路塹分級開挖對既有隧道穩定性的影響研究

摘要：為研究路塹開挖對既有隧道穩定性的影響，文章依托某開挖路塹工程案例，采用Flac 3D軟件分析了路塹開挖后隧道的位移場和應力場。結果表明：（1）路塹開挖前，隧道的左下和右下區域出現較大水平方向位移，呈“橢圓發散狀”，最大水平位移數值約為6.8 mm；路塹開挖后，隧道左側出現較大變形，而隧道右側所受影響較小；（2）隨著路塹分級開挖，隧道所受應力逐漸增加，第二級開挖對隧道變形影響最大，此階段位移占總位移的78%，第三次開挖后，將在隧道左側產生90～240 kPa應力；（3）數值模擬結果與實際情況吻合較好，誤差約為6%，說明數值模擬具有一定的有效性。

關鍵詞：路塹開挖；隧道應力；變形規律；Flac 3D；數值模擬

0引言

隨著地下工程的發展，隧道的應用越來越廣，許多學者針對隧道工程進行了大量的數值模擬研究。鄒至橋［1］采用數值模擬的方法，依托某地鐵暗挖隧道，研究了對既有管線的位移影響，結果表明：管線沉降隨著隧道開挖逐漸增加，數值模擬結果與監測數據相吻合，所提出的改進工藝措施能夠保障施工安全。李偉林等［2］以成蘭鐵路隧道為工程實例，建立了不同岔角的數值模型，采用Fluent軟件模擬研究了風能損失規律，結果表明：通風死區與岔角成正比關系，且主線隧道局部損失系數與岔角基本不相關。申子玉等［3］采用Flac 3D軟件，研究了盾構施工對隧道變形、應力的影響規律，結果表明：拱頂靠近隧道一側變形較大，而拱底遠離隧道一側變形較小，且最大應力與最大位移位置呈對應關系。袁鐵剛等［4］使用有限元軟件，分析了某新建隧道在開挖時產生的變形規律，結果表明：隧道跨度與沉降變形保持對應關系，因此可采用近似斷面代替某一區域內的隧道模擬結果，從而簡化數值模擬流程。王麗萍［5］采用數值模擬的方法研究了隧道在不同水平間距條件下的變形規律，結果表明，兩隧道中心區域產生沉降而非回彈變形的原因是因為出現了“類似土拱”效應，且該土拱效應隨著水平間距的增大而增大。馬軍旗等［6］為優化數值模擬的圖形表示能力，基于ANSYS軟件提出了一種可生成隧道三維視圖的技術，并通過案例分析，驗證了該方法的推廣與應用價值。

由此可知，現有數值模擬研究大多針對隧道自身的變形場與應力場，卻少有學者從路塹開挖影響隧道穩定性的角度進行分析。基于此，本文以某開挖路塹邊坡和既有地下隧道為研究對象，采用Flac 3D軟件研究路塹開挖對既有隧道變形的影響規律。

1 工程概況

1.1 邊坡工程概況

某公路路線全長3.258 km，二級公路標準，路面寬12 m，兩側各設0.5 m的路邊石，路基全寬13 m。路面為瀝青混凝土路面結構。修建過程中開挖路塹邊坡自上而下分別由風化泥巖、泥質砂巖和砂巖組成，其物理力學參數如表1所示。其中左側塹坡高25 m，右側塹坡高34 m，邊坡坡率為1∶1.5。下埋設隧道總長約100 m，位于邊坡底部以下40 m深。見圖1。

1.2 路塹開挖方式

為探究路塹開挖步驟對既有隧道變形的影響，路塹開挖擬分3級開挖，每一級向下開挖10 m。隧道的管片采用彈性模型，楊氏模量為30 GPa，密度為2.3 g/cm3；銜接處的折減系數取0.74，管片外半徑為4.8 m，內半徑為4.5 m，管片厚度為30 cm。

2 數值模擬與結果分析

2.1 模型建立與選擇

采用Rhino軟件對模型進行網格劃分，單元采用六面體結構，將網格模型導入Flac 3D軟件生成邊坡模型，模型如圖2所示。其中模型尺寸為185 m×100 m×86 m，模型采用底面全約束，側邊界法向約束，頂面不約束。數值計算時，網格單元采用摩爾-庫倫模型。

2.2 路塹開挖后隧道變形規律

如圖2所示，路塹開挖前，隧道在開挖并采取初襯支護和二襯支護以后，隧道的左下和右下區域出現朝隧道洞室內方向的較大水平方向位移，呈“橢圓發散狀”，最大水平位移數值約為6.8 mm，而隧道的左上區域水平位移相對右上區域較大，數值約為5.4 mm。產生位移不對稱的原因主要是由于地形差異導致開挖后隧道左側應力場較大。如圖3所示為路塹開挖前隧道豎向位移云圖，隧道底部出現最大回彈變形，數值約為7.8 mm，而隧道頂部出現最大10 mm的沉降變形。出現這一現象的原因是：隧道開挖后，隧道底部在卸荷作用下產生較大的豎向上拱應力，因此出現回彈變形，而隧道頂部在上部巖體的擠壓所用下產生較大沉降位移。綜合分析隧道的水平位移和豎向位移可知，最大水平位移與豎向位移均≤10 mm，滿足隧道工程安全要求，隧道處于穩定狀態。

如圖4所示為路塹第三級開挖結束后的隧道整體位移云圖。由圖4可知，在路塹進行第三級開挖后，隧道整體位移較第一級路塹開挖更大，左側最大位移數值已經達到138 mm，有較大的失穩風險。因此，在路塹開挖工程中，應及時對隧道左側進一步施加支護措施，以防止隧洞坍塌。

2.3 路塹開挖對隧道主應力的影響分析

路塹開挖后，隧道的受力情況如圖5和圖6所示。隧道外圍Y方向應力數值范圍在31～200 kPa，該范圍是隧道半徑的15%。隧道頂部與隧道底部所受應力較小，因此可認為該方向的應力不會對隧道頂部與底部造成安全隱患，而隧道的左側和右側所受Y方向應力較大，數值約為195 kPa，可認為隧道在該方向有較大的安全風險。隧道Z方向應力數值范圍在90～240 kPa，該范圍占隧道半徑的18%，隧道周圍整體受力均勻。

綜合分析隧道應力與路塹開挖關系可知，隨著路塹分級開挖，隧道所受應力逐漸增加，并在第三級開挖后，將在隧道左側產生較大應力。因此，在實際工程中應加強隧道左側的應力監測，防止出現隧道應力集中現象，產生隧道墻體破壞現象。

2.4 路塹分級開挖對隧道穩定性的影響

綜合前文分析可知，隧道的左側受路塹開挖影響較大，可以忽略對隧道右側的影響。基于此，本研究在隧道左下區域設置1號監測點，以進一步探究路塹開挖對隧道變形的影響。如圖7所示為路塹三級開挖后1號監測點水平位移和豎向位移曲線。由圖7可知，1號點豎向位移明顯較水平位移大，最大水平位移和豎向位移分別為138 mm和70 mm；1號監測點的水平位移和豎向位移均與路塹開挖次數呈正比關系，且隨著每一級開挖結束，位移均呈先快速增加后趨近于穩定的趨勢。不同之處在于，對于1號監測點的水平位移而言，三級路塹開挖對隧道的影響相差較小；而對其豎向位移而言，第三級路塹開挖較前兩級路塹開挖對隧道變形的影響更大。

為驗證本文數值模擬的有效性，本研究在隧道頂部設置了位移2號位移監測點。如圖8所示為隧道監測數據與數值模擬結果對比曲線。由圖8可知，隧道頂部位移隨路塹開挖呈現先緩慢增加后加速增加，最后減速收斂的變化趨勢。從位移數值上來看，第一級開挖達到20 mm豎向位移，第二級開挖達到了65 mm，第三級開挖結束后，豎向位移最終達到83 mm。由此可知，第二級開挖對隧道頂部位移產生的影響最大，此階段位移占比達到78%，因此在實際工程中，應重點關注路塹第二級開挖，加強此期間隧道頂部位移監測工作。數值模擬結果與實際情況吻合較好，第三級開挖后，隧道頂部位移達到78 mm，僅比實際監測位移小5 mm，誤差約為6%，而產生相對誤差的原因可能是由于人為干擾因素和忽略巖體結構裂隙等原因綜合造成的。

3 結語

本研究以某路塹開挖工程為依托，采用數值模擬的方法研究了路塹開挖對既有隧道穩定性的影響，得到以下結論：

（1）路塹開挖前，隧道的左下和右下區域出現較大水平方向位移，呈“橢圓發散狀”，最大水平位移數值約為6.8 mm，隧道底部在卸荷作用下[KG（0.1mm]產生較大回彈變形。結合隧道的水平位移和豎向位移可知，最大水平位移與豎向位移均≤10 mm，滿足隧道工程安全要求，隧道處于穩定狀態。

（2）在路塹第三級開挖后，隧道整體位移較第一級路塹開挖更大，左側最大位移數值已經達到180 mm，有較大的失穩風險。隨著路塹分級開挖，隧道所受應力逐漸增加，并在第三級開挖后，將在隧道左側產生較大應力。因此，在實際工程中應加強隧道左側的應力監測，防止出現隧道應力集中現象，同時應及時對隧道左側進一步施加支護措施，以防止隧洞坍塌。

（3）隧道頂部位移隨路塹開挖呈現先緩慢增加后加速增加，最后減速收斂的變化趨勢。第二級開挖對隧道頂部位移產生的影響最大，此階段位移占比達到78%。在實際工程中，應重點關注路塹第二級開挖，加強隧道頂部位移監測。數值模擬結果與實際情況吻合較好，誤差約為6%，說明本文數值模擬具有一定的有效性。

參考文獻：

［1］鄒至橋.暗挖隧道施工對既有管線沉降影響的數值模擬研究［J］.四川水泥，2022（8）：103-106.

［2］李偉林，章 光，朱應偉，等.不同分岔角的卜型隧道施工通風三維數值模擬研究［J］.現代隧道技術，2022，59（4）：158-166，195.

［3］申子玉，梁 辰.近距隧道后行盾構對先行隧道影響的數值模擬分析［J］.工程技術研究，2022，7（16）：32-34.

［4］袁鐵剛，白守興，王曉偉.某隧道施工過程的近似數值模擬［J］.建筑技術，2022，53（9）：1 126-1 128.

［5］王麗萍.水平間距對涉水隧道土體變形影響的模擬分析［J］.黑龍江水利科技，2022，50（8）：74-76，108.

［6］馬軍旗，周林豪，周 永，等.基于虛擬現實技術的隧道工程數值模擬三維可視化研究［J］.科技創新與應用，2022，12（28）：12-16.

作者簡介：李錦源（1986—），工程師，研究方向：道路與橋梁工程。