侧压力系数对含空洞地层隧道开挖的影响

高情义 李燕红

（云南展旭工程咨询有限公司，云南 曲靖 655000）

我国地域辽阔、地理条件复杂，地层中普遍存在空洞和暗河等结构缺陷，是地下工程经常面临的潜在安全风险。依据统计，空洞导致地层塌陷引发的地下施工安全事故占地下施工安全事故总数的30%。

隧道开挖引起原地应力重分布，导致地层处于不平衡状态，尤其是含空洞的部位应力比较集中。开挖扰动很容易造成含空洞的部位空洞结构失稳，进而导致开挖断面坍塌，为地下施工埋下安全隐患。

因为隧道拥有线状结构物的特点，所以开挖后的施工断面处于不同的应力环境。在开挖扰动后，不同的应力条件对地层稳定性的影响不同。应力条件的不同，加上含地层空洞的结构缺陷，导致开挖断面坍塌的机率大幅增加。因此，有必要模拟研究在不同应力环境下，含空洞地层中的开挖隧道断面，为含空洞地层开挖扰动灾变事故提供一定的理论指导和风险预测。

一、工程依托

依托重庆某隧道模拟数值，把地层假设为均质地层，计算均按照平面应变模型分析。初始侧压力系数λ为0，隧道开挖为全断面开挖，断面形状为马蹄形，跨径8m，拱高7.5m。

二、模型参数及网格模型

利用有限元差分软件flac3d建模，隧道半径为8m。根据理论经验，取大于等于6倍隧道半径为模型边界范围，因此模型尺寸为48m×2m×52m（X×Y×Z）。边界约束条件为，X轴方向和Y轴方向为水平约束，Z轴方向为垂直XY底面约束，顶部为自由面。采用六面体网格建模，共划分1152个单元，1546个节点，模型采用摩尔库伦弹塑性模型，计算方法为先平衡含有空洞地层初始地的应力，再模拟不同侧压力系数条件下的隧道全断面开挖。圆形地层空洞位于隧道顶部，净距2m、半径1m。岩土体基本物理参数如表1所示。

三、模拟结果分析

分别模拟侧压力系数在0至1之间变化的情况下，地层空洞位于顶部的隧道在全断面开挖扰动时，围岩的应力和位移状态。

（一）不同侧压力系数下的最大主应力分析

在不同侧压力系数的作用下，隧道的开挖围岩从原来的三向应力状态变为两向应力状态，发生了应力重分布。

最大主应力随着侧压力系数的增加逐渐增加。隧道顶部与空洞相连的范围之内，主应力重分布范围不断扩大。隧道全断面开挖围岩应力调整范围也主要集中在隧道开挖断面顶部与空洞相连的范围之内。

表1 岩土体基本物理参数

图1 不同侧压力系数的塑性区

图2 不同侧压力系数竖向位移

如果定义拉应力为正，压应力为负。拉应力主要集中在隧道顶部和地表，是隧道开挖容易坍塌的原因，也是反映实际施工过程中地表出现拉裂缝的力学因素。但是，随着侧压力系数的增大，地表拉应力范围逐渐减小，说明侧压力系数对地表开裂的影响较大，当隧道所处地质环境较差时，地下开挖导致的地表开裂现象最为普遍。

（二）不同侧压力系数下的塑性区分析

如图1所示，随着侧压力系数的增加，开挖围岩塑性区范围不断增加，在空洞和隧顶处塑性区贯通的范围逐渐扩大，隧道拱侧塑性区呈现与空洞塑性区贯通的趋势，隧道拱腰处塑性区的活动比其他部位明显，这是因为隧道开挖后在拱顶出现拉应力，拱腰侧出现压应力。近地表层也会出现不同的塑性区影响范围，根据pece公式的计算推演显示，在开挖浅埋隧道时，最先出现的大范围开裂破坏通常发生在地表沉降曲线率最大的地表。

（三）不同侧压力系数下的竖向位移分析

如图2所示，随着侧压力系数的增加，在隧道顶部与空洞之间的围岩竖向位移不断地增大，同时拱顶围岩受扰动范围也有增大趋势，围岩向隧道断面内收敛。拱顶最大位移约为0.246cm，拱底最大位移约为0.137cm。对比侧压力系数为0的位移云图发现，侧压力系数对拱顶位移和拱底位移的影响都较大。

四、结语

本文依托重庆某隧道开挖工程，模拟了在不同侧压力系数作用下，近拱顶含空洞全断面开挖的数值，主要得出以下结论。

最大主应力随着侧压力系数的增加而逐渐增加。隧道顶部与空洞相连的范围之内，主应力重分布范围不断地扩大。

隧道全断面开挖时，围岩应力的范围主要集中在隧道开挖断面顶部与空洞相连的区域，拉应力主要集中在隧道顶部和地表。这是隧道开挖容易坍塌的原因，也与实际施工过程中地表出现拉裂缝的现象相符，但是随着侧压力系数的增大地表拉应力范围逐渐减小，说明侧压力系数对于地表开裂影响较大。

随着侧压力系数的增加，开挖断面围岩塑性区范围不断扩大，在空洞和隧顶处塑性区贯通的范围逐渐扩大，隧道拱侧塑性区出现与空洞塑性区贯通的趋势，隧道拱腰处塑性区活动比其他部位更明显。

随着侧压力系数的不断增大，在隧道顶部与空洞之间的围岩竖向洞内收敛位移不断增大，拱顶扰动范围也有增大的趋势，同时拱底隆起位移也会受到侧压力系数的影响。