连拱隧道开挖围岩压力拱形态演化特征研究

邓忠富

摘要：作为一种新式的隧道结构，连拱隧道具有造价低、占用面积少的优势。但是连拱隧道由于受施工复杂、跨度大、受力复杂等众多因素影响，导致在施工过程易出现坍塌、地表沉降等问题。因此，文章利用FLAC3D软件建立了连拱隧道模型，研究分析在饱水和无水条件下，不同埋深隧道的围岩压力拱形态演化特征。研究结果表明：连拱隧道施工开挖时，在饱水条件下，隧道围岩最小主应力达到最大值时的垂直距离较无水条件下的垂直距离远，所形成的压力拱高度较大;在开挖初期第2、第3步开挖步的进行中，饱水条件下的应变能熵值明显增大，要及时对其进行支护来确保施工过程中的围岩稳定性;随着连拱隧道埋深的增加，隧道围岩主应力和拱顶整个区域围岩应变能熵有明显放大趋势;在饱水条件下随着连拱隧道埋深增加，分步开挖而产生的围岩压力拱偏态效应更加明显。

关键词：数值模拟;连拱隧道;压力拱;围岩压力

中国分类号：U456.3文章标识码：A331285

0 引言

连拱隧道在施工过程常常出现掌子面坍塌、地表沉降等事故，对隧道自身结构和周边环境有严重危害。其中，关于连拱隧道开挖过程中的围岩压力拱形态演化特征，目前已有学者做了大量研究：李春柳[1]采用综合研究方法，就连拱隧道围岩的偏压力拱的形成和变化规律进行了分析;来弘鹏等[2]研究了某地区浅埋暗挖的连拱隧道围岩压力特征;郑颖人等[3]提出在深埋和浅埋隧道施工过程中，围岩是否能及时紧密接触以及其支护条件会影响围岩产生压力的计算;张俊儒等[4]通过室内试验研究分析了不等跨的连拱隧道围岩产生的压力和受力特征;王永光[5]以实际工程为背景，结合理论和数值方法对公路隧道的环境影响和岩压拱的形成机理及形态演化特征进行了研究和分析;朱正国[6]通过室内模型试验研究发现隧道顶部围岩压力均大于拱顶处围岩压力这一现象;郑国江等[7]针对软岩地区的连拱隧道进行了试验研究;张旭等[8]通过模型试验发现连拱隧道中墙墙角部位的弯矩最大，墙角外表面会产生裂缝;艾心荧[9]采用ABAQUS软件建立有限元模型，分析隧道相对位置对连拱隧道开挖引起的地表沉降的影响;杜晓丽等[10]通过将数值结果和实验结果对比的方式研究分析了施工过程中的围岩应力的变化规律;陶春胜[11]以浙江温州某隧道为工程背景，同样利用了数值与实测对比的方式研究分析了施工过程中连拱隧道围岩产生的位移和应力变化特征。

综上可知，以往学者的研究得出了许多有益结论，可用于指导连拱隧道的设计。为了进一步研究连拱隧道分步开挖过程中的围岩压力拱形态演化特征，本文将采用FLAC3D有限元分析软件，就开挖过程中连拱隧道的围岩压力拱变化规律进行分析研究。

1 有限元模型的建立

1.1 数值模型和计算参数

本节利用FLAC3D进行分析建模，如图1所示，模型尺寸为宽度125 m×高度140 m×厚度1.5 m。其中，流体的流动符合达西定律和比奥方程，使用有限差分法进行计算，求解连拱隧道开挖时的流固耦合的平面应变问题，从而分析围岩压力拱的形态演化特征规律。该模型的底部采用完全固定边界，两侧限制x方向位移，整体模型限制y方向位移。在模型中测线位置布置应力监测点以便记录围岩主应力随隧道开挖过程的变化。同时设置了位移监测点以及应变能熵监测区，用于分析应变能熵变化规律。

1.2 模型分析方案

为了研究围岩性质、埋深、施工顺序等各因素之间的相互影响，在围岩的刚度、强度以及开挖方式不变的情况下，分别考虑连拱隧道不同的埋深、饱水和无水条件等因素对流固耦合作用下连拱隧道分步开挖围岩压力拱形态演化特征的影响。详细的数值计算工况如表 1所示。

[JZ][HT9.H]表1 数值计算工况表

[HT6][HJ1mm][BG（][BHDFG5mm，WK25mm，WKW]

计算工况[]变化因素和不变因素[BHD]

2 结果分析

2.1 水环境影响分析

2.1.1 压力拱边界

压力拱拱体内外边界的判定，以拱体内部最小主应力减小、最大主应力增大为依据，以围岩最小主应力的最大值出现的地方对应压力拱的外边界，在该边界内均为隧洞围岩压力拱范围，以围岩压力拱外边界到隧道的开挖面之间的距离称之为隧道压力拱高度[12]。本文以开挖后左侧隧道拱顶上方65 m垂直距离的测线结果为例，分析测线上的围岩主应力变化规律。如图2所示，在图2（a）饱水条件下，距离左侧隧道拱顶垂直距离大约15.08 m处，隧道围岩最小主应力达到最大值;在图2（b）无水条件下，距离左侧隧道拱顶垂直距离大约10.64 m处，隧道围岩最小主应力达到最大值。可以得出：在饱水条件下，隧道围岩最小主应力达到最大值时的垂直距离较无水条件下的垂直距离远，所形成的压力拱高度较大。

2.1.2 壓力拱形态特征

围岩压力拱高度是压力拱形态特征表征之一，反映了开挖过程中围岩压力成拱的整体范围，受水土耦合共同作用影响，不同水环境和隧道开挖埋深的作用都会影响开挖过程中压力拱形态的变化。本文选取隧道不同位置和方位的测线监测点结果，分析连拱隧道围岩压力拱形态特征演化规律。如下页图3所示，选取左侧隧道拱顶上方垂直距离方向为测线监测点，该测线监测点内，在无水条件下连拱隧道围岩压力拱高度整体小于饱水条件下的围岩压力拱高度。这是由于地下水的流固耦合作用减小了围岩自我稳固的能力。因此，参与成拱的围岩范围增大使得形成的围岩压力拱高度进一步增大。

2.1.3 围岩应变能熵

隧道围岩应变力随着开挖步的进行不断变化，应变能熵的计算采用R-O本构模型。本文记录了在开挖过程中连拱隧道拱顶上方监测区域应变能熵的变化情况，并就无水和饱水条件下的应变能熵变化规律进行了对比。如图4所示，连拱隧道拱顶左右测线围岩应变能熵值随着隧道开挖的逐步进行而减小。相比于无水条件，受到地下水渗流场的影响，饱水条件下的连拱隧道拱顶左右测线围岩应变能熵会略有改变。为了更明确地分析地下水的作用，本节还绘制了连拱隧道拱顶整个区域在无水和饱水条件下的围岩应变能熵对比图。由图5可知，在隧道开挖前无水和饱水条件下的应变能熵是一致的。随着开挖的逐步进行，尤其是在开挖初期第2、第3步开挖步的进行，无水条件下的应变能熵值明显要低于饱水情况。不难得知，饱水情况下的围岩稳定性受地下水作用减弱了。因此，在连拱隧道施工开挖初期要及时关注渗流场的作用，对其进行支护，保证围岩的稳定性。

2.2 饱水条件下隧道埋深影响分析

为了进一步分析隧道不同埋深对连拱隧道开挖过程中围岩压力拱变化特征的影响，本文就Ⅲ级围岩在2.5D、4D 和6D三种不同隧道埋深下的变化进行分析。

2.2.1 压力拱形态特征

选取左侧隧道拱顶上方65 m垂直距离的测线结果为例进行分析。在数值模型中，考虑三种不同的埋深，同时保证侧压力系数均为 1.0。图6为隧道拱顶围岩最大主应力随着测点到开挖工作面距离的变化曲线图。由图可知：随着测点与隧道拱顶的距离增加，围岩主应力逐步减小;隧道埋深为2.5D时产生的围岩主应力值最小，最小值为0.08 MPa;隧道埋深为6D时的最大主应力最大，其最大值约为3.11 MPa。因此，随着连拱隧道的埋深进一步增加，隧道拱顶围岩主应力有明显增大趋势。

在饱水条件下，选取连拱隧道左侧上述测线结果来研究分析三种埋深对围岩压力拱厚度的影响。如图7所示，距离隧道拱脚越近，隧道围岩压力拱高度越大，并随着隧道埋深的增加而增加。左侧隧道埋深为6D时的围岩压力拱高度较埋深为2.5D时增大了62.3%。因此，随着埋深的增大，左侧隧道围岩压力拱高度增大效应更明显。可见，在饱水条件下随着连拱隧道埋深增加，分步开挖而产生的围岩压力拱偏态效应更加明显。

2.2.2 围岩应变能熵

本文分析了在开挖过程中不同埋深的连拱隧道拱顶围岩应变能熵值的变化。如图8所示，随着进一步开挖，连拱隧道整个监测区域的应变能熵值呈现减小的趋势。不难发现，开挖进行到第2、第3步之间以及第4、第5步之间时，不同埋深下的应变能熵值变化均区域平稳;开挖进行到第1、第2步之间以及第3、第4步之间时，应变能熵值的变化呈现明显下降的趋势，在整个开挖阶段，围岩应变能熵减小主要发生在这两个开挖步数之间;开挖到第5步时，埋深2.5D的围岩应变熵值最小。图9为左侧隧道拱顶监测区的应变能熵值结果图。可以看出，在饱水条件下，分步开挖连拱隧道时其顶部监测区域的围岩应变能熵呈下降趋势。在三种不同的埋深条件下，2.5D埋深的工况围岩应变能熵值最低，4D埋深6D埋深的工況围岩应变能熵值相差不大，但均较2.5D埋深有明显增加。因此，随着隧道埋深增加，应变能熵的数值呈现逐渐变大趋势。

3 结语

本文利用FLAC3D建立了连拱隧道模型，考虑了无水和饱水条件以及不同隧道埋深等数值工况，研究分析了在隧道施工过程中连拱隧道围岩压力的变化规律。得到了以下结论：

（1）在饱水条件下，隧道围岩最小主应力达到最大值时的垂直距离较无水条件下的垂直距离远，即饱水条件下隧道围岩所形成的压力拱高度较无水时大。

（2）在开挖初期第2、第3开挖步的进行中，无水条件下的应变能熵值明显要低于饱水情况。因此，在连拱隧道施工开挖初期要及时对其进行支护来确保施工过程中的围岩稳定性。

（3）随着连拱隧道埋深的增加，隧道围岩主应力有明显增大趋势。隧道埋深为6D时的最大主应力值可达到3.11 MPa。

（4）在饱水条件下，左侧隧道埋深为6D时的围岩压力拱高度较埋深为2.5D时增大了62.3%。因此，在饱水条件下随着连拱隧道埋深增加，分步开挖而产生的围岩压力拱偏态效应更加明显。

（5）随着连拱隧道埋深增加，连拱隧道拱顶整个区域围岩应变能熵的数值呈现放大趋势。

参考文献：

[1]李春柳.连拱隧道分步开挖围岩压力演化特征及偏态效应分析[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

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