超大斷面隧道大傾角層狀圍巖力學特性研究

曾 毅，周舒威，楊志豪，夏才初，3

(1.上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235；2.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；3.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000)

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超大斷面隧道大傾角層狀圍巖力學特性研究

曾 毅1，周舒威2，楊志豪1，夏才初2，3

(1.上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235；2.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；3.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000)

文章以重慶軌道交通環線蓮花村車站隧道工程為依托，采用有限元數值模擬對超大斷面隧道開挖時大傾角層狀圍巖的力學特性進行研究。通過建立大傾角巖層數值模型，對隧道進行不同工況的分步開挖計算，分析得到大傾角層狀圍巖的塑性區、應力和位移變化規律。結果表明：大傾角層狀巖體塑性區位于層面內，層面塑性變形最大；圍巖最大拉應力發生在上部中導洞圍巖開挖支護過程中，上部左導洞以及中導洞外壁圍巖產生最大拉應力；最大壓應力發生在上部中導洞開挖支護過程中，大傾角巖層上部右導洞以及中部右導洞在各工況中產生最大壓應力；隧道中、下部右導洞水平位移在二襯施加后達到最大，圍巖最大下沉量位于上部左導洞處。

隧道；大傾角巖層；超大斷面；力學特性；有限元法

0 引言

在我國大規模隧道建設過程中，隧道斷面不斷增大，隧道建設也不斷往更惡劣的地質環境中延伸，工程標準不斷提高，給隧道規劃、設計、施工和運營帶來了一系列新的挑戰[1]。確定合理的支護參數是隧道設計的核心問題，但其往往與隧道圍巖的力學性質有關。根據圍巖的受力變形特征，在隧道施工中對圍巖危險區域進行預加固，能夠確保施工安全、有序進行，因此隧道圍巖力學特性的研究對于隧道建設具有重要意義。

目前，已有許多學者針對隧道圍巖力學特性開展研究[1-4]。這些研究針對均質圍巖，但實際工程中，隧道圍巖富含節理、層理等軟弱結構面，使得圍巖的力學行為呈現出與均質圍巖不同的特性，這就需要從軟弱結構面出發，對圍巖力學特性開展研究。這方面的研究已取得了諸多進展[5-11]，但這些隧道層面研究一般只針對小斷面尺寸隧道，而未對大尺寸隧道開展研究。因此，隨著我國隧道建設規模的增大，大斷面乃至超大斷面隧道圍巖的力學特性亟待研究。

本研究以重慶市軌道交通環線蓮花村車站隧道工程為依托，通過有限元法建模對超大斷面隧道開挖中的大傾角圍巖力學特性進行研究，獲得大傾角巖層應力、位移以及塑性區的變化規律。

1 工程概況

在建的重慶市軌道交通環線蓮花村車站為環線第二十座車站，坐落于蓮花山山體下方，呈南北走向。該車站隧道斷面開挖輪廓線內面積約432 m2，屬超大斷面暗挖隧道。

隧道場地位于南溫泉背斜西翼，巖層傾向290°左右，傾角約60°。巖體層間結合很差，特別在砂質泥巖與砂巖交界處，往往存在薄層狀泥化現象。構造線走向與主隧道軸線小角度相交近于平行。車站隧道典型的斷面輪廓以及地質剖面如圖1所示。圖中隧道周圍砂質泥巖居多，泥巖中夾雜著層狀的泥質砂巖，泥質砂巖和砂質泥巖交界面為薄弱層面。

圖1 隧道輪廓及地質剖面圖

2 有限元模型及計算工況

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS10.0建立二維有限元模型，進而對大傾角巖層內隧道開挖圍巖力學特性進行分析。各類地質體(包括初襯和二襯)均采用Plane42單元，錨桿采用Link1單元進行模型，臨時支撐采用Beam3單元模擬。而對于地質體在層面上的接觸，采用接觸對單元來模擬：目標面使用Target169單元，接觸面用Surf172單元。計算中采用的力學參數如表1所示。

模型左右邊界距初襯距離為100 m，上部邊界取自自由地表，底部邊界距初襯60 m。對建立的模型，限制其東、西邊界上水平方向的位移；對模型的底部限制豎向位移。

表1 計算參數表

地應力場特征按自重應力場分析，即所有工況的計算均處在自重應力場作用之下，有限元模型采用D-P強度準則。最終，建好的有限元模型如圖2所示，共含有15 566個單元，7 711個節點。

圖2 整體有限元網格圖

依托工程隧道采用雙側壁導洞法施工，按照工程開挖的實際工序，并作適當的簡化，每個導洞開挖時一般先進行圍巖荷載釋放20%的裸洞開挖計算，然后再進行釋放40%圍巖荷載、施加初期襯砌和臨時支撐的數值模擬，在所有導洞開挖后再釋放剩下的40%圍巖荷載并施加二襯。

3 圍巖應力場

3.1 初始地應力場

大傾角巖層和均質巖層的初始地應力場結果以豎向應力為例，如圖3所示。從圖中可以看出，由于層面以及相互間隔的砂質泥巖、砂巖之間力學性質的不同，初始地應力場的應力云圖出現了不連續。

圖3 初始豎向應力場云圖

3.2 第一主應力

經過計算可以得到大傾角巖層每個工況的第一主應力，圖4給出了隧道頂部以及底部中間部分圍巖第一主應力隨不同工況的變化情況。圖4(a)是上部中導洞外壁圍巖的第一主應力變化，應力最小值基本上維持在-0.5 MPa左右，而應力最大值在該部分圍巖開挖之前基本不變；在該部分圍巖開挖后，應力增大到2.0 MPa附近，但在二襯施加后又迅速回落到-0.3 MPa附近。圖4(b)是隧道底中部圍巖外壁的第一主應力變化，應力最小值略微波動，基本上維持在-0.65 MPa左右；第一主應力最大值基本上隨著每個開挖步的進行而逐漸增大，從初始地應力-0.4 MPa增大到施加二襯后的-0.2 MPa。

(a)隧道頂部中部圍巖

(b)隧道底部中部圍巖

3.3 第三主應力

圖5給出了隧道頂部以及底部中間部分圍巖第三主應力隨不同工況的變化情況。圖5(a)是上部中導洞外壁圍巖的第三主應力變化，在隧道頂部中導洞開挖之前，隧道頂部圍巖第三主應力隨各開挖工況的進行緩慢減小，在頂部導洞開挖后隧道頂部中部圍巖的應力最小值迅速下降，從-1 MPa降低到-3 MPa，然后在二襯施加后又增加到-2 MPa。第三主應力最大值在上部中導洞支護后增加到-0.1 MPa，但在二襯施加后減小到-1 MPa。隧道頂部的應力變化較大，是關系隧道穩定的關鍵點。圖5(b)是隧道底部中部圍巖外壁的第三主應力變化，應力略微波動，最大值基本維持在-1.5 MPa左右，最小值基本維持在-2.1 MPa左右；在上部中導洞開挖支護過程中，應力最大值和最小值分別激增到-1 MPa和-1.8 MPa；在施加二襯后，應力最大值和最小值又分別降低到-2.2 MPa和-2.9 MPa。

(a)隧道頂部中部圍巖

(b)隧道底部中部圍巖

4 圍巖塑性區

圖6給出了按大傾角巖層計算得到的各工況等效塑性區。圖6(a)表明上部左側導洞施加初支護后，由于錨桿的施加，導洞拱肩位置的塑性變形較上一工況并未大幅增大，但導洞底部塑性變形增大，塑性變形集中于層面處，導洞底部靠東側塑性應變最大，為0.002 3；圖6(b)表明上部右側導洞初期支護以及錨桿施作后，右側導洞的圍巖變形被有效控制，圍巖的塑性變形減小，但導洞支護結構的

(a)面積2開挖施加初襯

(b)面積3開挖施加初襯

(c)面積5開挖施加初襯

閉合造成左側上部導洞底部的塑性變形繼續向圍巖深部發展，最大塑性應變增大為0.004 3；圖6(c)表明下部兩導洞錨桿、支撐和初期支護施作后，圍巖繼續釋放的荷載被支護系統所承擔，圍巖的塑性變形被有效控制，盡管中墻內層面依然出現貫通塑性區，但塑性變形最大值只為0.001 3；由于上部中間導洞在有荷載釋放的時候造成中墻內塑性變形急劇增大，計算表明此開挖階段必須及早進行強支護。從圖6可以總結得出：大傾角層狀巖體中，超大斷面隧道開挖產生的塑性區主要位于層面內，且層面上發生塑性變形最大。

總而言之，按大傾角巖層計算，塑性區發生在層面上，塑性區沿層面延伸進入巖體深部，塑性變形大。

5 圍巖位移場

5.1 水平位移

圖7為按大傾角巖層計算得到的各個工況水平方向位移云圖。每個開挖步進行后，隧道各導洞圍巖水平位移發生變化，兩側拱腰均產生水平位移，表現為向內側收斂，兩側變形的量值相差不大；上部右導洞開挖使左導洞的水平位移變形增大，位移最大值位于左導洞拱腰以及底部，右導洞水平位移較小；中部導洞土體開挖后，圍巖應力狀態發生變化，水平位移重新分布，均表現為向內側收斂，形成的左部空區頂部以及側墻的水平位移最大，右部空區位移相對較小；上部中導洞土體開挖后，整個隧道拱部完全失去土體的支撐，所以圍巖水平擾動范圍擴大，在豎向圍巖壓力作用下，隧道扁平率增加，表現為拱部下沉、拱底隆起和兩側拱腰水平位移向外側發展，此階段當加強監測。中部側墻以及左洞層面出露處為水平位移最大處，隧道施工階段的最終穩定性主要由上部中導洞土體控制。

下部左右導洞外壁圍巖水平位移在開挖過程中以負方向位移為主，負方向位移大體上逐漸增大，在二襯施加后達到最大，為-0.34 mm；但在二襯施加后，該部位圍巖頂部出現了較大的正方向位移0.86 mm，也說明隧道頂部豎向應力大，隧道“扁化”。下部左右導洞頂部圍巖“尖點”位移變化幅度大，在實際施工中應該著重監測。

(a)上部右導洞開挖施加初襯

(b)中部左右導洞開挖施加初襯

(c)上部中導洞開挖施加初襯

5.2 豎向位移

圖8給出了按大傾角巖層計算得到的各個工況豎直方向位移，上部右導洞開挖使左導洞豎向位移增大，但位移最大處位于左導洞拱腰以及底部，右導洞位移較小；中部導洞土體開挖后，圍巖應力狀態發生變化，豎向位移重新分布，均表現為向內側收斂，形成的左部空區頂部以及底部豎向位移最大，右部空區位移相對較小；上部中導洞土體開挖后，整個隧道拱部完全失去土體的支撐，所以圍巖豎向擾動范圍擴大，在豎向圍巖壓力作用下，隧道扁平率增加，表現為拱部下沉、拱底隆起和兩側拱腰水平位移向外側發展，此階段應當加強監測，隧道頂部層面出露處為下沉最大處，隧道施工階段穩定性主要由上部中導洞開挖控制。

(a)上部右導洞開挖施加初襯

(b)中部左右導洞開挖施加初襯

(c)上部中導洞開挖施加初襯

同時計算結果表明上部中導洞外壁圍巖豎向位移以下沉為主，圍巖下沉量隨工況的進行逐漸增大，最大值發生在施加二襯后，為2.69 mm；該部分圍巖在上部導洞施加初期襯砌后隆起量達到最大，為1.75 mm，發生在上部左導洞與中導洞邊界處。圍巖底部和頂部的豎向位移變化較大，是關系隧道穩定的關鍵點。隧道底部中部圍巖外壁豎向位移以正方向(隆起)為主，在施加二襯后達到最大值，為5.6 mm。

6 結語

本文以重慶市軌道交通環線蓮花村車站隧道工程為依托，使用有限元法對大傾角層狀巖體中超大斷面隧道開挖的圍巖應力、位移和塑性區發展規律進行研究，獲得以下結論：

(1)層面以及相互間隔的砂質泥巖、砂巖使初始水平應力和豎向應力云圖不連續、斷層，而均質圍巖初始水平應力和豎向應力呈明顯的層狀分布。

(2)大傾角層狀巖體塑性區主要位于層面內，層面塑性變形最大，隨著開挖的進行導致的塑性失穩可能性逐漸增大。

(3)圍巖最大拉應力發生在上部中導洞圍巖開挖支護過程中，上部左導洞以及中導洞外壁圍巖在各個工況中產生最大拉應力。

(4)最大壓應力發生在上部中導洞開挖支護過程中，大傾角巖層上部右導洞圍巖以及中部右導洞圍巖在各工況中產生最大壓應力。

(5)隧道中部以及下部右導洞的水平位移在二襯施加后達到最大，二襯施加后圍巖最大下沉量位于上部左導洞處。

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Study on Mechanical Properties of High-inclination Layered Surrounding Rocks in Super-large Cross-section Tunnels

ZENG Yi1，ZHOU Shu-wei2，YANG Zhi-hao1，XIA Cai-chu2，3

(1.Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Institute，Shanghai，200235；2.Department of Geotechnical Engineering，College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai，200092；3.College of Civil Engineering，Shaoxing University，Shaoxing，Zhejiang，312000)

Relying on Chongqing Rail Transit Ring Lianhua Village Station Tunnel project，and by using the finite element numerical simulation，this article studied the mechanical properties of high-inclination layered surrounding rocks during the excavation of super-large cross-section tunnel.Through establis-hing the numerical model of high-inclination rock stratum，it calculated the stepped tunnel excavation un-der different work conditions，analyzed and obtained the plastic zone，stress and displacement variation rules of high-inclination layered surrounding rocks.The results showed that：the plastic zone of high-in-clination layered rocks is located within the layer，with the maximum layer plastic deformation；the maxi-mum tensile stress of surrounding rocks occurs in the surrounding rock excavation and support process of upper middle guiding holes，with the maximum tensile stress of outer wall surrounding rocks at upper left guiding holes and middle guiding holes；the maximum compressive stress occurs in the excavation and support process of upper middle guiding holes，with the maximum compressive stress of high-incli-nation rock stratum at upper right guiding holes and middle right guiding holes under different working conditions；the horizontal displacement of right guiding holes at middle and lower tunnel reaches the maximum after the second lining setup，and the maximum surrounding rock subsidence is located at the upper left guiding hole.

Tunnel；High-inclination rock stratum；Super-large cross-section；Mechanical properties；Fi-nite element method

曾 毅(1979—)，高級工程師，主要從事地下結構穩定性研究；

上海市隧道工程軌道交通設計研究院科研計劃項目課題

U452.1+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.009

1673-4874(2015)11-0040-06

2015-10-11

周舒威(1987—)，博士研究生，主要從事地下結構穩定性、能源地下工程研究。