析

在进行粘弹性蠕变分析之前，首先进行简单的弹塑性分析，目的是：

①查看隧道开挖完毕后的二维弹塑性位移和应力状态，与三维分析的模拟结果相互印证；②为进行进一步的粘性蠕变分析提供前期理论依据。

（1）不平衡力记录

图6-5UnbalancedForce变化图

对网格中单元与网格点循环往复计算，当不平衡力（Unbalancedforce）减小到允许值后，认为位移与应力分别趋向稳定常数。

从图6-5可见，隧道开挖与支护后，随着计算时步的增加，最大不平衡力在初始阶段快速减小；至4000步左右已减至很小并基本稳定；循环至8872步时，最大不平衡力达到允许范围内（<10Pa），程序迭代终止。

（2）位移填色图

图6-6-1xdis图图6-6-2ydis图

图6-6-1和图6-6-2显示了隧道开挖周边位移分布规律。

预测的最大垂直位移（ydis）发生在地表，这说明隧道开挖引起的地表沉陷较大，表现出了浅埋隧道的变形特征。

由于隧道洞身以上围岩强度小于隧道基底围岩强度，故隧道洞身以上围岩变形量远大于隧道基底变形量。

预测的最大水平位移（xdis）发生在隧道两帮位置，说明隧道所受地层仍以垂直地应力为主，这符合现场关于地应力的监测结果。

（3）主应力填色图

图6-7-1σ1图图6-7-2σ2图

图6-7-1和图6-7-2显示了隧道开挖周边主应力分布规律。

从模拟区隧道开挖周围应力场分布规律可见，隧道周边发生较大应力集中。

在拱脚和墙腰处，发生应力集中，压应力达最大值；在拱顶和底板处出现拉应力，且底板达拉应力最大值。

（4）单元状态

模拟区单元的弹塑性状态（State）如图6-8所示。

图6-8State图

由图6-8可见，开挖并支护完毕后，模拟区全部处于弹性状态，塑性屈服区不再存在。

这与第3章的三维分析结果是相符的。

鉴于隧道施工完毕后，没有塑性区存在。

因此本文在进一步的蠕变分析中，仅考虑围岩的粘弹性效应，不考虑塑性特征，这在一定程度上可以简化程序计算过程，提高计算效率，也可适应FLAC软件所能提供的蠕变模型要求。

6.4粘弹性数值分析

现进行隧道的长期粘弹性蠕变分析。

6.4.1FLAC的蠕变分析功能

FLAC的蠕变分析选项可用来模拟呈现蠕变性质的材料特性。

FLAC中有六种蠕变模型，分别为：

●经典粘弹性模型（Viscous）；

●二分量幂定义（POwer）；

●用于核废料隔离研究的WIPP参考蠕变模型（Wipp）；

●Buger蠕变模型和Mohr-Columb模型合成的Buger蠕变粘塑性模型（CVisc）；

●WIPP模型和Drucker-Prager模型合成的WIPP蠕变粘塑性模型（PWipp）；

●岩盐的本构模型（CWipp）。

分析中采用经典粘弹性模型。

经典粘弹性模型即Maxwell体，是最常用的粘弹性模型之一。

Maxwell模型有瞬时应变，并随着时间增长应变逐渐增大，这种模型反映的是等速蠕变。

它同时呈现出粘滞性和弹性特性。

从前面的分析可以看出，开挖完成瞬时围岩没有塑性区存在，因此采用经典粘弹性模型可以较好地体现出现场围岩的蠕变特征。

6.4.2模型建立

根据弹塑性理论，取模拟计算区域为：

左、右边界取为距原点60m；下边界取为距原点61m；上边界取为山体地表平均标高距原点69m。

模型边界条件设定为：

①

和

：

x方向固定；②

：

x和y方向固定；

：

自由。

鉴于模拟区的上面三层厚度总和仅22.3m；而第四层微风化灰岩厚度达112.7m，隧道全部埋藏在该层中，第四层的影响远大于其上面三层。

因此仅考虑第四层的弹粘性特征，其它三层（弱风化灰岩、强风化泥灰岩和地表土层）仍按弹性考虑，以分清主次，简化计算。

第Ⅰ层地表土层、第Ⅱ层强风化泥灰岩、第Ⅲ层弱风化灰岩的物理力学参数见表3-1；第Ⅳ层微风化灰岩考虑粘弹性特征，参数为：

E=39810Mpa，μ=0.21，γ=27.90KN/m3，TEN=17.66Mpa，粘性系数VIS=2.4e9Mpa。

差分网格采用矩形四节点二维实体单元，锚杆采用cable结构单元；初期喷砼支护采用liner结构单元；二次模筑砼支护采用beam结构单元。

由模拟区域中心点向四边的网格点边长变化率为1.05倍，以实现对隧道开挖区域周边的网格加密。

绘出的模型网格图如图6-9所示。

图6-9开挖模型图

应用FISH语言编制FLAC-2D模拟程序，程序运算结果如下。

6.4.3开挖瞬时分析

开挖瞬时分析与蠕变分析由同一个程序完成，开挖瞬时分析实质就是蠕变尚未发生时的弹性分析，对此只需首先令crdt=0进行计算即可。

瞬时分析的目的是：

①与弹塑性分析结果对比；②查看蠕变产生前的位移和应力状态；③为进行进一步的粘弹性二维数值分析提供前期理论依据。

6.4.3.1程序模拟结果

（1）位移填色图

图6-10-1xdis图图6-10-2ydis图

（2）主应力填色图

图6-11-1σ1图图6-11-2σ2图

（3）矢量图

绘出隧道周边的位移矢量图和主应力矢量图见图6-12-1和图6-12-2。

图6-12-1隧道周边位移矢量图图6-12-2隧道周边主应力矢量图

（4）历史记录

图6-13-1UnbalancedForce变化图图6-13-2his1~his4变化图

6.4.3.2模拟结果简析

从模拟结果可见，瞬时弹性计算的结果与弹塑性分析的位移和应力分布状态是一致的。

从不平衡力记录图上可见，最大不平衡力在循环计算至4000步后，已基本减至很小；计算循环8586步时，最大不平衡力达到允许范围内（<10Pa），各测点位移监测值达到稳定，程序迭代终止。

各监测点稳定位移：

地表>拱顶>拱脚>墙腰。

表明弹性开挖对地表变形影响较大。

拱顶（M点）的影响远大于拱脚（A）和墙腰（B），这与现场位移的监测结果和三维分析的结果是一致的。

6.4.4长期蠕变分析

蠕变分析中，设定隧道蠕变总时间10年（3.154×108s）。

1年（3.154×107s）以内设定crdt=1000；1年~10年设定crdt=3000。

这样既可保证1年以内的程序运算精度；又可提高1年以后的程序运算速度，从而能得到10年运算结果。

程序总运行时间：

1h-51min。

6.4.4.1不平衡力分析

图6-14为不平衡力随着蠕变时间的变化图。

图6-14UnbalancedForce变化图

监测点设定为现场隧道监测点的位置，坐标值为：

M（0,72.72），A（8.28,69.28），B（10.45,65.72），M′（0,130）。

选取中间20个运算时步存储.sav文件，并作历史记录。

程序实际预算时间为：

2h27min（包括瞬时开挖计算）。

6.4.4.2位移模拟及分析

（1）xdis图

不同蠕变时间t的xdis位移填色图如图6-15-1~6-15-10。

图6-15-1t=30d图6-15-2t=60d

图6-15-3t=90d图6-15-4t=0.6y

图6-15-5t=1y图6-15-6t=2y

图6-15-7t=4y图6-15-8t=6y

图6-15-9t=8y图6-15-10t=10y

（2）ydis图

不同蠕变时间t的ydis位移填色图如图6-16-1~6-16-10。

图6-16-1t=30d图6-16-2t=60d

图6-16-3t=90d图6-16-4t=0.6y

图6-16-5t=1y图6-16-6t=2y

图6-16-7t=4y图6-16-8t=6y

图6-16-9t=8y图6-16-10t=10y

（3）位移矢量图

绘出隧道周边位移矢量图如下。

图6-17t=10y时隧道周边位移图

（4）位移模拟结果分析

分析模拟区的长期蠕变结果：

开始阶段位移填色图的形态变化较大，xdis在8年后，ydis在6年后，位移图基本不再发生太大变化。

在隧道周边的应力集中区，位移变化相对较大，这是由于该处应力较大，围岩位移稳定收敛较慢的缘故，但隧道模拟区的任何一点，位移值都是趋于收敛的，即此时的围岩应力均未超过临界应力值。

这一结论与图6-1中

曲线的特征是一致的。

就10年后隧道周边位移的分布情形来看，分布规律较图6-8有了较大变化。

拱顶的蠕变效应最大，其次依次为拱脚→底板→墙腰，这与拱顶应力最大的结论是相符的。

说明拱顶处不仅应作为大跨度公路隧道开挖过程分析时的重点，也应作为长期蠕变分析时的重点。

6.4.4.3监测点位移与速率分析

表6-4为监测点位移及速率随蠕变时间变化表。

监测位移及其速率指：

拱顶M的ydis；拱脚A的xdis；墙腰B点的xdis；地表M′点的ydis。

表6-4监测点位移及速率随蠕变时间变化表

蠕变时间（d）

监测点位移（mm）

监测点速率（mm/d）

M点

A点

B点

M′点

M点

A点

B点

M′点

30

0.39

0.04

0.04

0.38

2.578E-08

8.117E-10

7.292E-10

2.524E-08

45

0.48

0.07

0.06

0.46

1.562E-08

2.115E-09

1.937E-09

1.518E-08

60

0.82

0.10

0.10

0.79

1.721E-08

1.210E-09

1.144E-09

1.551E-08

90

1.04

0.15

0.14

1.00

1.621E-09

2.076E-09

1.971E-09

1.336E-09

219

2.37

0.70

0.43

2.23

1.182E-08

1.803E-09

1.781E-09

1.096E-08

365

3.41

0.96

0.70

3.14

1.056E-08

1.819E-09

1.770E-09

9.360E-09

696

5.31

1.91

1.39

4.54

4.986E-09

2.152E-09

2.088E-09

3.417E-09

1156

6.53

2.98

2.13

5.28

3.428E-09

2.213E-09

2.140E-09

1.896E-09

1460

7.68

3.48

2.65

5.88

3.182E-09

2.201E-09

2.131E-09

1.290E-09

1782

8.55

4.04

3.09

6.52

3.059E-09

1.940E-09

1.720E-09

9.700E-10

2190

9.40

4.96

3.60

7.07

2.070E-09

1.370E-09

1.190E-09

7.500E-10

2555

9.82

5.49

3.92

7.56

1.800E-09

1.150E-09

9.700E-10

6.800E-10

2920

10.10

6.14

4.32

8.11

1.530E-09

8.600E-10

9.700E-10

5.400E-10

3285

10.40

6.34

4.44

8.45

1.290E-09

6.100E-10

4.700E-10

2.500E-10

3650

10.53

6.50

4.59

8.55

1.150E-09

6.500E-10

5.000E-10

2.500E-10

据此绘出监测点位移变化和速率变化图如图6-18-1和图6-18-2。

图6-18-1监测点位移变化图

图6-18-2监测点位移变化速率图

从蠕变分析结果可见：

从位移-时间曲线可见，拱顶位移蠕变值最大，地表次之，拱脚和墙腰较小。

4监测点处隧道围岩的位移蠕变曲线均符合图6-1中的稳定蠕变特征。

从位移速率-时间曲线可见，拱顶位移速率最小，拱脚次之，墙腰最大。

M点和M′点的位移速率变化较剧烈，在720天（2年左右）之前有较大波动，之后变化趋于平缓。

各监测点的位移速率均趋近于零，说明属于稳定蠕变。

6.5小结

侧重探讨了岩石蠕变效应对于隧道变形和长期稳定性的影响，所作主要工作如下：

（1）对已开挖完成隧道进行了简单的二维弹塑性数值分析，给出了隧道开挖完毕后的二维弹塑性位移和应力状态，对分布规律进行了剖析，证实了第3章中有关塑性屈服区不再存在的结论，并进行进一步的粘性蠕变分析提供了理论依据。

（2）粘弹性蠕变分析前，先设定蠕变时步为零，进行开挖完成后的瞬时弹性数值分析，证实了瞬时弹性分析与弹塑性分析模拟结果的一致性，为粘弹性分析提供了蠕变前的初始位移值。

（3）在完成瞬时分析后，进行了长期粘弹性蠕变数值分析，给出了开挖区蠕变位移的分布状态，得出位移趋于收敛的结论；对模拟区位移值进行比较，证实了拱顶蠕变效应最大的结论，这也体现了大跨度隧道围岩的变形特征；从监测点的位移-时间和位移速率-时间曲线，得出了隧道围岩属于稳定蠕变的结论。

从而也预测了现场隧道在今后运营过程中将处于长期稳定状态。