邻近矿洞对隧道开挖影响的数值模拟分析★

魏 华 赵晓全 王海军 高华国

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870； 2.辽宁科技大学土木工程学院，辽宁 鞍山 114051)

1 概述

我国山地较多，隧道运输便成为一个重要的运输方式。现如今，隧道的开挖方法仍然是以矿山法为主[1]，山体内部存在的矿洞无疑是对隧道开挖的一个重要影响，轻则造成隧道在开挖过程中产生塌方，导致施工不能正常进行；重则威胁人们的生命财产安全。一些专家学者就隧道开挖对既有隧道影响进行了分析研究[2-5]，但大多数是从爆破震动方面分析震速波形图。本文在前人研究的基础上，依托爱民山隧道，进一步研究矿洞存在与否对隧道开挖产生的影响，得到相应的结论，为今后的隧道施工提供理论依据。

2 工程概况

爱民山隧道位于辽宁省丹东市郊附近，属于丹东市四号干线(花园路至宝山大街段)，呈北东走向展布，设计为两条小净距单行线曲线隧道，属短隧道；隧道左线全长为500 m，右线全长42 m，采用暗挖钻爆法施工。隧道轮廓尺寸如图1所示。

3 模型建立

本文利用ANSYS软件建立二维模型进行运算，围岩采用平面实体单元(Plane42)，衬砌支护结构采用梁单元(Beam3)，锚杆采用杆单元(Link1)。各种材料的物理力学参数按照隧道的设计说明书以及查阅文献选取，见表1。

数值模拟采用位移边界条件，在模型的底部施加竖向位移约束，左右两边施加水平位移约束，地表设为自由边界。计算模型的尺寸为：100 m×100 m。模型图如图2，图3所示。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

4 计算结果分析

4.1 地表沉降

隧道在开挖过程中不可避免地会对周围地层产生一定影响，因此明确地表沉降趋势有助于更好地分析围岩的稳定性。以横轴为地面水平线，纵轴为隧道中轴线，做出隧道的地表沉降曲线，绘制地表沉降曲线如图4所示。

从图4可以看出，矿洞存在与否引起的地表沉降规律大致相同。矿洞存在时的地表沉降量略大于无矿洞时的数值，最大沉降量为3.9 mm。所以，矿洞对隧道开挖产生的地表沉降影响很小。

4.2 洞周位移分析

隧道在施工过程中，其轮廓的位移变形是反映隧道整体稳定性的一个重要标准，隧道开挖后的水平位移和竖向位移如图5～图8和表2所示。

表2 隧道两个方向的变形量最大值

mm

由图5～图8和表2可以得出，两种情况下隧道特殊位置水平位移均很小，拱顶和仰拱水平位移向左，两侧拱脚水平位移向外，其中最大位移为左侧拱脚的0.439 mm；竖向位移方面，无矿洞和有矿洞情况下隧道整体位移均向下，矿洞存在时的竖向位移较无矿洞时稍大些，最大竖向位移发生在拱顶处，无矿洞时为17.580 mm，有矿洞时为17.963 mm。所以，对于洞周围位移来说，存在矿洞对其无明显影响。

4.3 围岩应力分析

围岩应力大小及其分布情况能直观地体现隧道在开挖过程中围岩的稳定性，对安全施工有着较大的帮助，所以分析围岩的各个应力指标就显得尤为重要。两种情况下的隧道周围围岩应力云图如图9～图14所示。

从应力云图中可以看出，两种情况下均出现应力集中现象，压应力集中区出现在隧道拱脚处。当存在矿洞时，水平方向最大应力、竖直方向最大应力以及第一主应力均较大，水平方向最大应力出现在隧道右侧拱脚处，为1.91 MPa；竖直方向最大应力出现在矿洞右侧，为3.11 MPa，对于隧道来说，竖直方向最大应力出现在左右拱脚处，左拱脚为-2.52 MPa，右拱脚为-2.62 MPa；第一主应力出现在右侧拱脚处，为-1.45 MPa。所以，存在矿洞对隧道周围围岩应力影响较小。

5 结论

通过对爱民山隧道的有限元分析，得出以下结论：

1)有矿洞存在时的地表沉降量略大于无矿洞时的地表沉降量，下沉增加约0.6 mm，所以矿洞存在对地表沉降几乎无影响；

2)对于洞周位移而言，矿洞存在时的水平位移最大处出现在矿洞左侧，施工时应采取必要的加固措施；有矿洞时的拱顶下沉增加约0.5 mm；

3)对于围岩应力而言，两种情况下均出现应力集中现象，矿洞存在时的围岩应力均增加1%左右，矿洞存在时的X方向应力最大处出现在矿洞右侧，施工时也应注意采取措施。

综合以上三种分析得出的结论，矿洞存在与否对于隧道的开挖影响较小，虽然位移、应力均有所增加，但是也在合理可控范围内，可不予考虑其影响。