施工顺序对隧道围岩稳定性的影响分析

郑应亨，任 宏

（1.重庆大学 建筑管理与房地产学院，重庆400030；2.重庆市巴南区建设委员会，重庆400055）

随着社会经济的发展，土地资源越来越有限，特别是在城市，真所谓寸土寸金。为了集约用地，城市不断向地下空间发展，隧道工程已成为建设领域的重要组成部分。分析地面工程与隧道工程的施工顺序对岩石的影响，从而采取相应措施，确保整个项目的安全具有重要的现实意义。

1 隧道工程ANSYS模拟基本原则

1）材料模型：岩石材料属于颗粒状材料，其受压强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，这类材料一般采用D－P屈服准则。在岩石、土壤的有限元分析中，采用该准则可以得到较满意结果[1]。

2）初始地应力模拟：初始地应力对隧道施工的影响是显著的，ANSYS中可以有2种方法模拟初始地应力：a.读取初始地应力文件；b.忽略构造应力，只考虑自重。该方法简单，但分析后续施工时，需将得到的位移结果扣除自重应力产生的初始位移影响。本论文采用后者。

3）开挖及连续施工的模拟：在ANSYS中可以用“单元生死”来模拟隧道的开挖。即将其“杀死”。单元生死，并不是真的将单元从模型中删除，而是将其刚度乘以一个很小的因子ESTIF，死单元的单元荷载将为零，从而不对荷载向量生效[2]。利用ANSYS中的荷载步功能可以实现不同工况间连续施工计算，从而模拟隧道的连续施工。

4）ANSYS模拟隧道施工步骤如下：建立模型—施加载荷，初始地应力模拟—开挖隧道，用杀死单元来模拟—施加不同工况荷载，求解—后处理，计算结果分析。

本论文将分析2种不同施工顺序对地下洞室围岩稳定性的影响：

1）考虑先开挖地下隧道，后修建地面建筑，分析全过程中隧道洞顶的沉降位移、洞室围岩的变形、塑性区、拉压破坏区等。

2）考虑地面建筑完成，后开挖地下隧道，分析地下隧道的受力、变形、破坏区以塑性区。

2 先开挖地下隧道，后修建地面建筑

分析步骤：初始地应力场模拟—开挖隧道模拟—修建一层建筑物—修建十五层建筑物—修建三十层建筑物（结束）

2.1 初始应力场模拟

围岩计算边界一般取洞跨的3～5倍，水平向取70m，竖向取75m。围岩采用PLANE42单元，并设定为平面应变模型，如图1、2所示。

从图2中可以清楚地看到这种模拟初始地应力的方法的不足：岩体在自重作用下产生了初始位移，在后续施工分析时，应注意剔除初始位移的影响。初始沉降最大为，模型底部最大压应力1.81MPa，上部最小压应力21.78kPa。竖向位移和应力分布均为水平。

图1 重力作用下y方向应力云图

图2 重力作用下y方向位移云图

2.2 隧道开挖模拟

隧道开挖模拟如图3－6所示。

岩体开挖使断面边界裸露，边界点应力释放，从而引起围岩应力场和位移场的重分布。可以通过J.M.Dancan提出的“反转应力释放法”实现这一效果，将原来作用在开挖边界上的初始地应力反向施加到开挖边界上，正是这一“等效释放荷载”造成开挖引起的岩体应力和位移变化[3－5]。

图3 断面开挖后施加了节点力的有限元模型

图4 开挖后y方向应力云图

从图4中可以看出，洞室开挖后，应力不再水平均匀分布，在洞顶和底板处出现拉应力，其中底板处拉应力最大为701.79kPa。洞室侧壁受压，最大压应力出现在边墙脚部和拱脚处，约为2.38MPa。从图5可以看出，竖向位移也不再水平均匀分布，在拱顶出现最大竖向位移。

图5 开挖后y方向位移云图

图6 开挖后等效应力云图

2.3 修建1层地面建筑后

修建1层建筑后的变化如图7－10所示。

修建1层建筑后，拱脚和边墙脚部的压应力增大，随之洞顶竖向位移也继续增大。

图7 施加1层建筑荷载后的有限元模型

图8 施加1层建筑荷载后的y方向应力云图

图9 施加1层建筑荷载后的y方向位移云图

图10 施加1层建筑荷载后的等效应力云图

2.4 修建15层地面建筑后

修建15层地面建筑后的变化的情况如图11－13所示。

图11 施加15层建筑荷载后y方向应力云图

图12 施加15层建筑荷载后y方向位移云图

图13 施加15层建筑荷载后的等效应力云图

2.5 修建30层地面建筑后

地面修建30层建筑物后的变化情况如图14－16所示。

图14 施加30层建筑荷载后的y方向应力云图

图15 施加30层建筑荷载后y方向位移云图

图16 施加30层建筑荷载后等效应力云图

2.6 结果分析

从以上各图分析可以得知，在竖向荷载作用下：

1）围岩有向洞室内部移动的趋势。其中隧道洞顶受拉，产生竖向位移最大。

2）最大拉应力发生在底板中间部位。拱脚和边墙脚部受压。

3）在拱脚和边墙脚处存在拉力。其中最大值首先出现在两边墙脚部，此处应防止岩体屈服破坏[6－8]。随着荷载加大，受拉区范围加大。

3 先修建地面建筑，后开挖地下隧道

分析步骤：模拟初始地应力场—模拟修建完成地面建筑物—模拟开挖地下隧道。

3.1 模拟初始应力场

分析结果与上节初始应力完全相同。

3.2 模拟修建完成地面建筑物

修建完成地面建筑物后，未开挖前的岩石情况如图17－18所示。

图17 施加全部建筑荷载后的y方向应力云图

图18 施加全部建筑荷载后的y方向位移云图

3.3 模拟开挖地下隧道

修建完成地面建筑物后，开挖后的岩石情况如图19－22所示。

图19 断面开挖后施加了节点力的有限元模型

图20 开挖后y方向应力云图

图21 开挖后y方向位移云图

图22 开挖后等效应力云图

3.4 结果分析

从以上各图分析可以得知[9]，先建地上建筑物后开挖隧道，在竖向荷载作用下：

1）围岩有向洞室内部移动的趋势。其中隧道洞顶受压，产生竖向位移最大。

2）洞室两边围岩受拉，底板中间部位有最大拉应力。拱脚和边墙脚部受压。

3）在拱脚和边墙脚处存在拉力，其中两边墙脚部首先出现最大值，此处应防止岩体屈服破坏。随着荷载加大，受拉区范围逐渐扩大。

本论文中2种施工顺序均未发现塑性区，为试探断面哪些部位会出现塑性区，特在施工顺序一的基础上，施加一较大荷载，可以发现塑性区首先出现的部位是拱顶、拱脚和边墙脚部[10－11]，如图22所示。

图23 加大货载后变形图

4 分析施工顺序对地下洞室稳定性的影响

4.1 结果比较

对于先开挖地下隧道，后修建地面建筑，洞顶最大竖向位移为42.45mm，在y向应力云图中，隧道拱顶和底板中心受拉。其中，最大拉应力出现在底板中心，为701.787kPa，从中心向两边受拉区逐渐扩大。在等效应力云图中，拱脚和边墙脚部受拉，最大拉应力出现在边墙脚部，为2.44MPa，岩体有可能发生破坏，施工时应注意采取措施。

对于先修建地面建筑，后开挖地下隧道，洞顶最大竖向位移为48.15mm，y向应力云图中，隧道拱顶和底板中心受拉。其中，最大拉应力出现在底板中心，为708.179kPa，从中心向两边受拉区逐渐扩大。在等效应力云图中，拱脚和边墙脚部受拉，最大拉应力出现在边墙脚部，为2.74MPa，岩体有可能发生破坏，施工时应注意。

4.2 原因分析

先开挖地下隧道，后修建地面建筑，作用在开挖边界上的“等效释放荷载”相对较小（只是自重应力下引起），而这个“等效释放荷载”是引起洞室开挖后围岩变形和应力重分布的重要因素。当先挖好隧道后，再修建地面建筑时，逐层增加的竖向荷载会通过已建成隧道的拱结构逐渐传递到围岩上去[12－13]。

5 结 论

从以上分析可以看出，先修建地面建筑，后开挖地下隧道，洞顶竖向位移会大些，造成的底板中心拉应力也较大，而先开挖地下隧道，后修建地面建筑，洞顶竖向位移会小些，造成的底板中心拉应力也较小。因此相比较而言，先开挖地下隧道后修建地面建筑施工顺序比先修建地面建筑后开挖地下隧道的施工顺序更为有利，这也符合建筑施工的基本原则——先地下后地上。在隧道施工过程中，尽量采用有利施工顺序；若采用不利施工顺序，必须精心设计，加强施工组织设计，强化施工过程的监测，完善各种预案，落实组织保障，确保人们生命财产安全和整个隧道工程的质量安全。

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