隧道不同开挖进尺对围岩变形和应力变化的影响研究

高华光 韩龙飞 叶明浩

摘 要：本文采用数值模拟的方法，研究了隧道不同开挖进尺对围岩变形和应力变化的影响规律。结果发现，随着开挖进尺的增大，隧道的竖向位移和水平位移都不断变大，最大位移速率上升，围岩的位移变形量和位移速率越大，诱发围岩失稳的可能性越大。围岩应力随着隧道开挖进尺的增大而上升，隧道断面的最大剪应力越大，隧道发生破坏的可能性越大。

关键词：开挖进尺;围岩变形;数值模拟

中图分类号：U456.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）17-0099-03

Study on the Influence of Different Excavation Length of Tunnel on the Deformation and Stress Change of Surrounding Rock

GAO Huaguang HAN Longfei YE Minghao

（School of Resources and Environment， Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In this paper， the method of numerical simulation was used to study the influence of different tunnel excavations on the deformation and stress of surrounding rocks. It was found that with the increase of the excavation footage， the vertical and horizontal displacements of the tunnel were continuously increasing， and the maximum displacement rate was increasing， the greater the deformation and displacement rate of surrounding rock， the greater the possibility of instability of surrounding rock. The surrounding rock stress increased with the increase of the tunnel excavation footage， the greater the maximum shear stress of the tunnel section， the greater the possibility of tunnel damage.

Keywords： excavation footage;surrounding rock deformation;numerical simulation

在隧道开挖后，隧道围岩应力会重新分布，导致围岩变形，一旦变形过大，就会造成塌方，给施工造成严重损失。如果开挖进尺设置过小，施工难度、成本和工期等都会增加;如果开挖进尺设置过大，隧道的稳定性会降低，施工危险风险增大[1]。选择合理的开挖进尺，减小其对隧道周围岩体的影响，这对隧道建设具有很大的意义，当前主要依靠数值模拟、模型试验和现场经验[2-4]。因此，本文利用数值模拟的方法，选取开挖进尺1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m五种不同情况，分析其对围岩变形和应力变化的影响，总结规律，为类似施工提供理论依据。

1 工程概况

西藏S5拉萨至泽当快速公路位于西藏自治区拉萨市和山南市，设隧道穿越圭嘎拉山，圭嘎拉隧道具有平均海拔高、长度长、投资建设规模大等特点。圭嘎拉隧道长为12.8 km，呈直线型展布，最大埋深约为1 152 m。為了增加工作面，加快进度，便于通风和洞内防灾减灾，隧道中部设计了两座主、副斜井，1号斜井全长为2 440 m，其中斜井进口埋深较浅段290 m为Ⅴ级围岩，占全长的12%，其余Ⅳ级围岩有2 110 m，占全长的88%。岩性单一，主要为灰黑色中风化板岩，岩层呈中厚层状。

2 模型的建立和参数的选取

取圭嘎拉隧道1号斜井K1+040～K1+060里程段为研究段，根据研究段实际地质条件进行概化处理，该段隧道平均埋深为300 m。由圣维南原理可知，开挖、荷载等应力影响范围为6倍隧道半径，远处所受的影响可以忽略不计[5]。因此，为了减小边界条件对隧道计算模型的影响，隧道底部及左右两侧取距洞壁大于6倍隧道半径的边界范围。模型宽为70 m，高为80 m，厚为20 m，网格尺寸为1 m/格，如图1所示。

隧道采用全断面法开挖，模型先在自重情况下达到初始平衡状态，然后进行全断面开挖运算。本构模型采用摩尔-库伦模型，初衬采用SHELL结构单元，锚杆采用CABLE结构单元。模型随开挖随支护，锚杆长为3 m，排距为1 m，间距为1.2 m。模型各项物理参数如表1所示。

3 数值结果分析

3.1 对围岩变形的影响分析

选取距开挖距掌子面0～15 m的距离，对不同开挖进尺的位移量和位移速率进行统计分析，其统计结果如图2、图3所示。

从图2可以看出，由于隧道是循环开挖，隧道各位移曲线呈波浪状变化。随着隧道开挖的持续推进，整体上，隧道的拱顶沉降量和水平收敛量逐渐增大。随着开挖进尺的增大，拱顶沉降量逐渐增加，沉降量从6.866 1 mm增加到7.239 3 mm;水平收敛量也逐渐增加，收敛量从12.320 5 mm增加到13.479 5 mm。开挖进尺每增加0.5 m，沉降量分别增加2.55%、1.03%、0.78%、0.96%，增长幅度不明显，而收敛量分别增加3.85%、2.57%、1.61%、1.08%，增长幅度逐渐减小。

从图3可以看出，隧道最大位移速率出现在掌子面后最近的一次循环开挖进尺范围内，距离掌子面越远，位移速率越小。随着开挖进尺的增大，拱顶最大沉降速率从1.81 mm/d增加到3.769 19 mm/d;水平最大收敛速率从2.418 8 mm/d增加到4.550 6 mm/d。开挖进尺每增加0.5 m，拱顶最大沉降速率分别增加35.97%、21.29%、13.97%、10.79%，水平最大收敛速速率分别增加28.45%、17.92%、13.35%、9.57%。增长幅度随着开挖进尺的增加逐渐减小。

3.2 对围岩应力的影响分析

数值模拟结果显示，隧道开挖完成后，隧道断面周围剪应力值比较大，最大剪应力值集中在拱顶和拱脚处。随着开挖进尺的增大，最大剪应力值逐渐增加，从5.018 2 MPa逐渐增加到5.446 MPa。开挖进尺每增加0.5 m，最大剪应力值分别增加1.23%、4.43%、1.62%、1.02%。由此可见，开挖进尺越大，隧道断面的最大剪应力值越大，隧道发生破坏的可能性越大。

4 结论

本文通过数值模拟方法，阐述了隧道不同开挖进尺对围岩变形和应力变化的影响规律，得出以下结论。隧道开挖后，拱顶沉降量和水平收敛量随着隧道断面距离掌子面的距离增加而增大，而且增速随着与掌子面的距离增加而减小，这与工程实际相符合，说明所建立的数值模型是正确的;随着开挖进尺的增大，隧道的竖向位移和水平位移都是增大的，最大位移速率也随循环进尺的增大而增大，围岩的位移变形量和位移速率越大，诱发围岩失稳的可能性也越大;隧道开挖后產生应力集中，隧道拱顶和拱脚处剪应力值较大，随着开挖进尺的增大，最大剪应力值逐渐增大，隧道发生破坏的可能性越大。

参考文献：

[1]王成.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]杨小林.隧洞开挖循环进尺的模糊分级统计法分析与研究[J].水利水电技术，2003（2）：37-39.

[3]杜彬.长梁山隧道水平软弱围岩地段施工效应分析[J].岩石力学与工程学报，2005（13）：2357-2361.

[4]王志达，龚晓南，蔡智军.浅埋暗挖隧道开挖进尺的计算方法探讨[J].岩土力学，2007（1）：497-500.

[5]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.