考慮開挖空間效應的隧道圍巖穩定性分析

牟 丹

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

隨著我國交通工程的快速建設，我國公路網已基本實現四通八達，鐵路建設也緊隨其后，大量山嶺隧道已被修建［1］。隧道內部原巖開挖會導致周圍巖土體的應力發生二次重分布，尤其當巖層為工程軟巖時，由于軟巖具有自身強度低、變形大、自穩和自承能力等特性而發生大變形；另外，山嶺鐵路隧道開挖經常采用爆破施工方法，難度大、干擾因素多，對圍巖擾動較大，直接影響隧道圍巖穩定性［2-4］。隧道周邊巖體直接影響隧道開挖以后的穩定性以及襯砌設計的強度，因此，隧道圍巖穩定性問題成為地下工程界亟待解決的難題之一。

由于巖石力學不斷向深埋地下領域發展，尤其是隧道工程，這就對結構的數值模擬分析的精度有更高的要求。隨著計算機技術的發展，一些有限元計算軟件被廣泛用于隧道數值模擬［5-7］，包括ANSYS、ABAQUS、Midas/GTS 以及有限差分軟件FLAC3D。針對重慶某雙線鐵路隧道，初期支護采取錨噴聯合支護，噴射層厚度為20 cm，錨桿長度3 m；二次襯砌采用復合式襯砌，厚度為40 cm。選取該隧道Ⅳ級深埋軟巖段作為研究對象，根據現場實測數據可知，該段隧道在施工期間圍巖發生較大變形，由于FLAC3D 更適用于解決隧道施工過程中的軟巖大變形等非線性問題，因此，選用FLAC3D 有限差分軟件來模擬該段隧道的三維動態開挖過程并對隧道循環施工過程中的圍巖變形與受力特征進行分析。

1 工程概況

鐵路隧道隧道全長910 m，起訖里程K500+082—DK500+992，地面高程約在520～710 m，相對高差約190 m 左右，隧道最大埋深約183 m。隧道進口位于基巖內，洞身地段巖性泥巖夾頁巖、泥巖夾泥灰巖、泥灰巖等，地質構造簡單，圍巖基本質量等級為IV 級。隧道IV 級圍巖采用復合式襯砌，通過工程類比結合隧道設計資料確定巖體與支護參數見表1。

表1 襯砌支護參數

表2 圍巖參數

2 有限元模型建立

FLAC3D 有限差分軟件模擬計算范圍確定原則：通常情況下，隧道開挖僅對距開挖中心3～5 倍范圍內的圍巖產生影響，由于實際依托工程為深埋軟巖隧道，適當增加數值模擬計算模型。因此，本次模擬計算區間為橫向100 m，豎向100 m，縱向30 m，由CAD 圖件導入ANSYS 軟件進行網格劃分并拉伸成體，建立模型后保存單元及節點等信息并通過接口程序轉換導入FLAC3D 中進行計算，模型共有單元數為48 780 個，節點數為51 894 個。模擬圍巖、初期支護、二次襯砌均采用實體單元模擬，初期支護和二次襯砌視為線彈性材料并采用彈性本構模型；將圍巖視為理想彈塑性材料并賦予摩爾-庫倫本構模型，計算模型的邊界條件主要采用位移邊界條件：模型4 個側面和和底面均采用位移邊界條件，約束其法向位移；初始地應力場近視看作自重應力場，為減少模型單元數和節點數并降低計算量，應根據隧道實際埋深將模型上部巖體重力荷載轉換為均布荷載施加在模型上表面，荷載大小為3 MPa。隧道開挖工法采用上下臺階法進行爆破開挖，開挖進尺為 2 m，上下臺階相距6 m。模型見圖1。

圖1 計算模型

3 結果分析

隧道在開挖過程中，開挖掌子面的存在會影響圍巖應力與監測斷面特征點位移的釋放，這種現象被稱為掌子面空間約束效應，離開挖掌子面越近這種效應越明顯，離開挖掌子面越遠這種空間效應越來越小，直到一定距離處圍巖則不再受圍巖的空間約束作用。基于FLAC3D 有限差分軟件對隧道三維動態開挖進行模擬，獲得隧道在開挖過程中圍巖應力與監測斷面特征點位移變化規律，研究隧道開挖的空間效應并分析隧道施工期間的穩定性。

3.1 圍巖應力分析

隨著隧道開挖，隧道周邊圍巖會發生應力重分布見圖2。由圖2 可知，應力分布規律為拱頂區域應力減小，隧道拱頂上方一定范圍內形成形似漏斗狀的卸壓區域；而拱腳出現應力集中，應力增大；隨著隧道不斷開挖，最終形成拱頂處圍巖應力較少，拱腳處圍巖應力增加的現象，同時說明拱腳為隧道施工過程中重點監測部位。

隧洞開挖應力云圖揭示了隧道采用上下臺階法動態開挖工程中圍巖的受力情況。由圖2（f）可知，在隧道下臺階循環開挖支護過程中，圍巖的豎向最大應力集中于上臺階與下臺階交界拱腰處，并且發現支護結構應力集中部位不斷向掌子面逼近，最大豎向壓應力值為11.14 MPa，當前支護能夠充分維持隧道圍巖穩定。

圖2 隧道開挖過程圍巖豎向應力

從隧道遠端不斷接近開挖掌子面時，拱腰、拱肩、拱腳的豎向壓應力不斷減小，分析其原因主要是隨著下臺階原巖開挖，圍巖應力不斷釋放，開挖掌子面的空間約束作用不斷弱化。

3.2 圍巖位移分析

以IV 級圍巖模型縱向長度為15 m 的斷面（即隧道縱向中心，為消除邊界效應）為主要監測對象，針對必測項目的拱頂下沉和周邊收斂進行研究。利用FLAC3D 中的history 命令來監測隧道在施工過程中拱頂、拱腳位移變化規律，進而判斷隧道在施工期間的穩定性。隧道開挖監測斷面位移曲線見圖3。

由圖3 可知，隧道開挖行為導致隧道圍巖應力發生重分布的同時伴隨著變形的產生，開挖掌子面在監測斷面2 倍洞徑之內時，開挖會引起監測斷面位移的變化，在1 倍洞徑之內變化較為明顯；在監測斷面前大概0.3 洞徑時發生急劇變化。上臺階開挖后，監測斷面特征點會發生急劇下降，并持續4～5 d，拱頂下沉量達到位移總下沉量的60%以上；隨著開挖斷面繼續向前推進1 倍洞徑，拱頂下沉速率不斷減小，進入緩慢變形階段。隨著下臺階開挖與仰拱閉合，拱頂沉降速明顯減小，并逐漸趨于平緩，監測斷面特征點位移幾乎不變，隧道處于穩定狀態。

圖3 隧道開挖監測斷面位移曲線

4 結語

（1）在隧道施工過程中，由于隧道開挖造成圍巖應力重分布，其中拱腳產生應力集中屬于加載區域，施工過程中應加強拱腳處的監測。（2）影響隧道穩定性的因素很多，支護結構能夠有效抑制隧道圍巖變形，改善圍巖受力；隨著支護結構的閉合，能夠有效提高隧道圍巖的穩定性。（3）監測斷面距開挖掌子面距離越遠，監測斷面特征點變形速率越小，圍巖應力值越大，掌子面的空間約束效應在距監測斷面1 倍洞徑到2 倍洞徑基本消失。（4）在隧道開挖瞬間并施作初支后，監測斷面特征點位移變化比較明顯，開挖后前4 d 的累計變形量占總變形量的50%以上，因此，可以認為最不利出現在開挖并支護的第4 d 左右，要加強開挖掌子面前0.5 倍洞徑到1 倍洞徑斷面處的監測。