隧道開挖對圍壓變形及應(yīng)力變化的影響分析

■吳文慧

（山西省交通科學(xué)研究院，太原 030006）

0 引言

我國山地眾多，部分地區(qū)地勢復(fù)雜多變，嚴(yán)重影響周邊區(qū)域人們出行和生產(chǎn)生活。早期為滿足山嶺及丘陵地區(qū)人們的需要，礙于施工技術(shù)的限制，多數(shù)山區(qū)采用盤山繞行公路或者鑿山取道等方法，很少采用隧道。20世紀(jì)80年代以后，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和公路、鐵路系統(tǒng)規(guī)劃布局的完善，越來越多的山嶺地區(qū)逐漸開始建設(shè)隧道。我國已成為世界上隧道和地下工程最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家之一。

我國隧道發(fā)展速度快、里程長，在建設(shè)的過程中難免會遇到復(fù)雜的地質(zhì)條件。針對復(fù)雜的地質(zhì)條件，由于目前受現(xiàn)有勘查技術(shù)及勘察手段的發(fā)展限制，很難準(zhǔn)確進(jìn)行判斷，導(dǎo)致不能合理選取施工技術(shù)，出現(xiàn)施工安排不當(dāng)、支護(hù)效果欠缺、圍巖失穩(wěn)等問題，嚴(yán)重影響施工作業(yè)的安全生產(chǎn)。合理采用隧道開挖及支護(hù)方式，不僅可以使圍巖與支護(hù)形成一體，協(xié)同發(fā)揮作用，而且能保證隧道及內(nèi)設(shè)設(shè)備安全有效運行，這對隧道的建設(shè)施工具有很大的意義。在隧道開挖過程中，周圍巖體會受到非常大的影響，開挖施工不僅會導(dǎo)致圍巖變形、地表沉降，而且會使圍巖塑性區(qū)擴(kuò)大以及圍巖應(yīng)力大幅度下降，這對于隧道安全是極其不利的?；诖耍疚闹饕阅乘淼罏檠芯繉ο?，通過利用大型有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，對隧道在開挖過程中的圍巖變形、地表沉降以及圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析。

1 工程概況

某隧道工程，起始樁號右幅K110+275.04至K112+275，左幅K110+265至K112+265。隧道設(shè)計為雙洞三車道分離式，左幅起訖里程 ZK110+265～ZK112+265，長2000m，隧道所在路段縱坡為-2.00%，最大埋深293m；右幅起訖里程 YK110+275.04～YK112+275.04，長 2000m，最大埋深292m；本文研究區(qū)段位于YK110+474～YK110+494，平均埋深為60m。

圖1 隧道斷面尺寸圖

2 數(shù)值模擬假設(shè)及模型建立

2.1 數(shù)值模擬假設(shè)

現(xiàn)針對有關(guān)問題做以下假設(shè)：

（1）本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，計算時按自重應(yīng)力場考慮，考慮開挖過程是分步進(jìn)行的，為了盡可能最大精度還原施工現(xiàn)場，故模擬中采用分段開挖支護(hù)，開挖與支護(hù)之間存在的時間間隔可以通過對計算步數(shù)的控制進(jìn)行模擬。

（2）圍巖的初期支護(hù)包括有錨桿支護(hù)、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架支護(hù)以及噴射混凝土襯砌支護(hù)，其中鋼筋網(wǎng)所提供支護(hù)作用可作為安全儲備不予考慮，超前支護(hù)、鋼拱架支護(hù)可將其彈性模量折算到混凝土上，以簡化模擬過程。

（3）模擬計算過程中，不考慮地下水滲流、巖溶等地質(zhì)條件作用，也不考慮開挖方式產(chǎn)生的影響，均用“null”命令進(jìn)行分布開挖。

（4）根據(jù)該隧道地質(zhì)斷面圖取隧道中心埋深為60m，隧道上覆巖層起伏不大，視為水平。根據(jù)鉆孔資料，從地表向下依次為粉質(zhì)黏土（厚度為10m）、黏土層（厚度為20 m）、下伏基巖白云巖厚度為70m。

2.2 數(shù)值模型及材料參數(shù)

隧道模型建立一般要考慮開挖影響范圍，本工程隧道斷面最長為17.5m，高度最高為13.8m，而一般地下工程的影響范圍為3～5倍洞室內(nèi)徑，如圖2所示，建立模型時x軸取80m，y軸沿隧道軸線方向取50m，z軸取至地表距隧道截面中心60m處，豎直向下（z軸）取至距隧道截面中心40m處，除上邊界外，模型其它邊界均設(shè)有法向約束。除上邊界外其他三個邊界進(jìn)行位移約束。

由上可知，模型尺寸為高(z=100m)×寬(x=80m)×長(y=50m)，起始段為YK110+470，沿著Y正方向開挖。其中YK110+470～YK110+474段采用錨桿加注漿小導(dǎo)管梅花型布置支護(hù)，YK110+474～YK110+494段采用錨桿支護(hù)，全段采用SF5c型襯砌，鋼筋網(wǎng)和工字鋼支撐折合到襯砌上面，該模擬共進(jìn)行多次循環(huán)開挖。

表1 巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 噴射混凝土和錨桿的力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 開挖對圍巖變形的影響分析

圖2 數(shù)值模型圖

隧道在開挖以后，隧道變形量尤為重要。圖3為隧道開挖支護(hù)以后圍巖豎直方向位移云圖，本模擬進(jìn)行多個循環(huán)開挖支護(hù)，每次開挖進(jìn)尺為1.2m。由于篇幅有限且隧道具有對稱性，本文只給出第1、6、9和12次循環(huán)開挖右半幅隧道圍巖變形圖分析。由圖可知，圍巖變形主要集中在拱頂和拱底，并且從隧道中心向四周變形逐漸減小，這是由于隧道開挖對其拱頂和拱底圍巖產(chǎn)生較大的擾動所致。對于隧道拱頂圍巖，表現(xiàn)為整體下沉，拱頂部位變形最大，第1次循環(huán)開挖時，圍巖最大位移接近1.34mm，第12次循環(huán)開挖支護(hù)后隧道位移為2.90mm，并且從拱頂至地面圍巖變形量依次減少。對于隧道拱底圍巖，表現(xiàn)為整體上隆，在拱底位置，第1次循環(huán)開挖時，圍巖最大位移接近1.20mm，第12次循環(huán)開挖支護(hù)后隧道位移為2.00mm，并且向下變形量依次減少。在接近模型底部時，變形量已非常小，可以忽略不計，這也說明模型大小完全可以反映隧道開挖之后的變形特征。綜上所述，僅從隧道圍巖位移變化分布來說，隨著隧道斷面與掌子面的距離的增加，拱頂?shù)南鲁亮亢凸暗茁∑鹆恳恢痹谠龃?，但增速隨著與掌子面距離的增加而減小。隨著拱頂和拱底位移不斷增大，應(yīng)該重點加強(qiáng)隧道拱頂圍巖支護(hù)，盡可能降低拱頂沉降，但因該隧道最大變形位移仍不大，且在正常范圍內(nèi)，說明錨桿襯砌支護(hù)體系起到了比較好的效果，能夠有效抑制隧道變形，保證其正常使用。

圖4.a為隧道開挖支護(hù)50m后以后地表豎直方向位移監(jiān)測曲線圖。由圖可知，在初期，隧道地表位移變化速度很快，基本呈現(xiàn)出線性增長，之后位移大小出現(xiàn)回落段，最終趨于位移平衡，這是由于隧道開挖對其地表產(chǎn)生較大的擾動所致，最終位移值接近于10mm。圖4.b為隧道開挖支護(hù)50m后隧道拱頂豎直方向位移監(jiān)測曲線圖。由圖可知，在初期，隧道拱頂位移變化速度很快，也是呈現(xiàn)出線性增長，緊接著位移大小出現(xiàn)穩(wěn)定平衡段，之后位移又以較小的斜率線性減小，最終趨于位移平衡，最終位移值接近于17mm。對于地表位移，相對于拱頂已大幅度減小，這與上述云圖所表現(xiàn)出的規(guī)律一致。綜上所述，僅從隧道拱頂和地表位移變化分布來說，位移變化在正常范圍之內(nèi)。

3.2 開挖對圍巖應(yīng)力的影響分析

圖4 地表及拱頂沉降曲線

圍巖所受應(yīng)力是反映圍巖受力狀態(tài)最為重要依據(jù)之一，通過對其分析，可以判斷圍巖所處狀態(tài)以及判斷支護(hù)是否發(fā)揮預(yù)期效果，以此斷定隧道的穩(wěn)定性。以下對隧道圍巖ZZ方向應(yīng)力進(jìn)行具體分析，詳細(xì)了解圍巖所處應(yīng)力狀況。

圖5為隧道開挖過程中ZZ方向應(yīng)力圖，由于圍巖受壓，故ZZ應(yīng)力均為負(fù)值，顯然可知，在隧道未開挖之前模型從上往下壓應(yīng)力依次增大。對于第1循環(huán)，最大值為2.43MPa，最小值為0.031MPa。隨著開挖進(jìn)尺的的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力逐漸發(fā)生變化，如圖5b、5c和5d所示，對于第1次開挖形成的斷面，隨著掌子面的推進(jìn)，隧道拱頂和拱底最大壓應(yīng)力逐漸減小，這是與隧道開挖后應(yīng)力釋放有關(guān)。對拱頂、拱底以及拱腰位置應(yīng)力進(jìn)行比較，得到3處位置應(yīng)力均為負(fù)，拱腰負(fù)應(yīng)力最大，且從隧道兩幫向外擴(kuò)散，應(yīng)力大小值又逐漸縮小，這是由于該位置圍巖由于開挖后進(jìn)行襯砌支護(hù)產(chǎn)生擠壓所致。

圖5 開挖過程中圍巖豎向應(yīng)力變化云圖

4 結(jié)論

本文主要基于數(shù)值模擬方法，介紹了隧道圍巖位移、地表沉降、圍巖應(yīng)力等變化規(guī)律，闡述了隧道的穩(wěn)定性特性，得出以下結(jié)論：

（1）通過數(shù)值模擬得到的云圖及數(shù)據(jù)分析可知，隨著隧道斷面與掌子面的距離的增加，拱頂?shù)南鲁亮亢凸暗茁∑鹆恳恢痹谠龃?，但增速隨著與掌子面距離的增加而減小。這與實際工程實際相符，是合理的。也說明數(shù)值模擬建立的模型是正確可靠的，可用于對隧道的模擬分析。

（2）通過對隧道拱頂位移、地表位移、圍巖應(yīng)力的分析，可以知道，隧道拱頂位移最大，其次是拱底，地表位移較小。對于圍巖應(yīng)力，隨著開挖進(jìn)尺的的進(jìn)行，應(yīng)力將逐漸發(fā)生變化，即隨著掌子面的推進(jìn)，隧道拱頂和拱底最大壓應(yīng)力逐漸減小，這是由于隧道開挖后應(yīng)力釋放所致。綜上所述，隨著拱頂和拱底位移不斷增大，并應(yīng)該重點加強(qiáng)隧道拱頂圍巖支護(hù)，盡可能降低拱頂沉降，而本文中因該隧道最大變形位移仍不大，在正常范圍內(nèi)，說明錨桿襯砌支護(hù)體系起到了比較好的效果，能夠有效抑制隧道變形。