基于FLAC 3D的高地應力軟巖隧道變形特征研究

摘要：為研究高地應力軟巖隧道變形特性，文章依托某實際工程，運用FLAC 3D軟件模擬圍巖力學參數不變化、圍巖僅受圍壓強化、圍巖僅受應變軟化、圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用四種工況，并深入研究了隧道埋深和側壓力系數的影響，得到如下結論：（1）考慮隧道圍巖受到圍巖強化和應變軟化耦合作用更符合實際工程中高地應力軟巖的力學規律，且數值計算結果合理，可用于數值模擬；（2）增大隧道埋深會增大圍巖變形，但對塑性區形狀無影響；（3）側壓力系數對隧道變形有較大影響，過大或過小都會導致隧道變形增大；不同的側壓力系數時，隧道塑性區形狀也不同。

關鍵詞：隧道；高地應力；軟巖；FLAC 3D；應變軟化

0引言

隨著我國西部地區的不斷開發，隧道修建不可避免地要經過地應力較高的軟巖地區，其大變形災害問題是目前面臨的一大難題，諸多學者曾對此進行研究。汪波等［1］認為支護可以有效緩解高地應力軟巖隧道的變形災害，并通過資料調研總結常見支護模式，對其有效性進行了深入分析。富志鵬等［2］探索適用于高地應力條件下的軟巖隧道大變形控制技術，提出兩種支護方案，并通過現場試驗對比分析其加固效果。楊鑫等［3］依托中老鐵路某隧道，研究了在開挖過程中隧道圍巖及初支結構的變形破壞特性，并提出了相應的控制措施。王哲等［4］通過資料調研，總結歸納了軟巖隧道大變形的機理，并基于彈塑性理論和回歸分析提出相應的預測辦法。馬棟等［5］將現場監測數據與數值模擬相結合，分析了高地應力軟巖隧道的大變形規律，并對其二次襯砌的時機進行了探討。

學者們多采用傳統彈塑性理論分析高地應力軟巖隧道，但傳統方法忽略了此類隧道特殊的力學特性和工程特性，所得結果與工程實際偏差過大。本文依托某實際工程隧道，根據資料調研對圍巖設置不同的力學參數，采用FLAC 3D軟件對圍巖力學參數不變化、圍巖僅受圍壓強化、圍巖僅受應變軟化、圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用這4種工況進行模擬，并在此基礎上進一步研究了隧道埋深和側壓力系數對其圍巖變形的影響。

1 工程概況

依托工程為一單洞雙線隧道，其最大埋深高達952 m。該隧道圍巖多為Ⅳ級和Ⅴ級，其斷層部分主要為泥巖和碎裂巖，節理發育，涌水風險大；其他部分主要以千枚巖為主，具有大變形現象，工程地質條件差，施工風險較大。

2 圍巖穩定性分析

2.1 工況設置

根據資料調研，千枚巖對圍壓變化較為敏感，當圍壓較小時，為彈脆塑性模型，隨著圍壓的不斷增大，逐漸轉變為應變軟化模型。因此，在進行數值仿真計算時，需要注意千枚巖隧道圍巖的應力-應變關系，特別是應力峰值之后的變化規律。根據應變軟化模型，可將隧道開挖后的應力場分為彈性區、塑性區和殘余區3個部分，將圍巖的參與強度與峰值強度之比視為應變軟化系數，將從塑性區變為殘余區時的塑性剪切應變視為殘余應變。此外，隧道圍巖處于三維應力場，其徑向應力又會對圍巖有強化作用。為更準確地分析該工程隧道圍巖變形特征，現設置如下4種工況：圍巖力學參數不變化、圍巖僅受圍壓強化、圍巖僅受應變軟化、圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用，其參數變化如下頁表1所示。其中，σ表示應力，ε表示應變。圍巖重度為2 400 kg·m-3。

2.2 計算模型

根據依托工程實際情況，在ANSYS軟件中取隧道的一半建立三維模型，其長寬高分別為50 m、20 m和100 m。將模型導入FLAC 3D軟件中，設置前、后、左邊界為法向約束，設置上、下、右邊界為應力約束，模擬三臺階法循環開挖，其進度為1 m。模型如圖1所示。

2.3 結果分析

隧道開挖結束后，4種工況下隧道徑向應力隨著深度的變化情況如下頁圖2所示。由圖2可知，因4種工況均未設置隧道初支，故其初始應力均為0，最終應力與初始地應力一致，約為20 MPa。但是由于設置了不同的圍巖參數變化規律，其徑向應力的變化路徑也不相同。相較而言，在圍巖力學參數不變化的工況下，徑向應力增長速度最快，擾動范圍最小；當圍巖僅受應變軟化時，徑向應力增長速度最慢，擾動范圍最大。圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用下的徑向應力增長速度稍強于圍巖僅受應變軟化的工況，主要原因是圍巖受到三向壓縮作用，使其力學參數有一定的強化。

該數值仿真計算模型總體積為1×105 m3，四種工況下塑性區體積分別3.39×103 m3、4.16×103 m3、1.33×104 m3、1.21×104 m3，分別占總體積的3.39%、4.16%、13.3%、12.1%，且其分布形式均為圓形。

為分析隧道拱頂、拱肩、拱腰等特征點位移隨開挖步數的變化情況，取隧道深度為10 m處的斷面進行監測，得到相應的變化規律如圖3所示。由圖3（a）可知，4種工況下的拱頂沉降最大值分別為7.23 cm、3.59 cm、37.07 cm、12.24 cm。其中，當圍巖僅受應變軟化影響時，拱頂沉降值最大，是圍巖力學參數不變化的5.13倍；當圍巖僅受圍壓強化影響時，拱頂沉降最小，是圍巖力學參數不變化的0.50倍；當圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用時，其拱頂沉降是圍巖力學參數不變化的1.69倍。

由圖3（b）可知，4種工況下拱肩水平收斂最大值分別為4.80 cm、3.04 cm、18.34 cm、8.01 cm。其中，當圍巖僅受應變軟化影響時，拱肩水平收斂值最大，是圍巖力學參數不變化的3.82倍；當圍巖僅受圍壓強化影響時，拱肩水平收斂最小，是圍巖力學參數不變化的0.63倍；當圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用時，其拱肩水平收斂是圍巖力學參數不變化的1.67倍。

由圖3（c）可知，4種工況下拱腰水平收斂最大值分別為7.19 cm、4.21 cm、23.76 cm、10.39 cm。其中，當圍巖僅受應變軟化影響時，拱腰水平收斂值最大，是圍巖力學參數不變化的3.30倍；當圍巖僅受圍壓強化影響時，拱肩水平收斂最小，是圍巖力學參數不變化的0.59倍；當圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用時，其拱腰水平收斂是圍巖力學參數不變化的1.45倍。

通過上述仿真分析計算可知，工況4（圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用）考慮全面，符合該工程圍巖力學規律且計算結果合理，可將其用于高地應力軟巖隧道開挖施工的數值仿真計算。

3 影響因素分析

3.1 埋深對隧道圍巖的影響

設置模型圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用，采用實體單元模擬隧道初支，初支距掌子面1 m，為C25噴射混凝土，厚度為30 cm，泊松比為0.2，重度為2 200 kg瘙簚m-3?？紤]到隧道埋深的增加會改變模型的自重應力和隧道圍巖的力學特性，故設置8種不同埋深的工況，取隧道深度為10 m處的斷面進行監測，則其拱頂沉降、拱肩水平收斂、拱腰水平收斂以及拱底隆起最終值如表2所示。由表2可知，隨著隧道埋深的增加，隧道各個監測點的位移值也不斷增大。

如圖4所示為8種不同埋深工況下隧道圍巖塑性區的體積變化情況，其形狀均為圓形，故可知隧道埋深不會改變塑性區形狀。在8種不同埋深工況下，塑性區體積分別占總體積的4.45%、8.68%、11.41%、13.05%、13.12%、13.027%、13.31%、13.45%。即當隧道埋深＜1 000 m，塑性區體積隨著埋深有明顯增大；當隧道埋深＞1 000 m，塑性區體積隨埋深變化較小。

同時，不同隧道埋深工況下掌子面的最大擠出變形量分別為17.77 cm、53.55 cm、92.83 cm、127.09 cm、126.5 cm、146.57 cm、162.62 cm、210.91 cm，其位置均位于上臺階中心處，相較于其他位置，臺階中心處的擠出變形更為明顯，且隨著隧道埋深的增大，隧道掌子面擠出變形有明顯增大。故當隧道埋深增加時，應當采取一定的措施支護掌子面。

3.2 側壓力系數對隧道圍巖的影響

側壓力系數是指水平地應力與豎向地應力之比，一般為0.5～5.0［6］。上文所有工況均取側壓力系數為1進行仿真計算。為進一步研究側壓力系數對隧道圍巖的影響，選取隧道埋深為750 m，分別設置7種不同的壓力系數，取隧道深度為10 m處的斷面進行監測，則其拱頂沉降、拱肩水平收斂、拱腰水平收斂以及拱底隆起最終值如表3所示。由表3可知，一般而言，隨著側壓力系數的增加，隧道各個監測點的位移值也不斷增大，但當側壓力系數過小時，監測點位移也會增大。

如后頁圖5所示為7種不同側壓力系數工況下隧道圍巖塑性區的體積變化情況。由圖5可知，當側壓力系數為0.5時，塑性區形狀為上下窄中間寬；當側壓力系數為0.75、1、1.25時，其形狀近似為圓形；當側壓力系數繼續增大后，塑性區形狀為上下寬中間窄。7種不同側壓力系數工況下，塑性區體積分別占總體積的28.7%、10.18%、11.41%、11.24%、14.78%、23.3%、32.41%。即當側壓力系數為0.75、1、1.25時，其塑性區體積較為接近；側壓力系數過大或過小，都會造成塑性區體積增大。

不同側壓力系數工況下掌子面的最大擠出變形量分別為86.31 cm、73.95 cm、92.83 cm、112.12 cm、137.34 cm、168.5 cm、216.5 cm，其位置均位于上臺階中心處。相較于其他位置，臺階中心處的擠出變形更為明顯。隨著側壓力系數的增大，隧道掌子面擠出變形有明顯增大。當側壓力系數過小時，其隧道掌子面擠出變形也有所增大。

4 結語

為研究高地應力的軟巖隧道的變形特性，本文依托某實際工程隧道，根據資料調研對圍巖設置不同的力學參數，采用FLAC 3D軟件對圍巖力學參數不變化、圍巖僅受圍壓強化、圍巖僅受應變軟化、圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用這4種工況進行模擬，在此基礎上進一步研究了隧道埋深和側壓力系數對其圍巖變形的影響，得到如下結論：

（1）考慮隧道圍巖受圍壓強化和應變軟化耦合作用，更全面地考慮了高地應力軟巖隧道實際工程特性，符合圍巖力學規律且計算結果合理，故認為可將其用于高地應力軟巖隧道開挖施工的數值仿真計算。

（2）在考慮圍巖受圍壓強化及應變軟化耦合作用的情況下，隧道埋深越大，則其各監測點位移越大，掌子面變形量越大；不同埋深情況下，隧道塑性區均為圓形；當隧道埋深＜1 000 m，塑性區體積隨著埋深明顯增大；當隧道埋深＞1 000 m，塑性區體積隨埋深變化較小。

（3）在考慮圍巖受圍壓強化及應變軟化耦合作用的情況下，當側壓力系數分別為0.75、1、1.25時，隧道變形特征較為相似；側壓力系數過小或過大，都會造成隧道監測點位移、塑性區面積及掌子面變形量的增大；改變側壓力系數會改變塑性區形狀，當系數過小時，為上下窄中間寬，當系數過大時，為上下寬中間窄。

參考文獻：

［1］汪 波，喻 煒，訾 信，等.軟巖大變形隧道不同支護模式的合理性探討——以木寨嶺公路隧道為例［J］.隧道建設（中英文），2023，43（1）：36-47.

［2］富志鵬，李博融，徐 晨，等.高地應力軟巖隧道大變形控制方案現場試驗［J］.長安大學學報（自然科學版），2023，43（1）：133-142.

［3］楊 鑫，王建軍，周 波，等.中老鐵路沙嫩山隧道施工變形特征及控制技術［J］.人民長江，2022，53（S2）：109-112.

［4］王 哲，劉 欽，劉 磊，等.軟巖隧道大變形研究現狀及控制對策［J］.鐵道建筑，2022，62（12）：138-142.

［5］馬 棟，晉劉杰，王武現，等.基于數值模擬與實測數據擬合的高地應力軟巖隧道二次襯砌施作時機探討［J］.現代隧道技術，2022，59（4）：137-146.

［6］沈明榮，陳建峰.巖體力學［M］.上海：同濟大學出版社，2006.

作者簡介：周小喜（1975—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。