隧道開挖對圍壓變形及應力變化的影響分析

■吳文慧

（山西省交通科學研究院，太原 030006）

0 引言

我國山地眾多，部分地區地勢復雜多變，嚴重影響周邊區域人們出行和生產生活。早期為滿足山嶺及丘陵地區人們的需要，礙于施工技術的限制，多數山區采用盤山繞行公路或者鑿山取道等方法，很少采用隧道。20世紀80年代以后，隨著我國經濟社會的發展和公路、鐵路系統規劃布局的完善，越來越多的山嶺地區逐漸開始建設隧道。我國已成為世界上隧道和地下工程最多、最復雜、發展最快的國家之一。

我國隧道發展速度快、里程長，在建設的過程中難免會遇到復雜的地質條件。針對復雜的地質條件，由于目前受現有勘查技術及勘察手段的發展限制，很難準確進行判斷，導致不能合理選取施工技術，出現施工安排不當、支護效果欠缺、圍巖失穩等問題，嚴重影響施工作業的安全生產。合理采用隧道開挖及支護方式，不僅可以使圍巖與支護形成一體，協同發揮作用，而且能保證隧道及內設設備安全有效運行，這對隧道的建設施工具有很大的意義。在隧道開挖過程中，周圍巖體會受到非常大的影響，開挖施工不僅會導致圍巖變形、地表沉降，而且會使圍巖塑性區擴大以及圍巖應力大幅度下降，這對于隧道安全是極其不利的。基于此，本文主要以某隧道為研究對象，通過利用大型有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬，對隧道在開挖過程中的圍巖變形、地表沉降以及圍巖應力進行分析。

1 工程概況

某隧道工程，起始樁號右幅K110+275.04至K112+275，左幅K110+265至K112+265。隧道設計為雙洞三車道分離式，左幅起訖里程 ZK110+265～ZK112+265，長2000m，隧道所在路段縱坡為-2.00%，最大埋深293m；右幅起訖里程 YK110+275.04～YK112+275.04，長 2000m，最大埋深292m；本文研究區段位于YK110+474～YK110+494，平均埋深為60m。

圖1 隧道斷面尺寸圖

2 數值模擬假設及模型建立

2.1 數值模擬假設

現針對有關問題做以下假設：

（1）本構模型采用摩爾-庫倫模型，計算時按自重應力場考慮，考慮開挖過程是分步進行的，為了盡可能最大精度還原施工現場，故模擬中采用分段開挖支護，開挖與支護之間存在的時間間隔可以通過對計算步數的控制進行模擬。

（2）圍巖的初期支護包括有錨桿支護、鋼筋網、鋼拱架支護以及噴射混凝土襯砌支護，其中鋼筋網所提供支護作用可作為安全儲備不予考慮，超前支護、鋼拱架支護可將其彈性模量折算到混凝土上，以簡化模擬過程。

（3）模擬計算過程中，不考慮地下水滲流、巖溶等地質條件作用，也不考慮開挖方式產生的影響，均用“null”命令進行分布開挖。

（4）根據該隧道地質斷面圖取隧道中心埋深為60m，隧道上覆巖層起伏不大，視為水平。根據鉆孔資料，從地表向下依次為粉質黏土（厚度為10m）、黏土層（厚度為20 m）、下伏基巖白云巖厚度為70m。

2.2 數值模型及材料參數

隧道模型建立一般要考慮開挖影響范圍，本工程隧道斷面最長為17.5m，高度最高為13.8m，而一般地下工程的影響范圍為3～5倍洞室內徑，如圖2所示，建立模型時x軸取80m，y軸沿隧道軸線方向取50m，z軸取至地表距隧道截面中心60m處，豎直向下（z軸）取至距隧道截面中心40m處，除上邊界外，模型其它邊界均設有法向約束。除上邊界外其他三個邊界進行位移約束。

由上可知，模型尺寸為高(z=100m)×寬(x=80m)×長(y=50m)，起始段為YK110+470，沿著Y正方向開挖。其中YK110+470～YK110+474段采用錨桿加注漿小導管梅花型布置支護，YK110+474～YK110+494段采用錨桿支護，全段采用SF5c型襯砌，鋼筋網和工字鋼支撐折合到襯砌上面，該模擬共進行多次循環開挖。

表1 巖體的物理力學指標

表2 噴射混凝土和錨桿的力學參數

3 數值結果分析

3.1 開挖對圍巖變形的影響分析

圖2 數值模型圖

隧道在開挖以后，隧道變形量尤為重要。圖3為隧道開挖支護以后圍巖豎直方向位移云圖，本模擬進行多個循環開挖支護，每次開挖進尺為1.2m。由于篇幅有限且隧道具有對稱性，本文只給出第1、6、9和12次循環開挖右半幅隧道圍巖變形圖分析。由圖可知，圍巖變形主要集中在拱頂和拱底，并且從隧道中心向四周變形逐漸減小，這是由于隧道開挖對其拱頂和拱底圍巖產生較大的擾動所致。對于隧道拱頂圍巖，表現為整體下沉，拱頂部位變形最大，第1次循環開挖時，圍巖最大位移接近1.34mm，第12次循環開挖支護后隧道位移為2.90mm，并且從拱頂至地面圍巖變形量依次減少。對于隧道拱底圍巖，表現為整體上隆，在拱底位置，第1次循環開挖時，圍巖最大位移接近1.20mm，第12次循環開挖支護后隧道位移為2.00mm，并且向下變形量依次減少。在接近模型底部時，變形量已非常小，可以忽略不計，這也說明模型大小完全可以反映隧道開挖之后的變形特征。綜上所述，僅從隧道圍巖位移變化分布來說，隨著隧道斷面與掌子面的距離的增加，拱頂的下沉量和拱底隆起量一直在增大，但增速隨著與掌子面距離的增加而減小。隨著拱頂和拱底位移不斷增大，應該重點加強隧道拱頂圍巖支護，盡可能降低拱頂沉降，但因該隧道最大變形位移仍不大，且在正常范圍內，說明錨桿襯砌支護體系起到了比較好的效果，能夠有效抑制隧道變形，保證其正常使用。

圖4.a為隧道開挖支護50m后以后地表豎直方向位移監測曲線圖。由圖可知，在初期，隧道地表位移變化速度很快，基本呈現出線性增長，之后位移大小出現回落段，最終趨于位移平衡，這是由于隧道開挖對其地表產生較大的擾動所致，最終位移值接近于10mm。圖4.b為隧道開挖支護50m后隧道拱頂豎直方向位移監測曲線圖。由圖可知，在初期，隧道拱頂位移變化速度很快，也是呈現出線性增長，緊接著位移大小出現穩定平衡段，之后位移又以較小的斜率線性減小，最終趨于位移平衡，最終位移值接近于17mm。對于地表位移，相對于拱頂已大幅度減小，這與上述云圖所表現出的規律一致。綜上所述，僅從隧道拱頂和地表位移變化分布來說，位移變化在正常范圍之內。

3.2 開挖對圍巖應力的影響分析

圖4 地表及拱頂沉降曲線

圍巖所受應力是反映圍巖受力狀態最為重要依據之一，通過對其分析，可以判斷圍巖所處狀態以及判斷支護是否發揮預期效果，以此斷定隧道的穩定性。以下對隧道圍巖ZZ方向應力進行具體分析，詳細了解圍巖所處應力狀況。

圖5為隧道開挖過程中ZZ方向應力圖，由于圍巖受壓，故ZZ應力均為負值，顯然可知，在隧道未開挖之前模型從上往下壓應力依次增大。對于第1循環，最大值為2.43MPa，最小值為0.031MPa。隨著開挖進尺的的進行，圍巖應力逐漸發生變化，如圖5b、5c和5d所示，對于第1次開挖形成的斷面，隨著掌子面的推進，隧道拱頂和拱底最大壓應力逐漸減小，這是與隧道開挖后應力釋放有關。對拱頂、拱底以及拱腰位置應力進行比較，得到3處位置應力均為負，拱腰負應力最大，且從隧道兩幫向外擴散，應力大小值又逐漸縮小，這是由于該位置圍巖由于開挖后進行襯砌支護產生擠壓所致。

圖5 開挖過程中圍巖豎向應力變化云圖

4 結論

本文主要基于數值模擬方法，介紹了隧道圍巖位移、地表沉降、圍巖應力等變化規律，闡述了隧道的穩定性特性，得出以下結論：

（1）通過數值模擬得到的云圖及數據分析可知，隨著隧道斷面與掌子面的距離的增加，拱頂的下沉量和拱底隆起量一直在增大，但增速隨著與掌子面距離的增加而減小。這與實際工程實際相符，是合理的。也說明數值模擬建立的模型是正確可靠的，可用于對隧道的模擬分析。

（2）通過對隧道拱頂位移、地表位移、圍巖應力的分析，可以知道，隧道拱頂位移最大，其次是拱底，地表位移較小。對于圍巖應力，隨著開挖進尺的的進行，應力將逐漸發生變化，即隨著掌子面的推進，隧道拱頂和拱底最大壓應力逐漸減小，這是由于隧道開挖后應力釋放所致。綜上所述，隨著拱頂和拱底位移不斷增大，并應該重點加強隧道拱頂圍巖支護，盡可能降低拱頂沉降，而本文中因該隧道最大變形位移仍不大，在正常范圍內，說明錨桿襯砌支護體系起到了比較好的效果，能夠有效抑制隧道變形。