超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究

曾 毅，周舒威，杨志豪，夏才初，3

(1.上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000)



超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究

曾 毅1，周舒威2，杨志豪1，夏才初2，3

(1.上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

文章以重庆轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托，采用有限元数值模拟对超大断面隧道开挖时大倾角层状围岩的力学特性进行研究。通过建立大倾角岩层数值模型，对隧道进行不同工况的分步开挖计算，分析得到大倾角层状围岩的塑性区、应力和位移变化规律。结果表明：大倾角层状岩体塑性区位于层面内，层面塑性变形最大；围岩最大拉应力发生在上部中导洞围岩开挖支护过程中，上部左导洞以及中导洞外壁围岩产生最大拉应力；最大压应力发生在上部中导洞开挖支护过程中，大倾角岩层上部右导洞以及中部右导洞在各工况中产生最大压应力；隧道中、下部右导洞水平位移在二衬施加后达到最大，围岩最大下沉量位于上部左导洞处。

隧道；大倾角岩层；超大断面；力学特性；有限元法

0 引言

在我国大规模隧道建设过程中，隧道断面不断增大，隧道建设也不断往更恶劣的地质环境中延伸，工程标准不断提高，给隧道规划、设计、施工和运营带来了一系列新的挑战[1]。确定合理的支护参数是隧道设计的核心问题，但其往往与隧道围岩的力学性质有关。根据围岩的受力变形特征，在隧道施工中对围岩危险区域进行预加固，能够确保施工安全、有序进行，因此隧道围岩力学特性的研究对于隧道建设具有重要意义。

目前，已有许多学者针对隧道围岩力学特性开展研究[1-4]。这些研究针对均质围岩，但实际工程中，隧道围岩富含节理、层理等软弱结构面，使得围岩的力学行为呈现出与均质围岩不同的特性，这就需要从软弱结构面出发，对围岩力学特性开展研究。这方面的研究已取得了诸多进展[5-11]，但这些隧道层面研究一般只针对小断面尺寸隧道，而未对大尺寸隧道开展研究。因此，随着我国隧道建设规模的增大，大断面乃至超大断面隧道围岩的力学特性亟待研究。

本研究以重庆市轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托，通过有限元法建模对超大断面隧道开挖中的大倾角围岩力学特性进行研究，获得大倾角岩层应力、位移以及塑性区的变化规律。

1 工程概况

在建的重庆市轨道交通环线莲花村车站为环线第二十座车站，坐落于莲花山山体下方，呈南北走向。该车站隧道断面开挖轮廓线内面积约432 m2，属超大断面暗挖隧道。

隧道场地位于南温泉背斜西翼，岩层倾向290°左右，倾角约60°。岩体层间结合很差，特别在砂质泥岩与砂岩交界处，往往存在薄层状泥化现象。构造线走向与主隧道轴线小角度相交近于平行。车站隧道典型的断面轮廓以及地质剖面如图1所示。图中隧道周围砂质泥岩居多，泥岩中夹杂着层状的泥质砂岩，泥质砂岩和砂质泥岩交界面为薄弱层面。

图1 隧道轮廓及地质剖面图

2 有限元模型及计算工况

采用大型通用有限元分析软件ANSYS10.0建立二维有限元模型，进而对大倾角岩层内隧道开挖围岩力学特性进行分析。各类地质体(包括初衬和二衬)均采用Plane42单元，锚杆采用Link1单元进行模型，临时支撑采用Beam3单元模拟。而对于地质体在层面上的接触，采用接触对单元来模拟：目标面使用Target169单元，接触面用Surf172单元。计算中采用的力学参数如表1所示。

模型左右边界距初衬距离为100 m，上部边界取自自由地表，底部边界距初衬60 m。对建立的模型，限制其东、西边界上水平方向的位移；对模型的底部限制竖向位移。

表1 计算参数表

地应力场特征按自重应力场分析，即所有工况的计算均处在自重应力场作用之下，有限元模型采用D-P强度准则。最终，建好的有限元模型如图2所示，共含有15 566个单元，7 711个节点。

图2 整体有限元网格图

依托工程隧道采用双侧壁导洞法施工，按照工程开挖的实际工序，并作适当的简化，每个导洞开挖时一般先进行围岩荷载释放20%的裸洞开挖计算，然后再进行释放40%围岩荷载、施加初期衬砌和临时支撑的数值模拟，在所有导洞开挖后再释放剩下的40%围岩荷载并施加二衬。

3 围岩应力场

3.1 初始地应力场

大倾角岩层和均质岩层的初始地应力场结果以竖向应力为例，如图3所示。从图中可以看出，由于层面以及相互间隔的砂质泥岩、砂岩之间力学性质的不同，初始地应力场的应力云图出现了不连续。

图3 初始竖向应力场云图

3.2 第一主应力

经过计算可以得到大倾角岩层每个工况的第一主应力，图4给出了隧道顶部以及底部中间部分围岩第一主应力随不同工况的变化情况。图4(a)是上部中导洞外壁围岩的第一主应力变化，应力最小值基本上维持在-0.5 MPa左右，而应力最大值在该部分围岩开挖之前基本不变；在该部分围岩开挖后，应力增大到2.0 MPa附近，但在二衬施加后又迅速回落到-0.3 MPa附近。图4(b)是隧道底中部围岩外壁的第一主应力变化，应力最小值略微波动，基本上维持在-0.65 MPa左右；第一主应力最大值基本上随着每个开挖步的进行而逐渐增大，从初始地应力-0.4 MPa增大到施加二衬后的-0.2 MPa。

(a)隧道顶部中部围岩

(b)隧道底部中部围岩

3.3 第三主应力

图5给出了隧道顶部以及底部中间部分围岩第三主应力随不同工况的变化情况。图5(a)是上部中导洞外壁围岩的第三主应力变化，在隧道顶部中导洞开挖之前，隧道顶部围岩第三主应力随各开挖工况的进行缓慢减小，在顶部导洞开挖后隧道顶部中部围岩的应力最小值迅速下降，从-1 MPa降低到-3 MPa，然后在二衬施加后又增加到-2 MPa。第三主应力最大值在上部中导洞支护后增加到-0.1 MPa，但在二衬施加后减小到-1 MPa。隧道顶部的应力变化较大，是关系隧道稳定的关键点。图5(b)是隧道底部中部围岩外壁的第三主应力变化，应力略微波动，最大值基本维持在-1.5 MPa左右，最小值基本维持在-2.1 MPa左右；在上部中导洞开挖支护过程中，应力最大值和最小值分别激增到-1 MPa和-1.8 MPa；在施加二衬后，应力最大值和最小值又分别降低到-2.2 MPa和-2.9 MPa。

(a)隧道顶部中部围岩

(b)隧道底部中部围岩

4 围岩塑性区

图6给出了按大倾角岩层计算得到的各工况等效塑性区。图6(a)表明上部左侧导洞施加初支护后，由于锚杆的施加，导洞拱肩位置的塑性变形较上一工况并未大幅增大，但导洞底部塑性变形增大，塑性变形集中于层面处，导洞底部靠东侧塑性应变最大，为0.002 3；图6(b)表明上部右侧导洞初期支护以及锚杆施作后，右侧导洞的围岩变形被有效控制，围岩的塑性变形减小，但导洞支护结构的

(a)面积2开挖施加初衬

(b)面积3开挖施加初衬

(c)面积5开挖施加初衬

闭合造成左侧上部导洞底部的塑性变形继续向围岩深部发展，最大塑性应变增大为0.004 3；图6(c)表明下部两导洞锚杆、支撑和初期支护施作后，围岩继续释放的荷载被支护系统所承担，围岩的塑性变形被有效控制，尽管中墙内层面依然出现贯通塑性区，但塑性变形最大值只为0.001 3；由于上部中间导洞在有荷载释放的时候造成中墙内塑性变形急剧增大，计算表明此开挖阶段必须及早进行强支护。从图6可以总结得出：大倾角层状岩体中，超大断面隧道开挖产生的塑性区主要位于层面内，且层面上发生塑性变形最大。

总而言之，按大倾角岩层计算，塑性区发生在层面上，塑性区沿层面延伸进入岩体深部，塑性变形大。

5 围岩位移场

5.1 水平位移

图7为按大倾角岩层计算得到的各个工况水平方向位移云图。每个开挖步进行后，隧道各导洞围岩水平位移发生变化，两侧拱腰均产生水平位移，表现为向内侧收敛，两侧变形的量值相差不大；上部右导洞开挖使左导洞的水平位移变形增大，位移最大值位于左导洞拱腰以及底部，右导洞水平位移较小；中部导洞土体开挖后，围岩应力状态发生变化，水平位移重新分布，均表现为向内侧收敛，形成的左部空区顶部以及侧墙的水平位移最大，右部空区位移相对较小；上部中导洞土体开挖后，整个隧道拱部完全失去土体的支撑，所以围岩水平扰动范围扩大，在竖向围岩压力作用下，隧道扁平率增加，表现为拱部下沉、拱底隆起和两侧拱腰水平位移向外侧发展，此阶段当加强监测。中部侧墙以及左洞层面出露处为水平位移最大处，隧道施工阶段的最终稳定性主要由上部中导洞土体控制。

下部左右导洞外壁围岩水平位移在开挖过程中以负方向位移为主，负方向位移大体上逐渐增大，在二衬施加后达到最大，为-0.34 mm；但在二衬施加后，该部位围岩顶部出现了较大的正方向位移0.86 mm，也说明隧道顶部竖向应力大，隧道“扁化”。下部左右导洞顶部围岩“尖点”位移变化幅度大，在实际施工中应该着重监测。

(a)上部右导洞开挖施加初衬

(b)中部左右导洞开挖施加初衬

(c)上部中导洞开挖施加初衬

5.2 竖向位移

图8给出了按大倾角岩层计算得到的各个工况竖直方向位移，上部右导洞开挖使左导洞竖向位移增大，但位移最大处位于左导洞拱腰以及底部，右导洞位移较小；中部导洞土体开挖后，围岩应力状态发生变化，竖向位移重新分布，均表现为向内侧收敛，形成的左部空区顶部以及底部竖向位移最大，右部空区位移相对较小；上部中导洞土体开挖后，整个隧道拱部完全失去土体的支撑，所以围岩竖向扰动范围扩大，在竖向围岩压力作用下，隧道扁平率增加，表现为拱部下沉、拱底隆起和两侧拱腰水平位移向外侧发展，此阶段应当加强监测，隧道顶部层面出露处为下沉最大处，隧道施工阶段稳定性主要由上部中导洞开挖控制。

(a)上部右导洞开挖施加初衬

(b)中部左右导洞开挖施加初衬

(c)上部中导洞开挖施加初衬

同时计算结果表明上部中导洞外壁围岩竖向位移以下沉为主，围岩下沉量随工况的进行逐渐增大，最大值发生在施加二衬后，为2.69 mm；该部分围岩在上部导洞施加初期衬砌后隆起量达到最大，为1.75 mm，发生在上部左导洞与中导洞边界处。围岩底部和顶部的竖向位移变化较大，是关系隧道稳定的关键点。隧道底部中部围岩外壁竖向位移以正方向(隆起)为主，在施加二衬后达到最大值，为5.6 mm。

6 结语

本文以重庆市轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托，使用有限元法对大倾角层状岩体中超大断面隧道开挖的围岩应力、位移和塑性区发展规律进行研究，获得以下结论：

(1)层面以及相互间隔的砂质泥岩、砂岩使初始水平应力和竖向应力云图不连续、断层，而均质围岩初始水平应力和竖向应力呈明显的层状分布。

(2)大倾角层状岩体塑性区主要位于层面内，层面塑性变形最大，随着开挖的进行导致的塑性失稳可能性逐渐增大。

(3)围岩最大拉应力发生在上部中导洞围岩开挖支护过程中，上部左导洞以及中导洞外壁围岩在各个工况中产生最大拉应力。

(4)最大压应力发生在上部中导洞开挖支护过程中，大倾角岩层上部右导洞围岩以及中部右导洞围岩在各工况中产生最大压应力。

(5)隧道中部以及下部右导洞的水平位移在二衬施加后达到最大，二衬施加后围岩最大下沉量位于上部左导洞处。

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Study on Mechanical Properties of High-inclination Layered Surrounding Rocks in Super-large Cross-section Tunnels

ZENG Yi1，ZHOU Shu-wei2，YANG Zhi-hao1，XIA Cai-chu2，3

(1.Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Institute，Shanghai，200235；2.Department of Geotechnical Engineering，College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai，200092；3.College of Civil Engineering，Shaoxing University，Shaoxing，Zhejiang，312000)

Relying on Chongqing Rail Transit Ring Lianhua Village Station Tunnel project，and by using the finite element numerical simulation，this article studied the mechanical properties of high-inclination layered surrounding rocks during the excavation of super-large cross-section tunnel.Through establis-hing the numerical model of high-inclination rock stratum，it calculated the stepped tunnel excavation un-der different work conditions，analyzed and obtained the plastic zone，stress and displacement variation rules of high-inclination layered surrounding rocks.The results showed that：the plastic zone of high-in-clination layered rocks is located within the layer，with the maximum layer plastic deformation；the maxi-mum tensile stress of surrounding rocks occurs in the surrounding rock excavation and support process of upper middle guiding holes，with the maximum tensile stress of outer wall surrounding rocks at upper left guiding holes and middle guiding holes；the maximum compressive stress occurs in the excavation and support process of upper middle guiding holes，with the maximum compressive stress of high-incli-nation rock stratum at upper right guiding holes and middle right guiding holes under different working conditions；the horizontal displacement of right guiding holes at middle and lower tunnel reaches the maximum after the second lining setup，and the maximum surrounding rock subsidence is located at the upper left guiding hole.

Tunnel；High-inclination rock stratum；Super-large cross-section；Mechanical properties；Fi-nite element method

曾 毅(1979—)，高级工程师，主要从事地下结构稳定性研究；

上海市隧道工程轨道交通设计研究院科研计划项目课题

U452.1+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.009

1673-4874(2015)11-0040-06

2015-10-11

周舒威(1987—)，博士研究生，主要从事地下结构稳定性、能源地下工程研究。