基于開挖影響下的隧道圍巖變形機理及變形特征研究

劉國

摘要： 為保證隧道開挖施工期間的人員安全，提高隧道工程建設質量，在介紹隧道圍巖變形時空效應、變形破壞類型以及圍巖變形與支護時機之間關系的基礎上，對全斷面開挖的雙線公路隧道施工過程進行了三維數值模擬，總結歸納了隧道圍巖拱頂沉降、洞身收斂以及掌子面擠出值隨開挖步進行的變化規律，并對支護結構控制圍巖變形的作用進行了分析，發現支護結構對控制圍巖變形具有重要作用。

Abstract： The purpose of this study is to ensure the safety of personnel during tunnel excavation and construction and improve the quality of tunnel construction. Based on the introduction of the temporal and spatial effects of the surrounding rock deformation， the type of deformation and failure， and the relationship between surrounding rock deformation and the timing of the surrounding rock support， the three-dimensional numerical simulation of the whole-section excavation of the double-lane highway tunnel is carried out. The deformation of the rock dome， the convergence of the cave body and the change of the squeeze value of the face with the excavation step are carried out， and the effect of the support structure on the deformation of the surrounding rock is analyzed. It is found that the supporting structure is important to control the deformation of the surrounding rock effect.

關鍵詞： 隧道圍巖；變形機理；變形特征

Key words： tunnel surrounding rock；deformation mechanism；deformation characteristics

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0141-03

0 引言

隨著我國西部大開發戰略的深入，我國中西部地區的高速公路建設項目逐漸增多，同時也修建了越來越多的山嶺隧道。礦山法隧道具有造價低，開挖斷面靈活，適應各種不同的地質條件等特點，因而山嶺隧道多采用礦山法施工。[1]初始地應力場往往由于受到隧道的開挖作業，破壞了其初始應力平衡狀態，引起隧道周圍一定范圍內的應力重新分布和局部地殼殘余應力釋放，與此同時也會惡化圍巖的物理力學性質，從而使圍巖產生變形甚至破壞，這一過程往往具有很強的時間相關性和空間相關性。[2]本文主要通過一個雙線公路隧道為實例，計算了在全斷面開挖工法的條件下，監測斷面拱頂沉降、洞身收斂以及掌子面擠出值隨開挖步的變化規律。

1 隧道圍巖變形機理

1.1 圍巖變形的時空效應

隧道圍巖變形的時空效應是一個綜合概念，包括變形空間效應和變形時間效應兩個方面。空間效應指的是隧道開挖過程中，由于受到開挖面的約束，使開挖面附近的圍巖不能立即釋放其全部瞬時彈性位移。這是開挖面推進過程中，由于空間變化所引起的一種圍巖變形特性。時間效應則主要表現為圍巖變形隨時間而改變的性質，這是圍巖具有流變性的體現。根據圍巖變形速率，隧道圍巖變形一般可劃分為三個階段，即急劇變形階段、穩定變形階段和流變階段。其中，急劇變形階段圍巖變形呈現急劇增長的特點。穩定變形階段圍巖變形一般趨于穩定。[3]

1.2 圍巖變形與支護的關系

圍巖的變形隨掌子面的推進而不斷動態變化，在無支護條件下，掌子面到達監測斷面前，監測斷面約產生總位移值30%的位移。然而，在掌子面后方距離約2D左右隧道圍巖位移基本收斂，圍巖位移與隧道支護時機之間的關系見圖1所示。[4]

從圖1可以看出：在開挖斷面距離監測斷面1.5D時，圍巖開始產生位移，當開挖斷面到達監測斷面時，位移突然急劇增加。當采取支護手段時，支護時機越早，圍巖的位移值越小，且隨著支護結構剛度的增加，在一定程度上可以抑制圍巖變形。[4]

2 施工過程數值模擬

2.1 工程資料

某雙線公路隧道隧道埋深60m，開挖方法為全斷面開挖，開挖進尺2.0 m，初期支護參數為噴射混凝土厚度28cm，混凝土標號C25，彈性模量為28GPa，泊松比為0.2，圍巖級別為Ⅳ級，對應的主要物理力學參數見表1所示。

2.2 建模計算

①首先在AutoCAD建立數值分析的二維模型，導入ANSYS中生成相應的三維有限元模型，圍巖用SOLID45單元模擬，最后導入FLAC3D中進行計算和后處理分析。[5]為了避免尺寸效應影響計算結果精度，模型中隧道左右及下部各取3～5倍的隧道洞徑，確定模型大小為120 m×100 m×150 m（X×Y×Z），建立的隧道開挖有限元模型如圖2所示。

3 圍巖變形特征研究

3.1 拱頂沉降變化趨勢

通過采用有限差分軟件FLAC3D計算，將監測斷面中拱頂監測點C隨開挖步沉降的變化趨勢整理如圖3所示。

從圖3中可以得出如下隧道拱頂沉降變形規律：在隧道未開挖到監測斷面時，監測斷面中的監測點C已經開始產生豎向沉降，只是變化趨勢相對比較穩定，且數值不大。隨著掌子面不斷逼近監測斷面，大約在1.0倍隧道洞徑時，隧道拱頂監測點C處沉降開始急劇增大。直至掌子面經過監測斷面約0.5倍隧道洞徑時，隨著隧道支護結構的施作，封閉了周圍的圍巖，抑制了圍巖變形的擴張，拱頂沉降的變化趨勢才逐漸趨于穩定，最終沉降值約-8.9 mm。

3.2 洞身收斂變化趨勢

將監測斷面中邊墻測線A、B隨開挖步收斂的變化趨勢整理如圖4所示。

從圖4中可以得出如下隧道洞身測線收斂變形規律：在隧道未開挖到監測斷面時，監測斷面中的測線AB已經有向隧道內部收斂的趨勢，只是變化趨勢相對比較穩定，且數值較小。隨著掌子面不斷逼近監測斷面，大約在1.0倍隧道洞徑時，隧道洞身測線AB處收斂值開始急劇增大。直至掌子面經過監測斷面約0.5倍隧道洞徑時，隨著隧道支護結構的施作，封閉了周圍的圍巖，抑制了圍巖變形的擴張，隧道洞身收斂的變化趨勢才逐漸趨于穩定，最終洞身收斂大小約為-4.2 mm。

3.3 掌子面擠出變化趨勢

將監測斷面中掌子面O點隨開挖步收斂的變化趨勢整理如圖5所示。

從圖5中可知，隧道未開挖到監測斷面時，掌子面O點擠出值相對較小，且變化趨勢保持穩定。直至開挖斷面距離監測斷面1.0倍的隧道洞徑時，掌子面O點的擠出值突然急劇增加，直至隧道開挖通過該監測斷面，最終擠出值約為-5.9 mm。[7]

4 結論

①隧道圍巖變形具有較強時空效應，根據圍巖的變形速率，一般將圍巖變形可劃分為三個階段，即急劇變形階段、穩定變形階段以及流變階段，且圍巖的變形與支護時機和支護強度具有很大的關系；

②隨著隧道的開挖的進行，監測斷面圍巖拱頂沉降、洞身收斂在開挖斷面距離監測斷面1倍洞徑時開始急劇變化，直至掌子面經過監測斷面0.5倍洞徑時開始逐漸趨于穩定。掌子面擠出值在開挖斷面距離監測斷面1倍洞徑時開始急劇變化，直至開挖斷面達到掌子面監測點；

③隧道的支護結構對于控制圍巖變形具有重要作用，可以明顯降低隧道變形大小，但對于控制掌子面擠出值的大小作用不明顯。

參考文獻：

[1]張定邦，楊盼，袁建華，等.鉆爆發開挖隧道圍巖變形特征研究[J].湖北理工學院學報，2015（12）.

[2]楊會軍，王夢恕.隧道圍巖變形影響因素分析[J].鐵道學報，2006（06）.

[3]孫元春，尚彥軍.巖石隧道圍巖變形時空效應分析[J].工程地質學報，2008（02）.

[4]關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京 人民交通出版社，2003（12）.

[5]孫書偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京 水利水電出版社，2011（06）.

[6]張咪，曾陽益，鄧通海，等.深埋軟巖隧道開挖及支護變形特征研究[J].水電能源科學，2017（01）.

[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].貼到建筑，2012（08）.