偏压隧道施工阶段的围岩稳定性数值模拟研究

卢 雷

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

0 引言

随着国民经济的快速发展，交通基础设施建设在中心城市周边及经济发达地区已渐进饱和，但经济欠发达地区及地质条件恶劣的非中心城市地区还有待提高。隧道作为公路、铁路建设的控制性工程，在整条线路建设过程中起到至关重要的作用。在我国一些地区，受地质条件、经济因素及施工技术等方面的限制，在隧道建设过程中会出现偏压情况，因此，有必要对偏压隧道的围岩稳定性进行研究。

近年来，我国学者对存在偏压情况隧道的研究成果颇丰。朱正国等[1]基于比尔鲍曼理论得到隧道开挖后围压体塌落拱曲线，并通过作图法确定了偏压隧道侧覆土厚度的计算方法。胡炜等[2]为研究顺层偏压隧道围岩的破坏模式，采用数值模拟和理论分析手段对其进行了分析，并根据围岩的破坏形态及应力分布特征提出了锚杆支护方案。邵江等[3]通过室内试验与数值模拟相结合的方法对不同滑坡带角度下的滑坡侧推力对隧道衬砌结构的受力影响进行了研究，并掌握了滑坡推力作用下隧道衬砌结构的受力特征。张征亮等[4]采用数值模拟方法对两种工况下偏压隧道的围岩变形及衬砌结构的受力情况进行了分析。代树林等[5]通过数值模拟方法对不同坡比及不同处治措施对偏压隧道的围岩稳定性进行了研究，认为采用削坡法来降低坡比是最佳的处治措施。卢伟等[6]基于双强度折减理论对浅埋偏压围岩稳定进行了数值模拟研究，探究了以特征部位的应力、位移及塑性区分布情况作为判断隧道围岩稳定性的依据。张成良等[7]对起凤山隧道的侧覆土厚度进行了数值模拟研究。

综上所述发现，前人对偏压隧道的围岩、衬砌的变形及受力情况做了较为详尽的研究，且成果显著，而偏压隧道侧覆土厚度是产生偏压情况的关键，对这方面的研究则相对较少。为进一步掌握侧覆土厚度对隧道围岩的变形及受力影响，本文结合海棠山隧道偏压段的工程实际，采用MIDAS/GTS NX有限元数值模拟方法对不同侧覆土厚度下隧道围岩的变形、受力及塑性区分布规律进行研究，为偏压隧道设计与施工提供可靠的技术支持。

1 隧道数值模拟方案设计

1.1 基本假定

文章采用MIDAS/GTS NX来对偏压隧道进行数值模拟计算，基本假设如下：

(1)隧道围岩假设为匀质、连续且各向同性，围岩体内部网格之间无空隙；

(2)数值模拟过程中忽略构造应力影响，且无外部荷载作用，仅考虑自重应力；

(3)初期支护过程中，采用增加喷混厚度来代替环形工字钢支撑。

1.2 数值模型建立

在进行偏压隧道数值模拟前，首先应明确何为侧覆土厚度。根据《公路隧道设计规范》中对偏压隧道的定义，其侧覆土厚度计算方法如图1所示。图中AB为偏压隧道地表斜坡，CD为与地表斜坡AB平行且与隧道拱圈相切的直线，E点为直线CD与隧道拱圈的切点，过E点做CD垂线交地表斜坡AB于F点，则EF长度即为偏压隧道侧覆土厚度t。在《铁路隧道设计规范》中将偏压隧道侧覆土厚度定义为隧道外侧拱肩至地表的垂直距离。

图1 偏压隧道侧覆土厚度计算示意图

海棠山隧道位于辽宁省阜新市境内，全长1 037 m，最大埋深154 m，为左右两幅分离式隧道。在隧道选线过程中，受地形地貌、地质断层及隧道高程等条件限制，右幅隧道存在较为严重的偏压情况，且侧覆土厚度不均，其中最小侧覆土厚度仅为4.9 m。本文以海棠山右幅隧道作为研究对象，分析不同侧覆土厚度对隧道围岩稳定性的影响，为海棠山隧道偏压段开挖提供可靠的技术支持。

为节省数值模拟计算时间，同时考虑边界效应的影响，单幅隧道左右边界距隧道中心不少于2.5倍洞跨。海棠山隧道设计跨度为17.3 m，模型水平方向计算宽度取110 m，模型底部边界距隧道仰拱不少于3倍洞高，海棠山隧道设计洞高为11.1 m，底部边界与仰拱之间距离取45 m，模型纵向长度取100 m，隧道侧覆土厚度分别取为5 m、10 m、15 m、20 m。本文隧道围岩等级为IV级，计算模型采用M-C强度准则，隧道及围岩采用各向同性的三维实体单元，材料本构模型采用M-C强度准则；隧道衬砌采用二维板单元结构，锚杆采用一维植入式桁架结构，二者均采用弹性本构模型，隧道网格采用混合四面体网格，偏压隧道模型见图2。隧道采用预留核心土开挖方法，根据现场实际情况，以每循环2 m/d的施工进度进行开挖作业。

参考工勘报告，并结合《公路隧道设计规范》中各物理参数的取值范围，给出本文数值模拟参数的取值，见表1。

图2 偏压隧道模型建立示意图

表1 材料物理力学参数

2 不同侧覆土厚度下偏压隧道数值模拟结果分析

2.1 应力场分析

限于篇幅，文中仅列出了侧覆土厚度t=5 m时的数值模拟结果。由图3可知，当侧覆土厚度t=5 m时，最大主应力出现在左拱肩和右拱底处，隧道周围应力分布不均，偏压现象显著。根据数值模拟结果，当侧覆土厚度t=20 m时，最大主应力出现在拱顶偏左位置和拱底中心偏右位置，较t=5 m时的最大主应力位置更靠近竖直方向，隧道周围应力更加趋近于对称分布，说明随着侧覆土厚度的逐渐增大，隧道偏压现象逐渐减弱，隧道拱圈受力更加均匀，隧道不易因偏压导致的局部应力集中而产生拉剪破坏。

图3 t=5 m时最大主应力云图

图4为侧覆土厚度t=5 m时的最大剪应力云图。从图中可以发现，偏压隧道最大剪应力云图与最大主应力云图近似呈相反位置分布，即图3中出现最大主应力位置是图4中最小剪应力位置，而最大剪应力出现在隧道左右两侧拱腰位置，恰好此处在图3中为最小主应力出现位置。当偏压隧道侧覆土厚度为5 m时，隧道左侧拱脚处，即隧道远离偏压斜坡处出现剪应力集中，根据数值模拟结果，随着侧覆土厚度的逐渐增大，最大剪应力发生位置逐渐由拱脚向拱腰处转移，且靠近偏压斜坡一侧隧道拱腰处的剪应力也逐渐增大，最小剪应力由倾斜分布逐渐向竖直分布过渡，隧道周围剪应力由更为均匀逐渐演变为左右对称式分布。

图4 t=5 m时最大剪应力云图

2.2 位移场分析

图5为侧覆土厚度t=5 m时竖直方向位移云图。由图5可知，偏压隧道最大沉降和隆起位移分别发生在拱顶和拱底附近区域。当侧覆土厚度为5 m时，隧道最大沉降位移发生在左拱肩位置处，最大隆起位移发生在右侧拱底处，且在与隧道拱腰高度近似平行的偏压坡面出现较为明显的隆起位移。根据数值模拟结果，随着侧覆土厚度的逐渐增大，当侧覆土厚度为20 m时，偏压隧道的最大沉降位移由左侧拱肩处逐渐向拱顶转移，最大隆起位移由右侧拱底逐渐向中心拱底转移，隧道的整体位移逐渐由倾斜方向转变为竖直方向，近似呈水平对称分布，且在与隧道拱腰高度近似平行的偏压斜坡隆起现象逐渐消失，说明侧覆土厚度较薄时，隧道开挖后极易造成斜坡附近岩土体产生滑移破坏。

图5 t=5 m时竖向位移云图

图6为侧覆土厚度t=5 m时水平位移云图。由图6可知，当侧覆土厚度为5 m时，模型整体水平位移云图表现出典型的滑坡现象，此种情况下隧道正处于滑坡带内，因此，隧道左右拱腰水平位移均向右侧移动。根据数值模拟结果，当侧覆土厚度t=20 m时，隧道逐渐偏离滑坡带，且在隧道右侧开始出现水平收敛，即右侧拱腰局部位置开始向隧道内侧产生位移，这一点与无偏压隧道较为接近。

图6 t=5 m时水平位移云图

图7为侧覆土厚度t=5 m时塑性区分布云图。当t=5 m时，根据前文分析可知，此种情况下，由于隧道开挖导致洞体处于滑坡带内，从塑性区云图上同样可以看出类似情况，塑性区基本分布在滑坡带附近。根据数值模拟结果，随着侧覆土厚度的逐渐增加，隧道周围岩体塑性区逐渐减小，但在坡角处还是存在小范围的塑性区。当t=20 m时，坡角处无明显塑性区存在，塑性区仅在隧道拱圈周围产生，说明侧覆土厚度将直接影响隧道围岩的破坏范围，侧覆土厚度越小，隧道周围岩体的破坏范围越大。

图7 t=5 m时塑性区云图

3 结论

(1)随着偏压隧道侧覆土厚度的逐渐增大，隧道最大沉降位移逐渐由左侧拱肩位置向隧道中心位置转移，隧道最大拱底隆起位移同样由右侧拱底向中心拱底转移，最大水平位移逐渐由右侧拱肩位置转移至右侧拱腰位置处，且隧道逐渐从滑坡带内转移至滑坡带以外。

(2)随着侧覆土厚度的逐渐增大，隧道围岩最大主应力逐渐由左拱肩和右拱底处向隧道中心位置转移，隧道周围岩体应力逐渐由应力分布不均向对称分布过渡，最大剪应力逐渐由右侧拱脚处转移至拱腰处，且靠近偏压斜坡一侧隧道拱腰处的剪应力也逐渐增大。

(3)随着侧覆土厚度的逐渐增大，隧道周围岩体的塑性区逐渐减少，当侧覆土厚度较小时，隧道洞体处于滑坡带内，塑性区基本分布在滑坡带附近；当侧覆土厚度较大时，塑性区仅在隧道拱圈周围产生，说明侧覆土厚度将直接影响隧道围岩的破坏范围。