软弱破碎围岩隧道施工数值模拟研究

徐 燕， 唐卓怡， 汪春桃， 刘 宁

(1.无锡市交通工程质量监督站， 江苏 无锡 214031； 2.江苏省交通规划设计院股份有限公司， 江苏 南京 210014)



软弱破碎围岩隧道施工数值模拟研究

徐 燕1， 唐卓怡1， 汪春桃2， 刘 宁2

(1.无锡市交通工程质量监督站， 江苏 无锡 214031； 2.江苏省交通规划设计院股份有限公司， 江苏 南京 210014)

为研究软弱破碎围岩条件下隧道施工过程中围岩与支护受力变形特征，以某隧道工程为背景，利用ABAQUS分别建立隧道施工二维和三维有限元模型。模型力求与工程实际相符合，同时考虑了隧道实际的支护体系和地质条件，并模拟不同的施工工况，其中二维模型模拟隧道全断面开挖、初期支护完成和二次衬砌完成等工况；三维模型模拟隧道上、下台阶开挖、初期支护完成和二次衬砌完成等工况。通过模型计算，并与监控量测结果进行对比分析，揭示了该隧道支护和开挖过程中支护与围岩受力与变形特征。研究结果表明，有限元方法能够较好地预测隧道拱顶沉降；及时封闭初期支护能够有效地控制隧道围岩支护体变形，提高隧道稳定性；二次衬砌施做能够显著改善初期支护受力状态，使之应力分布较为均匀。

软弱破碎围岩； 隧道； 初期支护； 数值模拟

0 前言

随着公路建设的快速发展，公路隧道的修建越来越多，不可避免地会遇到软弱破碎围岩。当隧道通过软弱破碎带时，围岩与隧道结构受力复杂多变，处理稍不得当，就会导致耗费大量人力物力，拖延工期，甚至出现安全事故[1，2]。因此，对软弱破碎围岩隧道施工过程中支护与围岩受力变形特性进行研究，具有很好的社会价值和工程应用价值。

对于隧道开挖过程中围岩与支护受力变形特点，可以通过模型试验[3，4，5]、现场监控量测[6，7]和数值模拟[3，8，9]方法进行研究。

模型试验配以数值模拟方法能够较全面直观地揭示围岩与支护受力变形特点，研究成果具有较好的可靠性。但模拟实验需要的试验设备和器材较多，成本高，周期长。

现场监控量测是新奥法施工的重要原则，能够为工程施工及时提供参考。但是在监测数据采集过程中由于受到外部环境和测量人员本身因素的影响，其结果往往并不能完全正确反映隧道围岩支护实际的状态，需要有经验的工程师进行认真判断甄别。

数值模拟方法主要有两类。一类是非连续体分析方法，但其计算复杂，不适合软弱破碎岩体分析[3]。另一类是连续体分析方法，应用较为广泛的是有限元方法。目前有较多的大型通用有限元计算软件，能够很好地实现模型的数值分析。

本文依托实际工程，按照工程实际设计支护条件，工程地质条件和施工方法，建立二维和三维有限元模型，模拟该隧道开挖施工过程，得出围岩与支护受力变形情况。同时将数值分析结果与现场监控量测结果进行对比分析，从而得出一些对工程具有借鉴意义的结论。

1 工程概况

本隧道左线全长700 m；右线全长665 m，按一级公路双向六车道标准设计，采用分离式双洞单向行驶方案。隧道净宽14.5 m，净高7.8 m，建筑限界高度5.0 m。隧道设计断面如图1所示。

图1 隧道横断面设计图Figure 1 The design of the tunnel cross-section

隧道暗洞段衬砌均按新奥法原理设计和施工，采用柔性支护体系结构的复合式衬砌，即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架等为初期支护，二次衬砌采用钢筋混凝土，并在两次衬砌之间敷设土工布及防水板。对于隧道洞口较差围岩段进洞采用大管棚注浆预加固，洞内较差围岩段及断层破碎带段采用超前小导管等辅助措施进行围岩预加固，并辅以钢拱架等支护措施，确保施工时洞室的安全。

隧道隧址区分布地层主要为新近人工堆积土(Qr)、新近崩塌堆积物(Qcol)、第四系残坡积土(Qel+dl)，下伏基岩为泥盆系中下统茅山组(D1-2m)碎屑岩。

① 新近人工堆积土(Qr)：杂填土，灰白～灰黄色，稍密，由石渣、碎石、石粉、粘性土及少量块石组成，碎石直径 2～4 cm，局部块石直径 10 cm以上，碎块石含量约20%～40%。厚度0.3～1.5 m。分布于隧道进出口较平坦的坡面。

② 新近崩塌堆积物(Qcol)：成分为碎石、块石，紫红色，碎、块石岩性为石英砂岩，呈散体状堆积。范围较小，仅分布于隧洞右线桩号RK6+412附近，沿坡脚分布，厚度1 m左右。

③ 第四系残坡积土(Qel+dl)：主要成分为粘土夹碎石，灰～灰黄色、紫红色，稍密～中密，碎石直径 2～4 cm，局部为块石，直径10 cm以上，碎、块石含量约20%～40%。碎块石成分为强风化石英砂岩。分布于隧道进出口远端的山麓地带及高程90 m以上的原始山坡表层，厚度约0.5～1.5 m左右。

④ 泥盆系中下统茅山组(D1-2m)碎屑岩：岩性为变质细粒石英砂岩夹薄层状泥岩，灰白、灰黄色～紫红色，细粒结构，石英砂岩单层厚度一般20～40 cm，为中厚层状，泥岩厚度一般为5～20 cm，为中薄层状；微风化～新鲜的细粒石英砂岩为中硬岩石，抗风化能力强，而泥岩为软质岩石，层间结合弱，强度低，抗风化能力差。岩层产状N5～15°E，SE∠25°。

2 模型介绍及参数设置

2.1 模型介绍

① 二维模型。

本次数值模拟采用ABAQUS。

根据所选断面具体埋深、岩层特性、支护形式等建立模型。围岩采用Mohr-Coulomb理想塑性模型，初支与二衬混凝土采用各向同性弹性模型，采用平面四边形CPE4单元类型；钢拱架(I22b型工字钢)、系统锚杆(φ25钢筋)和超前小导管采用线性梁单元[9，10]。

按照“开挖-初衬-锚固-钢拱架及下一步开挖所需超前锚杆-二衬”此施工顺序逐步施加重力荷载。模型两侧约束X轴方向位移，底部约束X，Y轴方向的位移。锚杆、超前小导管和钢拱架与围岩和初衬为嵌入约束，初衬和围岩绑定约束，被挖掉部分与围岩为绑定约束，二衬和初衬为绑定约束。绑定约束即模型中的两个面被牢固地粘结在一起，在分析过程中不再分开，约束绑定节点的各个方向平动自由度和转动自由度，使从节点随主节点运动。模型见图2。

图2 二维模型Figure 2 2D finite element model

② 三维模型。

三维模型同样根据所选断面的具体埋深、岩层特性、支护形式等建立模型。

围岩采用Mohr-Coulomb理想塑性模型，其它均为弹性模型，岩石及衬砌采用平面四边形C3D8单元类型，锚杆和钢拱架采用线性杆单元T3D2。模型前后，左右两侧约束对应轴方向位移，底部约束X，Y和Z轴方向的位移。约束条件：锚杆与围岩和初衬为嵌入约束(嵌入约束：模型的一个区域镶嵌在另一个区域，约束各个方向的平动自由度和转动自由度)，初衬和围岩绑定约束，被挖掉部分与围岩为绑定约束，二衬和初衬为绑定约束。利用单元生死功能模拟隧道台阶开挖。钢拱架结构布置见图3，三维模型见图4。

图3 钢拱架结构布置Figure 3 3D finite element model

图4 三维模型Figure 4 3D finite element model

2.2 参数设置

数值模型中各种材料的参数选取勘察报告和设计文件提供数据，见表1。

表1 模型基本参数Table1 Thebasicparametersofthemodel类别重度/(kN·m-3)弹模/kPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/kPa初衬C252.22.3×1070.2——二衬C302.02.5×1070.2——堆积碎石2.73.0×1040.41910强风化石英砂岩2.51.0×1060.3522100中风化石英砂岩2.61.22×1060.3525150微风化石英砂岩2.81.5×1060.3537200锚杆7.82.06×1080.3——钢拱架7.82.06×1080.3——

3 计算结果

3.1 二维模型计算结果

① 位移计算结果。

图5为隧道开挖并完成初期支护后隧道整体与初期支护的变形等值云图。最大位移分别发生在拱顶和仰拱中部，拱顶沉降量3.7 mm，仰拱最大隆起2.2 mm。

图5 初支完成后隧道变形图/mFigure 5 Deformation of the tunnel after initial support completion/m

图6为隧道二次衬砌完成后整体变形情况，从图中可以看出：二次衬砌施做能够明显控制拱顶下沉，此时拱顶最大沉降量约2.5 mm。对于仰拱隆起，二衬施做并没有造成隆起量的明显变化，此时仰拱最大隆起量为2.3 mm。

图6 二衬完成后隧道整体变形图/mFigure 6 Deformation of the tunnel after secondary lining completion/m

② 应力计算结果。

图7和图8分别为隧道二次衬砌施做前初期支护的最大主应力和最小主应力。ABAQUS中“+”表示拉力，“-”表示压力。

初期支护拱部最大主应力基本为压应力，压应力最大部位产生在拱脚附近，约0.4 MPa；仰拱最大主应力多为拉应力，其中仰拱两端拉应力最大，约为2.4 MPa。初期支护最小主应力均为压应力，其中拱腰内侧压应力最大，约为4.6 MPa。

图7 二衬施做前初支最大主应力图/kPaFigure 7 The maximum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

图8 二衬施做前初支最小主应力图/kPaFigure 8 The minimum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

图9和图10分别为隧道二次衬砌最大主应力和最小主应力。二次衬砌拱部最大主应力为压应力，最大值在拱腰外侧附近区域，约0.4 MPa；仰拱部位最大主应力为拉应力，最大值在拱脚附近，约1.8 MPa。二次衬砌最小主应力均为压应力，拱部最大值在拱腰内侧，约3.1 MPa。

图9 二衬最大主应力图/kPaFigure 9 The maximum principal stress of secondary lining/kPa

图10 二衬最小主应力图/kPaFigure 10 The minimum principal stress of secondary lining/kPa

3.2 三维模型计算结果

① 位移计算结果。

图11为上台阶开挖并施做初期支护后隧道整体位移云图。上台阶开挖后围岩和初期支护变形特点与隧道全断面开挖时类似，拱顶发生最大沉降，沉降值约为5.2 mm，下台阶最大隆起约3.2 mm。

图11 上台阶开挖并施做初期支护后位移图/mFigure 11 Deformation of the tunnel after up bench excavation and initial support completion/m

图12为下台阶开挖结束，初期支护形成闭合环后，隧道整体位移云图。此时，隧道拱顶最大沉降约3.8 mm，仰拱最大隆起约2.7 mm。三维模型计算结果与二维模型计算结果基本相同，略有差异。

可以看出，初期支护形成闭合环后比下台阶开挖前初期支护没有闭合时围岩位移明显减小，说明及时封闭初期支护能够有效的控制隧道围岩变形，提高支护结构的稳定性。

图12 下台阶开挖并施做初期支护后位移图/mFigure 12 Deformation of the tunnel after lower bench excavation and initial support completion/m

图13为隧道下台阶开挖二次衬砌施做后隧道整体位移云图。由于数值模型建立时，围岩、初支、二衬之间为绑定约束，3者共同变形，所以3者最大变形值相同，变形形态相同。从图中可以看出，二次衬砌施做后，围岩变形明显减小，拱顶最大沉降量约为2.5 mm，仰拱最大隆起量约为2.4 mm。此计算结果与二维模型计算结果相当。

图13 二次衬砌施做后位移图/mFigure 13 Deformation of the tunnel after secondary lining completion/m

② 应力计算结果。

图14和图15分别为二次衬砌施做前，初期支护的最大主应力和最小主应力云图。从2图可以看出：初期支护处拱脚部位，其余基本处于三维受压状态。拱脚的拉—压应力状态，对于初支材料受力极为不利。

图14 二衬施做前初支最大主应力图/kPaFigure 14 The maximum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

图15 二衬施做前初支最小主应力图/kPaFigure 15 The minimum principal stress of initial support before secondary lining completion/kPa

图15所示的最小主应力云图与二维计算结果不同，此时最大压应力没有出现在拱腰附近，而是在拱脚附近，证明拱脚部位为支护结构受力复杂的薄弱环节。

图16～图19分别为二次衬砌施做后初期支护和二次衬砌的最大主应力和最小主应力。

初期支护的应力状态在二次衬砌施做后应力状态有所改善，最大压应力分布较为均匀，在拱腰内侧产生最大压应力。二次衬砌在拱脚位置产生最大压应力和最大拉应力。

因此，无论是初期支护还是二次衬砌，均应加强拱脚处的处理，改善其受力状态。

图16 二衬施做后初支最大主应力图/kPaFigure 16 The maximum principal stress of initial support after secondary lining completion/kPa

图17 二衬施做后初支最小主应力图/kPaFigure 17 The minimum principal stress of initial support after secondary lining completion/kPa

图18 二衬最大主应力图/kPaFigure 18 The maximum principal stress of secondary lining/kPa

图19 二衬最小主应力图/kPaFigure 19 The minimum principal stress of secondary lining/kPa

4 有限元数值分析与实测结果对比

表2为有限元数值分析与实测结果对比表。

表2 实测数据与有限元分析结果对比表Table2 Comparisonofmeasureddataandfiniteelementa-nalysisresults测项实测二维模拟三维模拟拱顶沉降/mm8.53.783.82水平收敛/mm上台阶3.50.40.68下台阶1.90.0010.62围岩与初支接触压力/kPa拱顶145814727拱腰8014401270

通过上表可以看出：拱顶沉降实测与数值模拟结果较为接近。水平收敛值由于在数值模型中拱脚部位用位移约束代替了锁脚锚杆，下台阶收敛值接近于零。

围岩与初支接触压力，实测值与数值模拟值有较大出入。这应该与压力盒埋设的有效性以及数值模型的诸多假定有关。

5 结论

① 拱顶沉降实测与数值模拟结果较为接近，有限元数值模拟软弱破碎围岩隧道变形方法对隧道变形预测有积极意义。

② 软弱破碎围岩隧道初期支护形成闭合环后围岩与支护位移明显减小，说明及时封闭初期支护能够有效的控制隧道围岩支护体变形，提高隧道稳定性。

③ 初期支护的应力状态在二次衬砌施做后有所改善，应力分布较为均匀。因此及时施做二次衬砌能够改善隧道围岩支护体的应力状态，有利于隧道的稳定。

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Numerical Simulation of Weak Broken Surrounding Rock Tunnel

XU Yan1， TANG Zuoyi1， WANG Chuntao2， LIU Ning2

(1.Wuxi City Traffic Engineering Quality Supervision Station， Wuxi， Jiangsu 214031， China； 2.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company， Nangjing， Jiangsu 210014， China)

For the study of force and deformation characteristics of supporting and surrounding rocks of the tunnels in soft and fractured surrounding rocks during constructing，2D and 3D finite element model are established by ABAQUS based on a tunnel project.The models are consistent with the actual situation of the engineering.Full-face excavation，initial support completion and secondary lining completion construction conditions were included in 2D model；the up and lower bench excavation，initial support completion and secondary lining completion construction conditions were included in 3D model.The stress and deformation characteristics of tunnel supports and surrounding rocks were revealed by solving the finite element models and comparing the on-site monitoring results.The results show that，finite element method can be used to predict the tunnel crown settlements.Timely closure of initial support can be effectively controlled tunnel surrounding rock deformation and improve the stability of the tunnel.Construction of secondary lining can significantly improve the force state of initial support making it more uniform stress distribution.

weak broken surrounding rock； tunnel； initial support； numerical simulation

2016 — 06 — 15

江苏省交通运输科技项目(2013Y05)

徐 燕(1962 — )，女，江苏无锡人，高级工程师，主要从事公路桥梁设计及路桥工程建设管理工作。

U 455.91

A

1674 — 0610(2016)05 — 0161 — 06