某隧道进口段开挖的力学响应分析

齐得旭，傅荣华

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

某隧道进口段开挖的力学响应分析

齐得旭，傅荣华

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

在隧道开挖施工过程中，岩土体的结构发生了变化，应力也会发生相应的调整，将引起隧道周围岩土体产生变形或者发生破坏.以双向双洞公路单拱长隧道为例，利用COMSOL有限元软件，对隧道进口段一处剖面建立二维的有限元模型，研究在上覆层为软岩的情况下，截面尺寸为半圆拱型隧道进口段开挖期间的岩体力学响应情况.在隧道开挖过程中，临近开挖区的应力和变形范围是进行隧道加固预测的重要参数，为隧道进口段开挖和支护给出了一定的依据以指导工程施工.

隧道开挖;围岩;力学响应;数值模拟;COMSOL

0 引言

在隧道开挖施工过程中，原本的岩土体结构发生了变化，岩土体的应力也会发生相应的调整，此将引起隧道周围岩土体产生变形或者发生破坏.为了防止变形过大或者发生破坏，需要在恰当的时机对围岩进行支护.虽然隧道的施工方法有很多，但几乎都是混凝土结构或者钢筋混凝土结构，这些结构物与围岩共同作用来实现隧道的稳定.目前，在进行隧道等地下结构的设计时，一般需要结合工程实施阶段的施工与检测同时进行，其目的就是实时了解其应力和应变状况.因此，围岩的应力变化在隧道施工的各个阶段都至关重要.对此，本研究以某一隧道工程为实例，采用基于有限单元法的软件来研究隧道岩土体开挖后的力学响应情况.

1 工程概况

作为研究对象的隧道为双向双洞公路单拱长隧道，其轴线方位124°转91°，隧道截面尺寸为半圆拱型，洞跨15.00 m，洞高7.00 m.左线隧道长度为2 920 m，路面设计纵坡坡度1.25% ～1.384%，设计隧道路面高程洞进口处388.08 m，出口处373.93 m，最大埋深约340 m;右线隧道长约2 960 m，路面设计纵坡坡度1.324% ～1.415%.设计隧道路面高程洞进口处379.59 m，出口处368.70 m，最大埋深354.00 m.

2 进口段工程地质条件

2.1 进口段地形条件

左线隧道进洞口地面高程为388.08 m，设计路面标高379.70 m，洞口中心开挖深度8.38 m，自然斜坡坡度约7°～27°，局部约25°，自然斜坡较平缓;右线隧道进洞口地面高程为381.17 m，设计路面标高378.40 m，洞口中心开挖深度2.77 m，自然斜坡坡度约7°～27°，局部约25°，自然斜坡较平缓.

2.2 进口段工程地质条件

左、右线隧道进口段地表大部分基岩裸露，为侏罗系中统下沙溪庙组(J2xs)的泥质粉砂岩.泥质粉砂岩为泥质粉砂结构，中厚层状构造.强风化层厚度6.20 m，岩体较破碎，完整性差，风化裂隙发育，层间结合差;中风化带岩体较完整，层理较发育.

左、右线隧道进口均位于背斜的北西翼，岩层呈单斜状产出，岩层产状为302°∠52°.岩体中构造裂隙发育，主要可见2组:①241°∠70°～78°;②138 °∠40 °～62°，间距为0.30～1.50 m，延伸3.00～10.00 m，闭合～微张，局部少量泥质充填.

2.3 进口段围岩分级

左、右线隧道进口均大面积基岩裸露，为强风化泥质粉砂岩，局部覆盖0.20～0.50 m可塑～硬塑状粉质黏土.根据岩石饱和单轴抗压强度值按岩石等级划分标准，隧道进口段出露强风化泥质粉砂岩属极软岩类，中风化泥质粉砂岩属软岩类.

3 进口段开挖的数值分析

3.1 计算模型和参数

本研究根据隧道进口段的钻孔CZK1得出如图1的地层状况，并建立其A－A剖面的力学模型，进行了二维的数值分析.图1为A-A处的剖面图.

图1 A-A剖面示意图

根据钻孔CZK1的结果可知，该处上层主要为强风化和中风化泥质粉砂岩(0.00～12.5 m)，中间为中风化砂岩(12.50～15.30 m)及中风化泥质粉砂岩(15.30～21.20 m)，下层主要为中风化砂岩(12.50～32.15 m).

根据岩石饱和单轴抗压强度值按岩石等级划分标准，隧道进口段出露强风化泥质粉砂岩属极软岩类，中风化泥质粉砂岩属软岩类.隧道进口围岩物理力学参数取值见表1.

表1 隧道进洞口围岩物理力学参数取值

表1中，Ⅰ类为中风化泥质粉砂岩，Ⅱ类为中风化砂岩.

图2为在COMSOL分析软件中根据A-A剖面建立的二维平面模型网格划分图.为提高计算精度，在隧道开挖处加密网格.本模型在计算时采用了2个计算步骤:首先，计算未开挖前的岩体在重力作用下的应力状态;然后，计算隧道开挖之后土体的弹塑性力学行为，并将第一步计算的应力场作为第二步计算的初值.

3.2 模拟分析

通常，在原始情况下岩体的初始应力主要由两部分构成，即岩体自重应力和岩体构造应力.此隧道由自重应力构成其初始应力.

岩体自重应力，即由单元体上覆岩体的重力产生，

式中，γ为上覆岩体的重度(kN/m3);H为岩体单元的深度(m).

式中，μ为泊松比.

图3为隧道开挖前围岩土体在自重条件下初始的mises应力云图.

图3 开挖前土体的mises应力云图

从图3可以看出，隧道开挖前在围岩土体自重的条件下，应力随着深度的增加而增大，与深度H正相关.

图4为隧道开挖后隧道局部放大的mises应力云图.

图4 开挖后隧道的mises应力云图

从图4中可以看出，隧道开挖面具有较高的应力集中，且隧道右线进口的应力集中大于左线进口.这是由于右线进口到地表的深度更深，该处承受的围岩压力更大，因而应力集中在图中表现的更为明显.也就是说，应力集中现象随着隧道开挖的深度的增加而增大.因此，在隧道的开挖施工过程中，右侧隧道的支护强度应大于左侧.

图5为隧道开挖后隧道局部放大的总位移图.

图5 开挖后隧道的总位移图

从图5可以看出，隧道右线进口处的位移大于左线进口，这是由于隧道右侧顶部覆盖岩层更厚，承重更大.应力的增大直接导致了右侧隧道开挖施工后，围岩体变形大于左侧，并且增加的位移量非常显著.因而，在隧道开挖施工过程中，对右线进口隧道应给予重点监测.

4 结语

本研究针对隧道进口段的钻孔CZK1处截面AA，利用COMSOL有限元软件建立二维有限元模型对隧道进口段开挖施工期间的岩体力学响应进行了模拟.计算结果显示，在隧道开挖施工过程中，右侧隧道进口的应力集中较大，位移也较大，这是由于右侧隧道的深度大于左侧，右侧的应力水平也大于左侧，大的应力水平造成大的应力集中，即隧道开挖的应力集中程度与隧道的应力水平呈正相关.在此隧道工程中，地层岩性主要由泥质粉砂岩构成，属软岩类，通过模拟可知其对隧道的位移变形情况，且应力集中在隧道洞顶十分显著.软岩强度较差，因此在具体的工程施工中，应加强对该隧道顶部变形的监测，防止其因变形过大发生破坏而造成严重后果.

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［2］陈志敏，欧尔峰，马丽娜.隧道及地下工程［M］.北京:清华大学出版社，2014.

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Analysis of Mechanical Response of Tunnel Excavation Near Entrance

QI Dexu，FU Ronghua
(The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

In the tunnel excavation process，the structure of rock and soil mass changes and the stress adjusts accordingly，which will consequently cause the deformation or damage of the rock and soil mass surrounding the tunnel.Taking long single arch tunnel of a two-way，twin-tunnel highway as an example，the paper uses the finite element software COMSOL to build the two-dimensional finite element model of the cross section of a tunnel entrance section，and furtherly studies the mechanical response of rock mass during excavation of tunnel near the semicircular arch cross-section entrance under the condition of soft rock overlying strata.In the process of tunnel excavation，the stress and deformation range near the excavation area are the important parameters to estimate the tunnel reinforcement，and provide the basis for the excavation and support of tunnel entrance section，which guides the tunnel construction.

tunnel excavation;wall rock;mechanical response;numerical simulation;COMSOL

U455.4;U459.2

A

1004－5422(2015)01－0091－03

2014－12－15.

齐得旭(1988—)，男，硕士研究生，从事岩体稳定性与环境地质工程研究.