軟巖隧道受力變形及其穩定性受工況影響研究

以中南地區某在建隧道為研究對象，應用FLAC3D有限差分軟件，建立了兩種不同工況下的數值模型，模擬計算分析了該雙洞隧道在不同施工工況下的穩定情況。通過比較圍巖最大位移、不同截面處塑性區范圍以及二次襯砌最小安全系數分析得出，工況一中采用的施工方法與措施對該隧道的穩定性有明顯的良好影響，可見在遵循規范的前提下，改變調整施工與開挖方式，可以作為改善隧道穩定性情況的有效方法，可供同類型工程建設參考。

隧道； 開挖方式 ； 塑性區； 安全系數； 數值模擬

U451.+2A

［定稿日期］2023-04-18

［作者簡介］葉志凌（1991—），男，碩士，工程師，從事隧道工程工作。

［通信作者］賴詩琪（1998—），女，碩士，從事隧道工程工作。

0 引言

在隧道建設過程中，不同的開挖方式與施工措施將會對隧道的受力變形以及穩定性造成很大的影響［1-2］，所以需要探究在不同的工況下隧道的受力變形及穩定情況，來選擇更優的設計方法與施工措施。對工程最后達到的效果進行分析或預測，除了現場監測外，理論分析與數值模擬都是非常重要的方法，閆春嶺等［3］利用FLAC3D分析了鐵坪山隧道的圍巖穩定性，并證明了該方法的有效性。同樣，重慶大學的姜兆華［4］利用FLAC3D深入分析了基坑開挖對鄰近隧道和周圍環境的影響。在研究工程穩定性方面，數值計算方法往往是比較有效的手段。

本文以中南地區某在建隧道為背景，采用大型有限差分軟件FLAC3D建立了兩種符合圍巖特征以及施工規范的工況的數值模型，將隧道圍巖最大位移、不同截面處塑性區范圍以及二次襯砌最小安全系數［5］進行比較，對其受力特征與穩定性進行研究。

1 工程概況

該在建隧道根據勘察，本標段圍巖等級為V級。該隧道出口里程為Y9K73+856，地層巖性主要為出洞口段侏羅系中統沙溪廟組地層泥巖，以軟巖為主，風化裂隙較發育，強風化帶較厚，層間結合一般，巖土體較為連續，如圖1所示。

2 施工工況

隧道的開挖施工過程中應當嚴格遵循“短進尺、不爆破、快封閉、勤量測”的原則。對于Ⅴ級圍巖而言，其每循環開挖進尺不得大于1榀鋼架間距；Ⅴ級圍巖段仰拱每循環開挖進尺不得大于3 m，且不得進行分幅施作。在遵循規范原則［6-9］的前提下，本文提出兩種工況進行受力情況與穩定性的計算分析比較。

本文隧道為雙洞隧道，涉及的“左”“右”都以面向隧道入口處的左右方向為準。

2.1 工況一

采用地表注漿，在初始地形下進行開挖，開挖工法：當左洞（先行洞）的開挖開挖進尺為0～30 m段，采用預留核心土臺階法開挖，而開挖進尺為30～50 m段，則采用臺階法開挖，右洞（后行洞）待左洞開挖至30 m后再進行開挖，右洞開挖工法全部采用CRD法開挖。

2.2 工況二

地表不注漿，在實際地形下進行開挖，開挖工法：當左洞（先行洞）的開挖進尺為0～30 m段，采用預留核心土臺階法開挖，而開挖進尺為30～50 m段，則采用臺階法開挖，右洞（后行洞）待左洞開挖至30 m后再進行開挖，右洞開挖工法全部采用預留核心土臺階法開挖（圖2～圖4）。

3 模型計算

3.1 建立模型

本文隧道所處地層較為連續，由于有限差分軟件對連續地層的計算更為準確、合理，同時計算運行速度更快，節省時間，故而本次數值計算將采用有限差分軟件進行計算，選用大型有限差分軟件FLAC3D，計算求解過程如圖5所示。

模型水平方向取76 m（x方向），縱向取50 m（y方向），垂直向取60 m（z方向）。為簡化計算模型，在模型頂部施加應力模擬隧道模型上部土體自重。模型共342 205個單元，251 512個節點。兩種工況圖6、圖7均選取地層結構法進行模擬，計算過程中采用摩爾-庫倫屈服準則，初支采用實體單元模擬，二次襯砌結構采用梁單元模擬，超前支護加固區域根據管棚間距選取等效彈性模量對土體進行二次賦值強化，模型前后左右邊界均為水平向固定，底面采用豎向約束，模型底部為自由面。整個數值模擬隧道模型的初始地應力狀態在設置模型邊界條件之后，通過solve命令進行初始應力平衡計算，生成模型初始應力，后續開挖模擬嚴格按照預設工法。

圖6、圖7中最上層土體為含碎石的粉質黏土，中間土層為強風化砂質頁巖，最下層土層為中風化砂質頁巖。兩圖中地層模型的建立以及各土層的傾斜坡度等均參考現場實測數據。

在建模的同時，考慮到實際情況，兩種工況下均選取三個地形具有代表性的A、B、C截面，其中A截面位于距洞口8 m處，B截面位于距洞口13 m處，C截面位于距洞口23 m處如圖8所示，輸出其土體位移云圖、土體塑性區圖和整個隧道的位移云圖等結果，分析開挖過程中隧道與地層的變形情況。

根據現場實際情況，選取隧道界面上幾個典型特征點進行量測，分別位于隧道截面的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳與仰拱處，特征點的分布如圖9、圖10所示。

3.2 計算參數

據隧道現場地勘資料與施工規范［6-9］，兩種工況下的圍巖、襯砌主要物理力學參數，如表1～表3所示。

4 計算結果對比分析

本次計算的襯砌結構強度驗算均按照承載能力極限狀態考慮，以綜合安全系數法進行驗算，監測點圍巖位移值與截面塑性區云圖由FLAC3D導出整理得到，二次襯砌安全系數根據規范公式由計算得出。

4.1 圍巖位移

兩種工況下，各截面所設置監測點圍巖最大位移情況如圖11所示。

4.2 塑性區云圖

在兩種不同工況下圍巖開挖后，觀察各自A、B、C三截面的塑性區云圖如圖12～圖17所示。

4.3 最小安全系數

根據規范公式可得兩種工況下各截面二次襯砌的最小安全系數，計算結果如表4所列。

4.4 對比分析

對比分析可知：

（1）兩種工況下圍巖最大位移在洞口處較大，然后逐漸減小，隨著隧道開挖進尺的增加又逐漸呈現增大的現象。工況二最大位移對比工況一存在偏大現象，說明工況二施工條件下隧道更易產生變形。

（2）工況二下隧道截面塑性區范圍更大，且在便道開挖位置處也出現了少量的分布。

（3）工況二下隧道二次襯砌安全系數相較于工況一有明顯下降。

5 結論

本文以中南地區某在建隧道為研究對象，采用FLAC3D有限差分軟件分析了兩種不同工況對隧道的穩定性的影響。通過隧道圍巖位移大小，塑性區分布范圍，二襯安全系數等三個方面綜合對比工況一和工況二兩種情況可知：

（1）工況二的情況下確實對隧道穩定性有不良影響，其各項指標相較工況一都有增大。

（2）本文隧道從隧道穩定性角度出發，工況一更適合作為實際施工方案。

（3）在遵循規范的前提下，改變調整施工與開挖方式，都是改善隧道穩定性情況的有效方法。

參考文獻

［1］ 李術才，朱維申，陳衛忠，等. 彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預估系統研究中的應用［J］. 巖石力學與工程學報， 2002（4）： 466-470.

［2］ 王清標，蔣金泉，路林海，等. 不同開挖方式對近距離交疊隧道影響模擬研究［J］. 巖石力學與工程學報， 2013， 32（10）： 2079-2087.

［3］ 閆春嶺，丁德馨，崔振東，等. FLAC在鐵山坪隧道圍巖穩定性分析中的應用［J］. 地下空間與工程學報， 2006（3）： 499-503.

［4］ 姜兆華. 基坑開挖時鄰近既有隧道的力學響應規律研究［D］. 重慶： 重慶大學， 2013.

［5］ 李樹忱，李術才，徐幫樹. 隧道圍巖穩定分析的最小安全系數法［J］. 巖土力學， 2007（3）： 549-554.

［6］ 中華人民共和國行業標準. 公路隧道設計細則： JTG /T D70-2010［S］. 北京：人民交通出版社， 2010.

［7］ 廖朝華，郭小紅. 公路隧道設計手冊［M］. 北京： 人民交通出版社， 2010.

［8］ 中華人民共和國行業標準. 公路隧道設計規范：JTG 3370.1-2018 ［S］. 北京：人民交通出版社， 2018.

［9］ 中國建筑科學研究院.混凝土結構設計規范： GB 50010-2015［S］.北京：中國建筑工業出版社，2016.