不同偏壓角度下淺埋隧道開挖施工力學行為研究

鄭英豪 張帥 閆鑫

摘 要：為探究在不同地形偏壓角度下由于隧道開挖而對圍巖產生的力學效應，通過數值模擬建模，計算并分析了不同偏壓角度對隧道施工的影響，結果表明：隧道各控制點處的最大位移絕對值小于10 mm，表明淺埋隧道開挖時，地形偏壓對于隧道周邊收斂值的影響存在一定的影響，但總體上影響較小。不同偏壓角度的沉降變化曲線形態類似，隨著偏壓角度的增大，左拱腰在開挖初期有隆起的趨勢，但是在開挖后期，卻出現了下沉，并且下沉量也有加速增大的趨勢。

關鍵詞：淺埋偏壓隧道；偏壓角度；數值模擬

Study of the Mechanical Behavior of Shallow Buried Tunnel Excavation

under Different Deflection Angles

Zheng Yinghao Zhang Shuai Yan Xin

（ School of Civil Engineering，Hebei University of Civil Engineering and Architecture，Zhangjiakou，Hebei 075000）

Abstract：In order to investigate the mechanical effect on the surrounding rock due to tunnel excavation under different topographic deflection angles，the effect of different deflection angles on the tunnel construction was calculated and analysed through numerical simulation modelling.The results show that the maximum displacement at each control point of the tunnel is less than 10 mm in absolute value，indicating that there is a certain influence of topographic deflection on the convergence value around the tunnel during shallow buried tunnel excavation，but the overall influence is small.The settlement curves for the different deflection angles have a similar pattern，with the left arch waist tending to bulge at the beginning of the excavation as the deflection angle increases，but at the end of the excavation there is subsidence and an accelerated increase in the amount of subsidence.

Key words：shallow buried deflection tunnel;deflection angle;numerical simulation

隨著我國公路及鐵路隧道建設向更偏遠山區延伸，當前隧道修建也面臨著嚴峻復雜的地質條件。由于地形、地質、施工條件等影響新建隧道線路走向無法完全垂直于地形等高線時，在隧道橫截面上就會產生由于地形分布不均勻所導致的偏壓應力，同時在隧道進出口段由于上覆土層較薄而形成的淺埋偏壓隧道。［1-2］因此，闡明地形偏壓條件下淺埋隧道力學特征及其作用規律有利于更好地針對其進行支護結構設計，從而保證隧道施工中隧道的整體穩定性及安全性。

偏壓角度是對地形偏壓的概化，［3］當增大偏壓角度時，隧道斷面兩側所受不平衡應力越大，且在偏壓角度較大時，偏壓隧道深埋側所受應力會顯著高于淺埋側所受應力，從而加劇了二次襯砌等支護結構內部應力集中現象。［4］相比無偏壓隧道，偏壓地形對于隧道安全施工有較大影響，地層的穩定性難以控制；［5-8］李思以襯砌安全系數為安全性評價指標，研究了存在空洞的情況下，偏壓角度對襯砌安全性的影響；［9］羅晶將偏壓系數、圍巖安全系數、襯砌安全系數作為評價指標，得出了隨著洞室埋深的增大，隧道襯砌內力偏壓效應有所減小的規律；［10］郭一凡針對某實際隧道工程，采用有限元分析方法，分析得出偏壓角度大于30°時，隧道偏壓應力和偏壓系數會明顯變化，當偏壓系數提高到1.8以上，會加劇偏壓作用。［11］

由上述文獻可知，偏壓角度的改變會對圍巖的穩定性及隧道開挖中的安全性產生較大影響。基于此，本文通過基于有限差分算法的FLAC 3D數值模擬軟件，建立相應偏壓隧道模型，分析在隧道開挖過程中，不同偏壓角度下的圍巖應力分布及拱周位移變化規律。

1 偏壓隧道模型建立

1.1 前提假定

由于巖土材料的組成成分繁多且存在節理、裂隙等復雜地質構造，若對巖土材料的全部力學特性進行模擬是十分困難的，且對于本文研究問題來說也是不必要的，因此，在計算之前進行一些前提假定：［12-14］（1） 忽略巖層破碎帶、強富水導致圍巖的不連續性，采用連續介質模型；（2） 本構模型采用Mohr-Coulomb本構；（3） 初始應力忽略構造應力場及滲流場，僅考慮重力場影響；（4） 隧道偏壓角度及埋深為均勻變化。

1.2 模型建立

計算模型綜合運用了Midas GTS的前處理功能和FLAC的本構模型及計算功能。采取Midas GTS進行前期建模，在可視化界面下進行新建偏壓隧道模型的建立。結合工程實際情況確定洞室最大跨度處寬度為14 m，矢高為11 m。依據圣維南原理，確定模型長（X）為100m，沿隧道開挖方向（Y）為30 m，模型高度（Z）因工況不同有所不同。數值模型網格劃分上，地層結構的網格單元尺寸為3 m，襯砌結構尺寸較小，故在網格單元劃分適當加密，網格單元尺寸為2 m。偏壓隧道模型共12749個節點，11360個單元，新建偏壓隧道模型的網格劃分及控制點布置如圖1所示。

數值模擬計算工況為偏壓角度10°～35°，隧道埋深20m，圍巖等級V級。在有限元的數值分析計算時，材料的力學參數是否合理將直接影響到偏壓隧道支護設計模擬的準確性。本模型主要分為三個部分：偏壓土層、初期支護、二次襯砌以及錨桿。根據頭道溝工程勘察報告，確定工程場地范圍內主要地層為V級圍巖，其主要物理力學參數為：重度18.5×103 kN·m2、彈性模量1.5 GPa、泊松比0.35，除錨桿采用Pile結構單元模擬，圍巖、支護結構均采用實體單元模擬。圍巖及偏壓隧道物理力學參數見表1。

2 結果與分析

2.1 偏壓角度因素影響

不同偏壓角度工況下，隧道開挖最大主應力云圖如圖2（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示，各控制點總體位移和相對位移見表2。

分析主應力云圖可得：不同偏壓角度下的沉降云圖無明顯差異，圍巖應力場變化呈現非對稱，深埋側的變化程度大于淺埋側。隧道主應力敏感區域為左拱腰及左右拱腳，且隧道左拱腳處出現明顯應力集中現象，深埋側隧道拱腳最大壓應力在偏壓角度10°、15°、20°、25°、30°、35°下，分別為0.508 MPa、0.528 MPa、0.488 MPa、0.473 MPa、0.471 MPa、0.461 MPa。最大壓應力大小隨著偏壓角度的增加總體上呈現逐漸減小的趨勢，這是由于偏壓角度越大，隧道深埋側上覆圍巖自重越大，使得隧道左右兩側應力分布越不對稱。

由表2可得，隨著隧道開挖，最大豎向沉降量集中在隧道拱頂上方，且隧道底部出現了隆起的現象。在隧道埋置深度不變的情況下，隨著偏壓角度的增大，偏壓隧道深埋側各控制點開挖后豎向位移也在不斷增大，并以拱頂處沉降值增幅為最大。特別是隧道角度在30°～35°時，偏壓隧道拱頂處位移值增長率最大。隨著偏壓角度的增大，除了拱底處位移，隧道內各控制點位移呈現出增大的趨勢，其中最大沉降量出現在隧道拱頂上方。同時可以看出，隧道各控制點處的最大位移絕對值小于10 mm，表明淺埋隧道開挖時，地形偏壓對于隧道周邊收斂值的影響存在一定的影響，但總體上影響較小。其中，偏壓角度在30°～35°之間時隧道拱肩、拱腰、拱腳收斂變形最為顯著。如偏壓角度從30°增大到35°后，拱肩收斂值從3.2 mm增加至3.6 mm，增幅12.5%。拱腰收斂值從2.2 mm增加至2.4 mm，增幅9%，拱腳收斂值從1.6 mm增加至1.9 mm，增幅18.75%。

為研究隧道各部位在開挖施工中的位移變化值，沿開挖方向在隧道斷面各位置處布設監測點，如圖3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）為不同偏壓角度下隧道各監測點變化曲線。

通過分析圖3不同偏壓角度下Y=15m斷面處隧道各監測點變化曲線可得：

不同偏壓角度的沉降變化曲線形態類似，隨著偏壓角度的增大，隧道各監測點沉降值隨隧道開挖掌子面的推進不斷增大，從圖中可以看出拱底處在隧道開挖過程中表現為上浮，拱頂處位移表現為下沉，值得注意的是，左拱腰在開挖初期有上浮的趨勢，但是在開挖后期，卻出現了下沉，并且隨著偏壓角度的增大，下沉量也有加速增大的趨勢。當偏壓角度從10°增大至15°時，左拱腳和右拱腳處沉降量有較大變化，在偏壓角度為10°、15°時，左拱腳沉降量分別為-0.8 mm（負號表示為隆起）、2.2 mm，變化量為3 mm；右拱腳沉降量分別為0.4 mm、3.1 mm，變化量為2.7 mm。因此可以看出，在偏壓角度較小的情況下，要多注意偏壓隧道左右拱腳處的位移變化，以免拱腳處因偏壓應力而造成失穩破壞。

3 結論

（1）隧道開挖完畢后，不同偏壓角度下的沉降云圖無明顯差異，圍巖應力場變化呈現非對稱，深埋側的變化程度大于淺埋側。隧道主應力敏感區域為左拱腰及左右拱腳，且隧道左拱腳處出現最大主應力集中，且拱腳處壓應力大小隨著偏壓角的增大呈現逐漸減小的趨勢。

（2）隧道各控制點處的最大位移絕對值小于10 mm，表明淺埋隧道開挖時，地形偏壓對于隧道周邊收斂值的影響存在一定的影響，但總體上影響較小。

（3）隨著偏壓角度的增大，左拱腰下沉量有加速增大的趨勢。在偏壓角度較小時，要多注意偏壓隧道左右拱腳處的位移變化，以免拱腳處因偏壓應力而造成失穩破壞。

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（責任編輯 郭曉勇）