隧道開挖支護過程圍巖變形機理的數值分析

肖擁軍，肖 慧，雷隆賢

(1.湖南科技大學土木工程學院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大學巖土工程穩定控制與健康監測省重點實驗室， 湖南湘潭市 411201)

隧道開挖支護過程圍巖變形機理的數值分析

肖擁軍1，2，肖 慧1，雷隆賢1

(1.湖南科技大學土木工程學院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大學巖土工程穩定控制與健康監測省重點實驗室， 湖南湘潭市 411201)

對育王嶺隧道出口段建立了三維工程地質模型，選取工程巖體力學參數，利用FLAC3D軟件分析了四級圍巖隨著開挖及支護過程應力場、位移場的變化特征，模擬結果表明圍巖的分步支護過程對圍巖應力應變產生了調節作用，其中二次襯砌和仰拱施工對于圍巖應力調整作用明顯，施工后隧洞底部圍巖由受拉狀態轉變為受壓狀態，最大拉應力分布區域轉移到了仰拱處，有利于隧道穩定。

隧道支護；圍巖；變形機理；數值模擬

0 引 言

隧道建設場地有比較復雜的工程地質條件，隧道施工的安全性問題從而越顯關鍵。但隧道施工過程難以用室內試驗來模擬，因此運用數值模擬的手段來研究隧道施工成為重要方法。張勇針對金坪引水隧洞圍巖變形穩定性問題，對隧洞在大埋深環境下的圍巖應力分布特征進行了數值模擬分析[1]；宿文姬等應用二維彈塑性有限元分析方法對阿娜隧道小凈距隧道穩定性進行分析研究[2]；張敏等通過數值模擬分析研究了淺埋偏壓隧道出口變形機理[3]；韓健等對石龍山隧道洞口軟弱泥巖圍巖段動態開挖過程進行了數值模擬研究[4]；唐劍等以忠墊高速公路明月山隧道為例，對公路隧道開挖與支護過程中的下圍巖塑性區的分布進行了研究[5]；石堅等應用ANSYS軟件對安徽省六潛隧道的開挖進行了數值模擬，得到了分步開挖下圍巖的位移、應力場變化規律，支護襯砌結構的變形、應力分布及內力值分布情況[6]；左清軍運用數值模擬手段對宜萬鐵路堡鎮隧道圍巖在高地應力條件下的變形特征及其影響因素進行了分析[7]；邵珠山等運用ABAQUS軟件，結合實際隧道工藝建立了三維有限元模型，數值分析了隧道開挖后拱頂及周邊位移的變化趨勢，研究了圍巖力學性能參數對隧道變形以及圍巖穩定性的影響[8]；張王杰對關虎沖隧道工程施工過程進行了數值模擬研究，著重分析了隧道開挖過程中的圍巖變形狀態[9]；侯俊敏等以貴州省晴隆-興義高速公路登攀隧道為工程依托，對洞口段圍巖變形展開研究，研究結果表明隧道開挖引起圍巖變形具有明顯的時間效應和空間效應[10]。本文以寧波育王嶺隧道出口段為例，應用數值模擬方法，研究了隧道開挖后支護過程圍巖應力應變的變化特征。

1 工程概況

育王嶺隧道是寧波第一條采用新奧法施工的輕軌隧道，連接北侖區和鄞州區，隧道進口里程為右K30＋730.000，出口里程為K32＋110.000，隧道全長1380 m，其中進出口各20 m明洞，暗洞1340 m。跨度11 m，高度9.5 m。隧道出口段圍巖主要有中風化流紋斑巖及中風化熔結凝灰巖。隧道最大埋深為137 m，隧道襯砌結構按新奧法原理設計，采用超前支護和復合式襯砌結構，鉆爆法施工，實際施工時采用了全斷面開挖。在隧道爆破出渣通風后，立即采用錨噴和噴射混凝土，Ⅳ級圍巖還需鋪設鋼拱架和鋼筋網等，對圍巖作初期支護。

2 隧道建模

論文選取育王嶺隧道出口段80 m(K32＋40～K32＋120)進行建模分析，勘察資料表明K32＋40～K32＋075段圍巖級別為Ⅳ級，主要由中風化流紋巖組成；K32＋075～K32＋110段圍巖級別為Ⅴ級，主要由中風化熔結凝灰巖組成；K32＋110～K32＋120為隧洞出口外10 m。為保證計算消除邊界效應的影響，隧道地質模型以隧道為中心各向左右50 m，寬到80 m，模型底部平面高程為零。模型長寬高分別為80，100，70 m，模型底面設置為固定支座，模型豎向四周限制為對應方向的限制鉸支座。

本文運用AutoCAD，Sufer等軟件對出口段附近建立三維模型[11]，根據圍巖等級及隧道施工工序利用ANSYS軟件進行工程巖組劃分(見圖1)，分為四級圍巖、五級圍巖、加固后四級圍巖、加固后五級圍巖、初期支護、二襯支護、仰拱等體單元。差分后導入FLAC3D軟件中進行計算分析。

圖1 育王嶺隧道出口段三維工程模型

3 隧道開挖支護過程圍巖變形機理

在三維模型中施加重力得到天然應力場后，開挖隧道空間得到圍巖應力應變場；根據設計對圍巖錨噴加固并初期支護后分析得到圍巖應力應變場的變化；下一步在二襯及仰拱施工后，也模擬分析得到了圍巖應力應變場特征，四級圍巖選擇K32＋50斷面進行分析。

3.1 應力場變化特征

四級圍巖開挖未進行支護時，模擬得到斷面最大主應力云圖(見圖2)，表明在隧洞底部和頂部的一部分形成由應力釋放產生的拉應力集中區，而在隧洞的兩側下部出現了最大壓應力集中區。拉應力集中區、壓應力集中區并不完全對稱，這與隧道地表地形變化有關。

圖2 四級圍巖支護前最大主應力云圖

在進行圍巖錨噴加固及初期支護后，隧洞周圍的應力場發生了變化(見圖3)，在隧道開挖后頂部產生的拉應力區消失了，隧洞兩側下部最大壓應力集中區分布有所縮小，隧洞周圍的應力變化相對均勻，說明初期支護工程對圍巖應力場分布起了調節作用。在初期支護過后，可以發現雖然拉應力和壓應力有一定程度上的降低，但在底部的壓應力集中區并未得到解決，說明需要進一步支護。

圖3 四級圍巖初期支護后最大主應力云圖

在模擬完成二次襯砌和仰拱之后可以發現，四級圍巖應力集中的現象大大減少(見圖4)，原本在兩側底部的壓應力集中現象得到緩解，整體上圍巖所受的最大壓應力值得到了減小，隧洞底部圍巖處由受拉狀態轉變為受壓狀態，同時可以發現最大拉應力分布區域轉移到了仰拱處。

圖4 四級圍巖二襯及仰拱后最大主應力云圖

3.2 位移場變化特征

模擬分析結果表明，四級圍巖開挖后隧道變形以垂直方向為主，在隧道開挖后未進行支護時拱頂處豎向最大位移可以到達0.65 mm，在底部產生的底鼓最大位移將達到0.87 mm。在經過初期支護以后可以發現在四級圍巖處拱頂最大變形發生了增長，達到了1.12 mm，但產生較大變形的區域相對未進行初期支護時減少了，在底部發現雖然變形區域并未發生改變，但是最大位移減小到0.78 mm，說明初期支護后圍巖應力分布發生了調整，變形集中到了拱頂處。在經過二次襯砌和添加仰拱之后，可以發現拱頂的位移大大減小到只有0.34 mm，而在底部的底鼓現象也減弱。由應力圖發現仰拱承擔了較大的應力作用，但是由于其強度高抵抗變形能力強，因此最終產生的變形相對較小。模擬分析得到的變形數據與實際監測數據基本一致。

4 結 論

本文利用AutoCAD、Sufer、ANSYS、FLAC3D軟件對育王嶺隧道出口段建立了三維工程地質模型，模擬隧道開挖支護過程，并分析了圍巖應力應變狀態的變化特征。結果表明四級圍巖開挖未進行支護時，圍巖中分布有拉應力集中區、壓應力集中區。初期支護工程對圍巖應力場分布起了調節作用。在完成二次襯砌和仰拱之后，四級圍巖應力集中的現象大大減少，隧洞底部圍巖處由受拉狀態轉變為受壓狀態，同時可以發現最大拉應力集中轉移到了仰拱處，研究結果對隧道施工有一定的指導意義。

[1]張 勇，聶德新.金坪引水隧洞圍巖變形穩定性評價[J].工程地質學報，2005，13(4):461-464.

[2]宿文姬，朱仙華，潘 健.小凈距公路隧道穩定性數值模擬分析[J].工程地質學報，2006，14(2):253-256.

[3]張 敏，黃潤秋，巨能攀.淺埋偏壓隧道出口變形機理及穩定性分析[J].工程地質學報，2008，16(4):482-488.

[4]韓 健，劉山洪，常彬彬.石龍山隧道洞口施工過程的數值模擬研究[J].公路隧道，2008(1):14-17.

[5]唐 劍，付 洵，莫陽春.明月山隧道施工力學響應FLAC3D數值模擬[J].路基工程，2008(2):86-88.

[6]石 堅，丁 偉，趙 寶.隧道開挖過程的數值模擬與分析[J].鐵道建筑，2010(02):21-24.

[7]左清軍，吳 立，張良剛，等.隧道圍巖變形特征及其影響因素的數值模擬[J].鐵道建筑，2012(8):58-60.

[8]邵珠山，李曉照，陳福成，等.大跨軟巖公路隧道圍巖穩定性分析[J].地下空間與工程學報，2012，8(6):1221-1227.

[9]張王杰.關虎沖隧道施工過程數值模擬與分析[J].采礦技術，2014，14(1):82-84.

[10]侯俊敏，董 輝.山嶺隧道洞口段圍巖變形特征分析[J].地下空間與工程學報，2014，10(4):818-822.

[11]楊昌才，肖擁軍，鄧 敏.基于放樣和切割的FLAC3D復雜滑坡建模[J].湖南科技大學學報(自然科學版)，2012，27(4): 49-54.

[12]中華人民共和國交通部.公路隧道設計規范(JDG D70-2014)[S].北京:人民交通出版社，2014.

[13]中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范(GB 50010-2010)[S].北京:中國建設工業出版社，2011.

2016-03-11)

肖擁軍(1974-)，男，湖南祁東人，博士，副教授，主要從事工程地質教學科研工作，Email:yongjunxiao2002@ 126.com。