考虑开挖空间效应的隧道围岩稳定性分析

牟 丹

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

引言

随着我国交通工程的快速建设，我国公路网已基本实现四通八达，铁路建设也紧随其后，大量山岭隧道已被修建［1］。隧道内部原岩开挖会导致周围岩土体的应力发生二次重分布，尤其当岩层为工程软岩时，由于软岩具有自身强度低、变形大、自稳和自承能力等特性而发生大变形；另外，山岭铁路隧道开挖经常采用爆破施工方法，难度大、干扰因素多，对围岩扰动较大，直接影响隧道围岩稳定性［2-4］。隧道周边岩体直接影响隧道开挖以后的稳定性以及衬砌设计的强度，因此，隧道围岩稳定性问题成为地下工程界亟待解决的难题之一。

由于岩石力学不断向深埋地下领域发展，尤其是隧道工程，这就对结构的数值模拟分析的精度有更高的要求。随着计算机技术的发展，一些有限元计算软件被广泛用于隧道数值模拟［5-7］，包括ANSYS、ABAQUS、Midas/GTS 以及有限差分软件FLAC3D。针对重庆某双线铁路隧道，初期支护采取锚喷联合支护，喷射层厚度为20 cm，锚杆长度3 m；二次衬砌采用复合式衬砌，厚度为40 cm。选取该隧道Ⅳ级深埋软岩段作为研究对象，根据现场实测数据可知，该段隧道在施工期间围岩发生较大变形，由于FLAC3D 更适用于解决隧道施工过程中的软岩大变形等非线性问题，因此，选用FLAC3D 有限差分软件来模拟该段隧道的三维动态开挖过程并对隧道循环施工过程中的围岩变形与受力特征进行分析。

1 工程概况

铁路隧道隧道全长910 m，起讫里程K500+082—DK500+992，地面高程约在520～710 m，相对高差约190 m 左右，隧道最大埋深约183 m。隧道进口位于基岩内，洞身地段岩性泥岩夹页岩、泥岩夹泥灰岩、泥灰岩等，地质构造简单，围岩基本质量等级为IV 级。隧道IV 级围岩采用复合式衬砌，通过工程类比结合隧道设计资料确定岩体与支护参数见表1。

表1 衬砌支护参数

表2 围岩参数

2 有限元模型建立

FLAC3D 有限差分软件模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道开挖仅对距开挖中心3～5 倍范围内的围岩产生影响，由于实际依托工程为深埋软岩隧道，适当增加数值模拟计算模型。因此，本次模拟计算区间为横向100 m，竖向100 m，纵向30 m，由CAD 图件导入ANSYS 软件进行网格划分并拉伸成体，建立模型后保存单元及节点等信息并通过接口程序转换导入FLAC3D 中进行计算，模型共有单元数为48 780 个，节点数为51 894 个。模拟围岩、初期支护、二次衬砌均采用实体单元模拟，初期支护和二次衬砌视为线弹性材料并采用弹性本构模型；将围岩视为理想弹塑性材料并赋予摩尔-库伦本构模型，计算模型的边界条件主要采用位移边界条件：模型4 个侧面和和底面均采用位移边界条件，约束其法向位移；初始地应力场近视看作自重应力场，为减少模型单元数和节点数并降低计算量，应根据隧道实际埋深将模型上部岩体重力荷载转换为均布荷载施加在模型上表面，荷载大小为3 MPa。隧道开挖工法采用上下台阶法进行爆破开挖，开挖进尺为 2 m，上下台阶相距6 m。模型见图1。

图1 计算模型

3 结果分析

隧道在开挖过程中，开挖掌子面的存在会影响围岩应力与监测断面特征点位移的释放，这种现象被称为掌子面空间约束效应，离开挖掌子面越近这种效应越明显，离开挖掌子面越远这种空间效应越来越小，直到一定距离处围岩则不再受围岩的空间约束作用。基于FLAC3D 有限差分软件对隧道三维动态开挖进行模拟，获得隧道在开挖过程中围岩应力与监测断面特征点位移变化规律，研究隧道开挖的空间效应并分析隧道施工期间的稳定性。

3.1 围岩应力分析

随着隧道开挖，隧道周边围岩会发生应力重分布见图2。由图2 可知，应力分布规律为拱顶区域应力减小，隧道拱顶上方一定范围内形成形似漏斗状的卸压区域；而拱脚出现应力集中，应力增大；随着隧道不断开挖，最终形成拱顶处围岩应力较少，拱脚处围岩应力增加的现象，同时说明拱脚为隧道施工过程中重点监测部位。

隧洞开挖应力云图揭示了隧道采用上下台阶法动态开挖工程中围岩的受力情况。由图2（f）可知，在隧道下台阶循环开挖支护过程中，围岩的竖向最大应力集中于上台阶与下台阶交界拱腰处，并且发现支护结构应力集中部位不断向掌子面逼近，最大竖向压应力值为11.14 MPa，当前支护能够充分维持隧道围岩稳定。

图2 隧道开挖过程围岩竖向应力

从隧道远端不断接近开挖掌子面时，拱腰、拱肩、拱脚的竖向压应力不断减小，分析其原因主要是随着下台阶原岩开挖，围岩应力不断释放，开挖掌子面的空间约束作用不断弱化。

3.2 围岩位移分析

以IV 级围岩模型纵向长度为15 m 的断面（即隧道纵向中心，为消除边界效应）为主要监测对象，针对必测项目的拱顶下沉和周边收敛进行研究。利用FLAC3D 中的history 命令来监测隧道在施工过程中拱顶、拱脚位移变化规律，进而判断隧道在施工期间的稳定性。隧道开挖监测断面位移曲线见图3。

由图3 可知，隧道开挖行为导致隧道围岩应力发生重分布的同时伴随着变形的产生，开挖掌子面在监测断面2 倍洞径之内时，开挖会引起监测断面位移的变化，在1 倍洞径之内变化较为明显；在监测断面前大概0.3 洞径时发生急剧变化。上台阶开挖后，监测断面特征点会发生急剧下降，并持续4～5 d，拱顶下沉量达到位移总下沉量的60%以上；随着开挖断面继续向前推进1 倍洞径，拱顶下沉速率不断减小，进入缓慢变形阶段。随着下台阶开挖与仰拱闭合，拱顶沉降速明显减小，并逐渐趋于平缓，监测断面特征点位移几乎不变，隧道处于稳定状态。

图3 隧道开挖监测断面位移曲线

4 结语

（1）在隧道施工过程中，由于隧道开挖造成围岩应力重分布，其中拱脚产生应力集中属于加载区域，施工过程中应加强拱脚处的监测。（2）影响隧道稳定性的因素很多，支护结构能够有效抑制隧道围岩变形，改善围岩受力；随着支护结构的闭合，能够有效提高隧道围岩的稳定性。（3）监测断面距开挖掌子面距离越远，监测断面特征点变形速率越小，围岩应力值越大，掌子面的空间约束效应在距监测断面1 倍洞径到2 倍洞径基本消失。（4）在隧道开挖瞬间并施作初支后，监测断面特征点位移变化比较明显，开挖后前4 d 的累计变形量占总变形量的50%以上，因此，可以认为最不利出现在开挖并支护的第4 d 左右，要加强开挖掌子面前0.5 倍洞径到1 倍洞径断面处的监测。