水平地应力对软弱围岩隧道力学性能影响分析*

许海亮 覃吉宁 郭 旭 任合欢

(北方工业大学土木工程学院，100144，北京)

随着我国基础设施不断发展，隧道数量不断增加，边疆多山地区的隧道建设越来越多，交通隧道工程建地质条件复杂，软弱围岩大量存在. 软弱围岩隧道开挖没有得到及时的支护极易失稳破坏，严重时易引起隧道失稳和塌方事故，并造成重大经济损失，这方面的工程案例屡有存在：如白山隧道、关口垭隧道、锦屏二级水电站隧洞等均出现了施工过程中隧道坍塌等破坏情况.[1- 3]

地下工程洞室围岩受很多因素的影响，其中地应力是主要影响因素之一. 初始地应力的大小和分布是影响岩体稳定性的重要因素，并且能影响洞室工程的设计与施工. 同时，初始地应力场是引起隧道开挖后围岩应力重分布的最直接外因，对分析围岩稳定性至关重要.[4]

对于地应力在工程中的影响，国内专家及学者地应力对隧道变形影响做了研究：袁传保通过总结地应力方向与大小的分布规律，并评价了地应力各参数对工程中隧道围岩稳定性的影响[5]；陶波等结合数值仿真与现场测量，对高地应力环境下深埋长隧道软弱围岩流变规律进行了实测与数值分析，对不同地应力场软岩隧道渐进破坏进行了研究[6]；黄锋利用模型试验方法与有限元数值模拟对不同地应力场软岩隧道渐进破坏试验与分析进行研究.[7]在有关隧道工程室内模型试验研究领域，李英杰等人利用相似模型通过加载装置在模型上部垂直加载，对深埋隧道围岩无支护情况下变形破坏机制、受力分区特征的研究[8]；朱合华等人利用相似模型试验与数值模拟方法，研究了变埋深下软弱破碎隧道无支护情况下围岩的变形破坏特点，分析了围岩的应力场特征[9]；Seokwon Jeon等利用模型试验对断层、弱面影响下隧道围岩的稳定性进行了研究.[10]

综合分析前人研究发现，相关研究多数仅考虑上覆岩土的垂直应力对隧道围岩的影响，对围岩的水平应力研究较少. 我国边疆地区水平地应力错综复杂，对隧道工程的设计与施工影响较大，开展水平地应力对软弱围岩隧道力学性能影响分析具有重要意义.

1 计算模型及工况

1.1 计算模型及岩体力学参数

本文基于Ⅳ级围岩隧道，运用Mohr-Coulomb屈服准则， 采用FLAC3D软件建立计算模型如图1所示，围岩参数见表1所示. 模型尺寸为60 m×60 m×2 m，洞室半径为5 m. 将隧道断面轮廓简化为圆形位于模型中央，围岩根据圣维南原理选取3倍以上洞径以减少边界效应[11]，按计算要求设定边界约束，重力加速度默认设置成0.[12]

表1 岩体力学参数

1.2 计算工况及监测布置

实践表明，洞室围岩的破坏模式是多种多样的，根据国内外实测资料统计，最大水平主应力与垂直地应力的比值一般为0.5～5.5，大部分为0.8～1.2.[13]根据国内隧道有关设计规范，隧道设计时考虑Ⅳ级围岩水平均布压力为垂直均布压力的0.15～0.30倍.[14-15]

对水平应力的分析，通常选用侧压力系数λ作为研究指标，即水平应力与垂直应力的比值. 为研究水平地应力对隧道围岩的影响，本文计算垂直应力为4 MPa、8 MPa、16 MPa、24 MPa、32 MPa，侧压力系数为0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5时，隧道围岩的变形及受力情况. 计算工况见表2所示. 为了便于研究，分别在隧道易发生变形的拱顶、拱肩、边墙、拱脚和抵底位置设置了监测点，监测点的位置如图2所示.

表2 计算工况

2 数值计算与分析

根据计算结果可知，垂直位移主要分布在拱顶和拱底处，水平位移主要在两侧边墙处呈对称分布，提取5组计算工况监测点C的水平位移情况得表3，表中水平位移为正表示围岩向外扩张，水平位移为负则表示围岩向内收缩.

表3 监测点C水平位移 m

根据表3中监测点C水平位移情况，可将计算结果分为2种：当σz=4 MPa、σz=8 MPa时，监测点C水平位移先向外扩张，随着侧压力系数的增大，位移逐渐转向内收缩，且收缩位移不断增大；当σz=16 MPa、σz=24 MPa、σz=32 MPa时，监测点C水平位移始终向内收缩，随着侧压力系数的增大，收缩位移不断增大.

在我国边疆多山地区的隧道建设中存在大量的高地应力软岩隧道，因此本文主要分析垂直应力在16 MPa、24 MPa与32 MPa情况下隧道的变形及受力情况. 根据计算结果可知3组工况变化趋势相似，以σz=16 MPa的计算结果为例进行分析.

2.1 水平地应力对围岩水平位移的影响

提取σz=16 MPa时，不同侧压力下围岩最大水平位移情况，并计算各工况位移与λ=0.25时位移情况对比的变化幅值，计算结果见表4所示，其中负号表示围岩水平位移向洞内收敛. 不同侧压力系数围岩水平位移云图如图3所示.

表4 最大水平位移表(σz=16 MPa)

隧道开挖完成后，在未采取任何加固的情况下，围岩的应力状态由初始状态转化为二次应力状态，围岩发生向洞内收敛的变形.[16]由表4可知，当垂直地应力一定时，最大水平位移随着侧压力系数的增加而增加. 相邻两级工况最大水平位移增加幅度在15%～30%，幅度较为平稳. 由图3可知，水平位移呈耳状分布在洞壁左右两侧，最大水平位移在监测点C与监测点G处，洞室两侧发生水平位移范围随侧压力系数的增大而扩大.

提取垂直应力为16 MPa、24 MPa与32 MPa时监测点C的各工况最大水平位移，并绘制变化曲线如图4所示. 通过绘制最大水平位移曲线可直观看出，最大水平位移变化呈近似线性关系. 针对本文计算工况，通过对此Ⅳ级围岩隧道3组计算结果进行线性回归计算，得出最大水平位移关于垂直应力、水平应力的公式如式(1)，其拟合相关系数R2=0.987 1，公式仅适用于Ⅳ级围岩条件.

xmax=-0.140 2+0.017 6σz+0.009 3σx

(1)

式中：xmax——最大水平位移，m；σz——垂直应力，MPa；σx——水平应力，MPa.

对公式(1)进行处理，得出公式(2).

(2)

由式(2)可知，当垂直地应力σz一定时，侧压力系数λ越大，最大水平位移越大.

2.2 水平地应力对围岩垂直位移的影响

提取σz=16 MPa时，不同侧压力下围岩最大垂直位移情况，并计算各工况位移与λ=0.25时位移情况对比的变化幅值，计算结果见表5所示，其中负号表示围岩垂直位移向洞内收敛. 不同侧压力系数围岩垂直位移云图如图5所示.

表5 最大垂直位移表(σz=16 MPa)

由表5可知，当垂直地应为一定时，最大垂直位移随着水平地应力增大而不断增大；当λ<0.5时，水平地应力对围岩最大垂直位移影响较小，为0.18%；当λ>0.5时，水平地应力对围岩最大垂直位移的影响随侧压力系数的增加逐渐增大. 由图5可知，隧道开挖后，随着水平地应力的增加，洞室呈受压状态，围岩向内收缩，最大垂直位移在监测点A与监测点E处，出现垂直位移的范围随侧压力系数增大而缩小.

提取垂直应力为16 MPa、24 MPa与32 MPa时监测点A各工况的最大垂直位移并绘制变化曲线如图6所示.

通过绘制最大垂直位移曲线可直观看出，垂直地应力不变时，随着侧压力系数增加，最大垂直位移逐渐增加. 针对本文计算工况，通过对此Ⅳ级围岩隧道3组计算结果进行拟合算，得出最大垂直位移关于垂直地应力、水平地应力的关系公式如式(3)，拟合相关系数R2=0.940 6，公式仅适用于Ⅳ级围岩条件.

ymax=-0.070 9+0.009 8σz+0.012 2σx

(3)

式中：ymax——最大垂直位移，m；σz——垂直应力,MPa；σx——水平应力,MPa.

对公式(3)进行处理，得出公式(4).

(4)

由式(4)可知，当垂直地应力一定时，侧压力系数越大，最大垂直位移越大.

2.3 侧压力系数对围岩最大主应力的影响

σz=16 MPa时不同侧压力系数围岩最大主应力云图如图7所示.

隧道开挖后，最大主应力的分布随水平地应力的变化而变化：当λ<1时，水平应力小于垂直应力，应力呈环状出现在洞室周围，最大主应力出现在左、右侧壁，随着侧压力系数的增加，出现最大主应力范围逐渐集中；当λ=1时，水平地应力和垂直地应力相等，除了洞室周围的环状应力集中圈外，最大主应力在围岩也形成了应力集中圈，即呈现了环状应力圈间隔分布的情形；当λ>1时，水平应力大于垂直应力，洞室周围环形应力保持分布，最大主应力集中区从围岩左、右侧转到洞室上、下两端.

可见，水平地应力对洞室围岩最大主应力有明显影响：当侧压力系数λ<1或λ>1时，即出现偏压状况时，最大主应力趋向局部区域；当λ=1时，即水平地应力与垂直地应力相等，最大主应力区在洞周分布更加均匀，呈现整体环状应力间隔分布的情形.

3 结语

本文使用FLAC3D数值模拟软件建立软弱围岩隧道模型，根据边疆地质条件特点，以侧压力系数为参考指标，从围岩的水平位移、垂直位移及最大主应力角度，计算分析水平地应力对围岩的影响. 本文的研究结果表明：

1)隧道开挖完成后，在未采取任何加固的情况下围岩发生向洞内收敛的变形. 垂直地应力不变，随着水平应力的增加，围岩的最大水平位移与最大垂直位移逐渐增加.

2)当λ<1时，水平应力变化对围岩水平位移影响较大；当λ>1时，水平地应力变化对围岩垂直位移影响较大.

3)围岩主应力的分布随水平地应力的变化而变化：当地应力出现偏压状况时，最大主应力为局部分布状态；当垂直地应力与水平地应力相等时，围岩主应力分布均匀，在隧道围岩形成了环状应力圈间隔分布的情形.