近水平岩层隧道贯通段受力机理研究

马　龙，路锦标，高　华

(中铁九局重庆分公司， 重庆　401121)



近水平岩层隧道贯通段受力机理研究

马龙，路锦标，高华

(中铁九局重庆分公司， 重庆401121)

摘要：采用理论分析和数值分析相结合的方法，基于实际隧道塌方实例，利用ANSYS软件建立隧道贯通段开挖三维模型，分析水平岩层隧道在施工过程中围岩以及支护结构的受力、变形规律，同时深入分析隧道贯通段塌方产生的力学机理和地下水、爆破振动、空间效应和施工等影响因素。研究成果可为深埋隧道现场判断隧道贯通塌方起因和预测隧道塌方等提供参考。

关键词：隧道；水平岩层；贯通段；变形；塌方机理

工程实践中，在水平或近水平层状岩(土)体修建隧道十分广泛。当在水平层状岩体中修建地下洞室时，由于水平层状岩体层面存在变形和强度的各向异性[1-3]，加之外界各种因素尤其是地下水的影响，导致水平岩层隧道受力变形机理十分复杂，施工中塌方现象不胜枚举[4-5]。尤其是在隧道贯通阶段发生的塌方，不仅需要耗费大量的人力物力进行治理，耽误工期，而且还严重威胁施工人员的生命安全，存在掩埋施工机械的危险。因此，对近水平岩层隧道塌方机理进行研究显得极为迫切。

近水平岩层隧道塌方形成机理引起了国内外广大专家和学者的注意，但对近水平岩层隧道塌方机理的研究主要依赖数值模拟或者具体的工程实践经验积累[6-8]。据统计，利用数值仿真对实际工程塌方机理进行分析较多[9-11]，而系统性地研究近水平岩层隧道贯通段塌方机理的文献较少。所以，开展近水平岩层隧道贯通段塌方机理的规律研究具有十分重要的现实意义。本文以石塘隧道贯通段塌方过程为依托，通过数值模拟方法对隧道贯通段进行受力及变形特征分析，得到此类塌方的力学机理，为类似塌方事件提供参考依据。

1工程概况与塌方过程

石塘隧道位于四川省万源县，全长2 730 m，是快速通道上的双向长隧道。隧址区地处四川盆地，穿越地层最高海拔为1 750 m，最低处仅810 m，相对高差达800～900 m。

该隧道处于石塘复背斜北翼，隧道线路未穿越褶曲等地质构造，其所穿越地层岩体的裂隙倾角普遍较大，且其节理面较为平直。节理一般呈现微张状态，较密，宽度一般在1～50 mm以内，内部多被泥质物所填塞，且节理延伸长度可达到3 m以上。由于岩层中节理的存在，导致岩体不连续，出现分层现象，且层与层之间的粘合不紧密，岩体整体性较差。地勘资料显示，隧道穿越区段地层岩性主要为砂岩、泥质粉砂岩、页岩以及砾岩等。该地区属于多雨、多雾的湿润气候，地下水类型主要为松散土层空隙水以及岩体裂隙水。

2012年12月7日晚上10时半，该隧道贯通段拱顶出现坍塌，拱顶坍塌延伸范围约为15 m，塌方量约1 000 m3，且坍塌深度不明，宽约10 m。此次坍塌致使K62+070～K62+075之间的拱架严重变形，初期支护严重破坏，混凝土崩裂剥落和掉块的现象较多，如图1所示。

图1　石塘隧道塌方情况

2模型建立

本文根据石塘隧道水平岩层贯通段的围岩地质情况，结合施工方法及贯通段支护结构，利用ANSYS软件，建立石塘隧道贯通段开挖的三维数值模型，分析围岩和支护结构在开挖过程中的受力变形规律，研究其破坏机理。计算模型在开挖方向选取100 m长度模拟隧道双向开挖。根据相关规范和技术要求，双向开挖隧道两开挖面间距剩下15～30 m时，应改为单向开挖。因此，根据该隧道开挖方案，当隧道开挖至剩余20 m时，采取单向开挖方式进行开挖。

分析计算过程中，采用地层-结构法来模拟隧道开挖。根据隧道地质情况，将隧道围岩按2层考虑。选用MESH200(3-D)4节点单元辅助完成平面模型的网格划分，采用SOLID45三维实体单元模拟围岩，采用shell181壳单元模拟隧道初期支护。隧道围岩材料采用Drucker-Prager 屈服条件的(D-P) 材料进行模拟，其用于计算隧道开挖过程中地层发生的非线性变形特性。材料参数如表1所示。

表1　模型材料参数

石塘隧道埋深340 m，属深埋隧道，故计算模型竖向共取80 m，将隧道上方岩土转化为均布荷载施加于隧道上边界，施加均布荷载为6.6 MPa，且隧道开挖长度取计算长度100 m。隧道开挖过程中，通过控制单元“生死”来实现土体开挖及支护施作过程。石塘隧道整体及初期支护三维有限元模型如图2所示，隧道开挖断面如图3所示。

图2　石塘隧道整体有限元与初期支护模型

图3　隧道开挖断面示意

3计算结果分析

3.1初始阶段

天然状态下，岩层主要承受竖向压应力，压力明显成层分布。在模型底边界竖向最大压应力为8 MPa。水平方向最大应力也在底边界，应力大小主要受埋深影响。岩体变形主要是竖向变形，X、Z方向位移云图虽有差异，但数值极小，可忽略不计。Y方向的初始位移主要由自重引起，之后计算分析过程中应减去这部分位移。

3.2隧道双向各开挖20 m时初期支护应力与变形分析

隧道双向开挖20 m时初期支护X、Y方向的应力云图如图4所示。由图4可知，隧道拱顶X方向的应力从-3.13 MPa变为-3.87 MPa，压应力有所增加，而Y方向的应力从-7.31 MPa减至-2.25 MPa，压应力下降。隧道拱底处应力变化较大，X方向应力从-3.24 MPa减至-0.89 MPa，压应力下降；Y方向应力由-7.55 MPa变为-0.844 MPa；Z方向应力从-3.15 MPa变为-0.34 MPa。隧道左拱腰和右拱腰X、Y方向应力变化基本相同，X方向压应力下降0.45 MPa；Y方向压应力存在少量上升，约0.6 MPa；Z方向压应力变化不大，约下降0.05 MPa。隧道左拱脚和右拱脚变化基本相同，X方向压应力下降0.7 MPa，Y方向压应力增加3 MPa，Z方向压应力增加0.9 MPa。

隧道支护结构在开挖20 m时的位移云图如图5所示。

图4　隧道双向各掘进20 m时支护各方向应力云图

图5　隧道双向各掘进20 m时支护各方向位移云图

由图5可知，开挖过程中隧道拱顶出现沉降，约2.7 cm；隧道底板存在往上隆起状态；隧道左右拱腰处存在朝向洞内的水平位移，约为3 mm；隧道左右边墙水平相对位移约为3 mm，竖向位移约为3 mm。隧道竖向位移一般掌子面附近相对较小，主要是由于隧道开挖掌子面的支撑作用所致。

3.3隧道双向各开挖40 m时应力与变形分析

隧道双向开挖40 m时初期支护X、Y方向的应力云图如图6所示。

由图6可以看出，随着隧道往前开挖，隧道内各点的应力状态也在发生改变，拱顶X方向应力为-3.9 MPa，应力有所增大；Y方向应力为-2.3 MPa，应力增大，但增量较小；Z方向的应力为-1.6 MPa。拱底X、Y和Z方向的应力均有所增加，X方向应力增加幅度为0.02 MPa，Y、Z方向应力增加幅度为0.4 MPa。左右拱腰位置的应力变化基本相同，表现为应力增加，其中X、Z方向变化较小，而Y方向增加0.18 MPa。左右拱脚处应力变化表现为应力增加，X方向增量较小，Y方向增量在0.2 MPa左右。

隧道支护结构在开挖40 m时的位移云图如图7所示。

由图7可以看出，随着隧道掘进，围岩的空间效应开始消失，竖向位移开始增大，而各点的水平位移变化较小。隧道拱底相对隧道双向各掘进40 m时表现为0.6 mm的下沉，主要是由于隧道开挖所致。隧道开挖掌子面附近Z向位移表现为朝隧道洞口方向的位移。隧道整体位移表现为拱顶附近的下沉，以及底板附近的上隆。左右拱腰处是朝向隧道洞内的位移。

3.4隧道单向掘进10 m时应力与变形分析

隧道支护结构在开挖10 m时的各方向应力云图如图8所示。

由图8可以看出，随着隧道从双向掘进转为单向掘进，隧道应力也在发生改变，主要表现为开挖端应力变化较停止开挖端大，隧道入口处拱顶应力有所增加。同时，在拱脚、拱底、拱腰、边墙处应力存在变化，但改变量不大，约为0.02 MPa，且越靠近隧道开挖掌子面应力变化越大。

隧道围岩和支护结构在单向开挖10 m时的位移云图如图9所示。

图6　隧道双向各掘进40 m时支护各方向应力云图

图7　隧道双向各掘进40 m时支护各方向位移云图

图8　隧道单向掘进10 m时支护各方向应力云图

图9　隧道单向掘进10 m时支护各方向位移云图

随着隧道由双向开挖转为单项开挖，开挖端掌子面向前推进，隧道围岩支护结构的位移也随之发生改变。由图9可知，隧道开挖过程中，拱顶下沉趋势基本不变；左右拱腰表现为朝向隧道洞内的位移趋势；拱底表现为往上隆起状态；左右拱脚表现为朝隧道中线的水平位移。同时，由于隧道开挖的空间效应，距离掌子面越近，隧道变形越明显；反之，随着掌子面推进，距离掌子面越远的截面，位移变形开始减小。

3.5隧道贯通后应力与变形分析

隧道支护结构在隧道开挖贯通后各方向应力云图如图10所示。

由图10可以看出，随着整个隧道贯通，隧道应力在最终10 m开挖过程中表现为开挖段剧烈变化，而已支护段应力变化程度相对较小。拱底X方向的应力变化主要位于开挖处附近，该段应力变化值为2.5 MPa，表现为压应力下降。同时在开挖段，隧道拱顶的水平压应力增加，变化量为1 MPa，变化值朝着洞口方向递减。Y方向应力在隧道开挖处受影响最大，尤其是隧道开挖段拱顶、拱底，变化值为 0.7 MPa，表现为压应力下降。在开挖段拱脚处，Y方向的应力值增加，影响范围扩展到边墙附近。

图10　隧道贯通后支护各方向应力云图

图11　隧道贯通后支护各方向位移云图

随着隧道最后10 m的开挖，隧道位移发生改变，如图11所示。由图11可知，隧道位移变化段主要在最后10 m开挖段附近。X方向位移表现为开挖段附近左右拱腰朝向隧道内的水平位移，位移值在1.8 mm左右，且水平位移往洞口方向呈现递减趋势。由于土体的开挖导致开挖段隧道拱顶在Y方向下沉3 cm，因此隧道底板呈现上隆状态。另外，土体的开挖导致开挖段上覆土体两端呈现往开挖处挤压的Z向位移，位移值接近2 mm。

4隧道贯通塌方力学机理分析

石塘隧道塌方前，该地区连续阴雨，地下水得到充分补给。隧道塌方后，拱顶处的钢拱架已经弯折，存在往洞轴线倾倒的趋势。下面根据前面的数值模拟模型，并结合水平岩层的特点以及塌方时当地天气情况来分析隧道塌方原因以及其作用机理。

4.1天气影响

隧道塌方前，隧址区连续降雨，地下水得到充分补给。地下水对隧道的影响主要体现在以下几方面。

1) 地下水补给导致隧道上覆岩土自重增加，初期支护承受的荷载增大。

2) 在水的作用下，岩体以及岩层之间层面的c、φ、E等物理力学指标被水软化，进而影响其极限强度。

3) 从断裂与损伤力学分析得知，由于开挖卸载以及水的侵蚀，层面或软弱夹层中出现空隙(类似裂纹)，水的侵入降低了纹面的正压力，对裂纹尖端的应力强度因子产生影响。

4) 孔隙水压力的“楔入”作用推动了层面之间裂隙的发展，最终导致裂隙贯通。

水的作用主要表现在力学作用以及侵蚀作用方面。因此，石塘隧道地下水的作用改变了岩层的力学性质，弱化了层面之间的粘结，同时改变了各层的受力形式。

4.2爆破振动影响

1) 隧道工程处于近水平岩层，岩体性质表现为竖向各向异性。石塘隧道开挖爆破过程中，引起质点振动。在隧道拱顶位置，受开挖临空面影响，拱顶竖向质点振动速度最大。且由于爆心距不同，导致各层之间的质点振速不同，从而容易导致拱顶各层面之间出现裂隙。而裂隙在爆破振动动荷载作用下继续扩展，导致层面离层。

2) 爆破震动容易导致岩体中产生裂纹，包括水平和竖向裂纹。

3) 由于水平岩层的构造特点，隧道开挖爆破振动容易造成拱顶出现平拱现象，在拱顶位置出现超挖，致使隧道拱顶各层岩层受力呈现板式受力形式。由于拱顶出现超挖，回填时便很难保证密实，会导致围岩与支护结构接触不密实、围岩与支护处于点接触状态、隧道拱顶处压力增大，致使拱顶受力不利，从而容易造成拱顶弯矩超限。

4) 在爆破震动影响下，围岩岩体会出现各种裂缝。由于地下水补给，裂隙中充满水，一旦炸药爆炸后，高压爆生气体会推动裂隙水形成“水楔”作用。其挤压裂隙，致使裂隙扩展、贯通。

4.3施工开挖影响

隧道开挖改变了原岩的初始应力场。随着掌子面往前推进，隧道空间受力受到掌子面推进的影响。石塘隧道开挖属于双向掘进隧道，在隧道最终贯通处，由于支撑突然消失，其原本承担的荷载立刻分担给周围岩体，致使岩层应力突然增大，从而导致变形增大。

5结论

本文通过数值模拟并结合工程实际，分析了石塘隧道贯通前后的受力特点和隧道塌方的原因，得到如下主要结论。

1) 隧道开挖贯通过程中，拱顶水平方向位移较小，可以忽略不计。拱顶位移变化趋势为：隧道掌子面接近某一断面时，断面处拱部下沉小幅增加；掌子面正好开挖至该断面时，竖向位移增量最大；掌子面继续往前推进时，隧道拱顶继续沉降，但增量较小，最终趋于平缓。隧道底板存在向上隆起的趋势。

2) 隧道开挖过程中，拱顶X方向压应力表现为增大，水平挤压隧道拱顶；而隧道左右拱腰处出现为X方向压应力降低；在隧道拱底也表现为压应力下降，而拱脚处出现X方向应力集中。开挖导致拱顶Y方向应力降低，表现为拉应力；拱脚处表现为压应力增加，应力集中。

3) 由于石塘隧道为近水平岩层隧道，加上隧道爆破振动的影响，故在拱顶以及隧道拱腰处最容易出现失稳及超挖现象；而隧道边墙位置相对较为稳定，容易造成欠挖现象。

参 考 文 献

[1]赖金星.软岩双连拱公路隧道力学性状测试与施工过程仿真分析[D].西安：长安大学，2003.

[2]邓少军.水平层状岩体隧道围岩稳定及支护参数优化研究[D].长沙：中南大学，2006.

[3]关惠平，熊俊楠，陶双江，等.近水平岩层隧道围岩变形监测及其稳定性分析[J].岩矿测试，2008，27(5): 357-362.

[4]刘生龙.煤巷层状软岩顶板破坏规律及支护研究[D].西安：西安科技大学，2005.

[5]冯文凯，石豫川，王兴平，等.高速公路隧道水平层状围岩支护优化[J].中国公路学报，2009(2)：65-70.

[5]廖军，陆阳.东兴场隧道水平围岩变形破坏特征研究[J].路基工程，2009(4): 156-157.

[6]杜彬.长梁山隧道水平软弱围岩地段施工效应分析[J].岩石力学与工程学报，2005(13): 2357-2361.

[7]王笃实.水平岩层隧道围岩坍方的初步分析[J].西部探矿工程，1993(4)：52-55.

[8]宋刚.西山隧道水平岩层围岩稳定性数值模拟研究[J].山西建筑，2013(22)：189-190.

[9]于介.隧道在水平岩层地段设计与施工[J].铁道建筑，2011(3): 39-42.

[10]邵明敏，王忠伟，付景宇.火风山隧道水平岩层稳定性分析及施工措施[J].铁道建筑，2011(12)：69-71，88.

[11]何应军，罗守洪，缪成银.近水平软弱岩层高速公路隧道三维施工力学行为研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2012(4)：233-235，239.

Research on Stress Mechanism of Tunnel Through Section in Flat Rock Strata

MA Long, LU Jinbiao, GAO Hua

Abstract:This paper establishes a 3D model of excavation of the tunnel through section by means of the ANSYS software, based on the actual tunnel collapse examples in the method combining theoretical analysis and numerical analysis, analyzes the stress and deformation rules of wall rocks and supporting structures of tunnel in flat rock strata during construction, and meanwhile deeply analyzes the mechanical mechanism produced by collapse of tunnel through section and influence factors such as underground water, blasting vibration, spatial effect and construction, etc. The research results can provide a reference for on-site judgment of reasons of tunnel through collapse and prediction of collapse, etc. of deep-buried tunnels.

Key words:tunnel, flat rock strata; through section; deformation; collapse mechanism

文章编号：1009-6477(2016)02-0087-06

中图分类号：U459.2

文献标识码：A

作者简介：马龙(1978-)，男，四川省南充市人，本科，工程师。

收稿日期：2015-09-15

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.020