地表倾角和埋深对浅埋偏压隧道塑性区的影响范围研究

张立群 高 典 杨 浩 穆柏林 张丽娇 徐永明

(1.河北建筑工程学院,土木工程学院，河北 张家口 075000；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)



地表倾角和埋深对浅埋偏压隧道塑性区的影响范围研究

张立群1高 典1杨 浩1穆柏林1张丽娇1徐永明2

(1.河北建筑工程学院,土木工程学院，河北 张家口 075000；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

浅埋偏压隧道施工安全是隧道施工的常见问题.采用FLAC3D有限差分软件，针对地表倾角和埋深对隧道塑性区范围的影响，分为两组不同工况的隧道开挖进行了数值分析.结果表明：随着地表倾角增加，左边墙和左拱脚的水平位移逐渐减小，当地表倾角为35°时位移值为负，出现了向左的位移，右拱腰的竖向位移增大趋势要大于左拱腰，随着隧道埋深的增加，位移的大小随埋深的增大均逐渐增加；剪应力主要集中在左右拱脚和左右边墙处，塑性区首先出现在这些区域，并随着剪应力的增加范围逐渐增大.

浅埋偏压隧道；埋深；地表倾角；塑性区

0 引 言

高世军，张学民[1]对贵州三凯高速公路松皆雅隧道工程地质的情况进行了现场调查，对隧道支护结构的压溃机理进行了理论分析.钟新樵[2]结合宝中线老头沟隧道，对偏压条件下的不同开挖方法进行了对比模型试验，试验结果表明隧道偏压的形成与围岩性质、地表的倾角、隧道覆土厚度、洞室形状及尺寸、施工方法均有关.周晓军，高杨等人[3]针对地质顺层岩体作用于隧道衬砌结构上的偏压载荷进行了模型试验，初步得出了地质顺层偏压隧道围岩压力的分布特点与不同顺层倾角之间的变化关系，并对这种隧道的结构形式和支护措施进行了探讨.谢世平[4]利用有限元软件2D-Sigma对隧道的原始地应力场、开挖后的地应力场的分布情况和隧道开挖方法以及支护方式进行了模拟研究.沈春儒，蒋斌松[5]针对桦木沟隧道，通过数值模拟研究了该偏压隧道围岩的变形特征以及稳定性，对影响偏压隧道的因素进行了分析.朱劲，徐幼建，许瑞宁[6]针对沙霸湾隧道洞口偏压段进行了数值模拟，研究了红层地区不同节理倾角下隧道围岩应力和变形.乔雄，陈建勋，王梦恕[7]采用现场监控测量的方法，对刘家坪2号隧道洞口段的净空收敛、围岩内部位移及拱部下沉进行测试，揭示了黄土隧道洞口段的变形规律.祁寒，高波等人[8]对均质硬岩、竖向半软半硬围岩和均质软岩偏压小净距隧道的施工过程进行了模拟研究.

偏压隧道，是指由于不对称力的作用，使隧道支护受到偏压荷载作用的隧道.引起隧道偏压的主要影响因素可分为三类：地形引起的偏压、地质构造引起的偏压和施工引起的偏压.地形因素引起的偏压，主要表现为：隧道顶部覆盖层较薄，地表横坡有明显倾斜的软质或土质且松散的围岩，常见于傍山浅埋以及洞口浅埋地段，要想改变地形偏压具有相当的难度；地质构造因素引起隧道偏压，主要表现为：围岩为倾斜层状结构，层间粘结力差且不良节理裂隙发育，或者是洞身存在软弱结构面且倾角较大，使得围岩部分较硬部分较软；在隧道施工期间，可能会出现由于施工方法不当造成隧道一侧围岩出现塌方、超挖且回填不密实或未及时支护等原因形成的偏压，这一类人为原因造成的隧道偏压属于施工因素引起的偏压.

1 隧道数值模拟

1.1 FLAC3D模型建立

隧道数值模型根据实际工程确定，毛洞单跨15.6 m，高11 m，首先采用有限元软件ANSYS建立三维数值模型，并划分网格，再导入FLAC3D有限差分软件进行数值计算，岩体的初始地应力场为自重应力场.

根据弹性力学中接触理论和拉应力集中现象，隧道开挖对大于隧道洞径3倍距离外的岩体扰动影响不大，因此，为了消除边界效应，隧道模型的的左右边界距开挖边界取三倍跨度以上，下边界至仰拱的距离取隧道的三倍高度以上，上边界为实际地表，模型总宽度为150 m，沿隧道轴向长度为30 m，模型左右边界和前后边界约束其相应地水平位移，下边界约束其竖向位移，上边界为自由边界.隧道采用上下台阶法开挖，台阶长9 m，每次开挖进尺3 m.初期支护采用Φ25中空注浆锚杆，L=4 m，间距100 cm×70 cm，喷C25混凝土28 cm.模型采用cable单元模拟锚杆，采用弹性模型来模拟混凝土初期支护.

(a)ANSYS模型网格 (b)初支样式

图1 隧道模型网格与支护样式

1.2 围岩参数及数值仿真工况

表1 围岩及支护物理力学参数

表2 工况分组情况

2 计算结果分析

2.1 位移分析

(a)水平位移 (b)竖向位移

图2 不同地表倾角隧道位移曲线

由图2中可以得到，随着地表倾角由15°增加到35°，左边墙和左拱脚的水平位移逐渐减小，当地表倾角为35°时位移值为负，出现了向左的位移，左边墙位移由0.3 mm减小到-0.15 mm，左拱脚位移由0.3 mm减小到-0.5 mm，右边墙的位移随地表倾角的变化不明显，右拱脚水平位移随地表偏角的增大逐渐增大，当倾角达到35°时水平位移最大，达到1.6 mm；随着地表倾角的增加，左拱腰的竖向位移增加幅度不大，而拱顶和右拱腰的竖向位移则增加较多，说明隧道在偏压作用下变形逐步增大，当偏压角度超过25°以后变形速率也增大，随偏压角度增大右拱腰的竖向位移增大趋势要大于左拱腰，因此在施工的时候要更加注意隧道右侧的支护与围岩稳定性.

(a)水平位移 (b)竖向位移

图3 不同隧道埋深位移曲线

随着隧道埋深的变化，各部位水平位移表现很明显的规律性，左边墙和左拱脚产生向左的位移，右边墙和右拱脚均产生向右的位移，位移的大小随埋深的增大均逐渐增加，右侧的位移值大于左侧的位移值；在隧道埋深为10 m时，左、右边墙的水平位移值接近于0 mm，当埋深为25 m时，隧道右拱脚的水平位移值变化曲线接近水平，说明随着埋深增大隧道变形有变缓的趋势，而随着隧道埋深的增加，左拱腰、拱顶、右拱脚的竖向位移表现出单调增加的趋势，左拱腰的竖向位移小于拱顶和右拱腰的竖向位移值.隧道的变形值随着隧道埋深的增加整体呈现出增大的趋势，因此在设计和施工中应充分考虑到埋深对隧道的影响.

2.2 应力分析

图4 不同倾角隧道剪应力云图

不同地偏压角度隧道的剪应力如图4所示，隧道左右侧的剪应力都较大，而且主要集中在左右拱脚和左右边墙处，在隧道右拱脚和左边墙处出现较大的正应力，在隧道左拱脚和右边墙处出现较大的负应力，15°倾角时最大正应力为8.0247e5，最大负应力值为1.0388e6，35°倾角时最大正应力为7.8560e5，最大负应力为1.5634e6.随着地面倾角的增大，最大正应力值变化不大，而最大负应力值增加较多.

图5 不同埋深隧道剪应力云图

在不同埋深的隧道剪应力如图5所示，随着埋深的增大，剪应力集中的部位基本没有发生改变，但剪应力的数值随之增加，左拱脚处剪应力增加速度较快，右侧应力集中区的范围较左侧大.隧道右拱脚和左边墙处的剪应力为正，在左拱脚和右边墙处的剪应力为负，最大负应力约为最大正应力值的2倍.

2.3 塑性区分析

图6 不同地表倾角与不同埋深隧道塑性区范围分布图

对比图6中两组工况隧道的塑性区图，蓝色代表没有进入屈服状态，绿色代表曾经达到剪应力屈服状态，红色代表现在处于剪应力屈服状态，可以观察到地表倾角和隧道埋深对塑性区的影响，塑性区首先出现在最大剪应力集中的区域，随着剪应力的增加，塑性区的范围也逐渐增大.当倾角在20°以下时，隧道的整体塑性区范围较小，右侧的塑性区比左侧的范围略大一些，当倾角继续增大时，隧道右侧塑性区范围有了很大的发展，而左侧的塑性区范围则较为稳定；当隧道埋深由10 m增加到30 m时，可以看出不仅右侧塑性区的范围明显增大，隧道左侧的塑性区范围也有一定程度的增大.隧道右拱脚处的塑性区向右上方发展，右边墙底的塑性区向右下方发展，因此，一定要重视隧道右侧的支护与变形监测，同时兼顾隧道左侧的施工，防止隧道片帮、冒顶等事故的发生.

3 结 论

通过对不同地表倾角和隧道埋深两组工况隧道的数值模拟，分析了隧道的变形、应力以及围岩塑性区，得出以下结论：

(1)随着地表倾角由15°增加到35°，左边墙和左拱脚的水平位移逐渐减小，当地表倾角为35°时位移值为负，出现了向左的位移，右拱腰的竖向位移增大趋势要大于左拱腰；随着隧道埋深的增加，位移的大小随埋深的增大均逐渐增加，右侧的位移值大于左侧的位移值，当埋深为25 m时，隧道右拱脚的水平位移值变化曲线接近水平，说明随埋深增大隧道变形有变缓的趋势.

(2)随着地表倾角和隧道埋深的增加，剪应力主要集中在左右拱脚和左右边墙处，在隧道右拱脚和左边墙处出现较大的正应力，在隧道左拱脚和右边墙处出现较大的负应力，塑性区首先出现在最大剪应力集中的区域，随着剪应力的增加，塑性区的范围也逐渐增大.

[1]高世军,张学民.地形与地质构造偏压隧道结构受力分析[J].中外公路,2009,29(5):204～207

[2]钟新樵.土质偏压隧道衬砌模型试验分析[J].西南交通大学学报,1996,31(6):602～606

[3]周晓军,高杨,李泽龙,杨昌宇.地质顺层偏压隧道围岩压力及其分布特点的试验研究[J].现代隧道技术,2006,43(1):12～21

[4]谢世平.偏压隧道稳定性分析及控制研究[D].重庆:重庆大学,2007

[5]沈春儒,蒋斌松.桦木沟隧道围岩偏压稳定性研究[J].公路交通科技,2011,000(009):164～166

[6]朱劲,徐幼建,许瑞宁.不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响[J].四川建筑,2015,35(2):91～93

[7]乔雄,陈建勋,王梦恕.黄土公路隧道洞口段变形规律测试研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(z2):3552～3556

[8]祁寒,高波,王帅帅,徐川.不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究[J].现代隧道技术，2014,51(4):108～112

Study on Influence Scope of Shallow tunnel with unsymmetrical loadings Plastic Zone by Surface Dip and Buried Depth

ZHANGLi-qun1，GAODian1，YANGHao1，

MUBai-lin1，ZHANGLi-jiao1，XUYong-ming2

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei,075000,China;2.Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin,300142,China)

Construction safety of shallow tunnel with unsymmetrical loadings is an important problem in tunnel construction.The paper use FLAC3Dto analyse ten different conditions of tunneling for surface dip and buried depth of the tunnel and the plastic zone impact.The result show：With the increasing of the surface dip,the horizontal displacement of the left wall and the left arch reduce gradually,and when the surface dip was 35 degree,the horizontal displacement is negative;The increasing trend of the vertical displacement of Right hance is greater than left hance;With the increasing of tunnel depth,the displacement increase gradually;Sheer stress is mainly concentrated around the left and right arch and the left and right wall,and plastic zone first appears in these area and its scope enlarge with the increasing of sheer stress.

Shallow tunnel with unsymmetrical loadings;Buried depth;Surface dip;Plastic zone

2016-04-24

2016年河北建筑工程学院研究生创新基金项目(XA201601)

张立群(1972-)，男，教授，从事土木工程专业施工与道路桥梁健康监测研究.

U 451+.2

A