基于开挖影响下的隧道围岩变形机理及变形特征研究

刘国

摘要： 为保证隧道开挖施工期间的人员安全，提高隧道工程建设质量，在介绍隧道围岩变形时空效应、变形破坏类型以及围岩变形与支护时机之间关系的基础上，对全断面开挖的双线公路隧道施工过程进行了三维数值模拟，总结归纳了隧道围岩拱顶沉降、洞身收敛以及掌子面挤出值随开挖步进行的变化规律，并对支护结构控制围岩变形的作用进行了分析，发现支护结构对控制围岩变形具有重要作用。

Abstract： The purpose of this study is to ensure the safety of personnel during tunnel excavation and construction and improve the quality of tunnel construction. Based on the introduction of the temporal and spatial effects of the surrounding rock deformation， the type of deformation and failure， and the relationship between surrounding rock deformation and the timing of the surrounding rock support， the three-dimensional numerical simulation of the whole-section excavation of the double-lane highway tunnel is carried out. The deformation of the rock dome， the convergence of the cave body and the change of the squeeze value of the face with the excavation step are carried out， and the effect of the support structure on the deformation of the surrounding rock is analyzed. It is found that the supporting structure is important to control the deformation of the surrounding rock effect.

关键词： 隧道围岩；变形机理；变形特征

Key words： tunnel surrounding rock；deformation mechanism；deformation characteristics

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0141-03

0 引言

随着我国西部大开发战略的深入，我国中西部地区的高速公路建设项目逐渐增多，同时也修建了越来越多的山岭隧道。矿山法隧道具有造价低，开挖断面灵活，适应各种不同的地质条件等特点，因而山岭隧道多采用矿山法施工。[1]初始地应力场往往由于受到隧道的开挖作业，破坏了其初始应力平衡状态，引起隧道周围一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力释放，与此同时也会恶化围岩的物理力学性质，从而使围岩产生变形甚至破坏，这一过程往往具有很強的时间相关性和空间相关性。[2]本文主要通过一个双线公路隧道为实例，计算了在全断面开挖工法的条件下，监测断面拱顶沉降、洞身收敛以及掌子面挤出值随开挖步的变化规律。

1 隧道围岩变形机理

1.1 围岩变形的时空效应

隧道围岩变形的时空效应是一个综合概念，包括变形空间效应和变形时间效应两个方面。空间效应指的是隧道开挖过程中，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部瞬时弹性位移。这是开挖面推进过程中，由于空间变化所引起的一种围岩变形特性。时间效应则主要表现为围岩变形随时间而改变的性质，这是围岩具有流变性的体现。根据围岩变形速率，隧道围岩变形一般可划分为三个阶段，即急剧变形阶段、稳定变形阶段和流变阶段。其中，急剧变形阶段围岩变形呈现急剧增长的特点。稳定变形阶段围岩变形一般趋于稳定。[3]

1.2 围岩变形与支护的关系

围岩的变形随掌子面的推进而不断动态变化，在无支护条件下，掌子面到达监测断面前，监测断面约产生总位移值30%的位移。然而，在掌子面后方距离约2D左右隧道围岩位移基本收敛，围岩位移与隧道支护时机之间的关系见图1所示。[4]

从图1可以看出：在开挖断面距离监测断面1.5D时，围岩开始产生位移，当开挖断面到达监测断面时，位移突然急剧增加。当采取支护手段时，支护时机越早，围岩的位移值越小，且随着支护结构刚度的增加，在一定程度上可以抑制围岩变形。[4]

2 施工过程数值模拟

2.1 工程资料

某双线公路隧道隧道埋深60m，开挖方法为全断面开挖，开挖进尺2.0 m，初期支护参数为喷射混凝土厚度28cm，混凝土标号C25，弹性模量为28GPa，泊松比为0.2，围岩级别为Ⅳ级，对应的主要物理力学参数见表1所示。

2.2 建模计算

①首先在AutoCAD建立数值分析的二维模型，导入ANSYS中生成相应的三维有限元模型，围岩用SOLID45单元模拟，最后导入FLAC3D中进行计算和后处理分析。[5]为了避免尺寸效应影响计算结果精度，模型中隧道左右及下部各取3～5倍的隧道洞径，确定模型大小为120 m×100 m×150 m（X×Y×Z），建立的隧道开挖有限元模型如图2所示。

3 围岩变形特征研究

3.1 拱顶沉降变化趋势

通过采用有限差分软件FLAC3D计算，将监测断面中拱顶监测点C随开挖步沉降的变化趋势整理如图3所示。

从图3中可以得出如下隧道拱顶沉降变形规律：在隧道未开挖到监测断面时，监测断面中的监测点C已经开始产生竖向沉降，只是变化趋势相对比较稳定，且数值不大。随着掌子面不断逼近监测断面，大约在1.0倍隧道洞径时，隧道拱顶监测点C处沉降开始急剧增大。直至掌子面经过监测断面约0.5倍隧道洞径时，随着隧道支护结构的施作，封闭了周围的围岩，抑制了围岩变形的扩张，拱顶沉降的变化趋势才逐渐趋于稳定，最终沉降值约-8.9 mm。

3.2 洞身收敛变化趋势

将监测断面中边墙测线A、B随开挖步收敛的变化趋势整理如图4所示。

从图4中可以得出如下隧道洞身测线收敛变形规律：在隧道未开挖到监测断面时，监测断面中的测线AB已经有向隧道内部收敛的趋势，只是变化趋势相对比较稳定，且数值较小。随着掌子面不断逼近监测断面，大约在1.0倍隧道洞径时，隧道洞身测线AB处收敛值开始急剧增大。直至掌子面经过监测断面约0.5倍隧道洞径时，随着隧道支护结构的施作，封闭了周围的围岩，抑制了围岩变形的扩张，隧道洞身收敛的变化趋势才逐渐趋于稳定，最终洞身收敛大小约为-4.2 mm。

3.3 掌子面挤出变化趋势

将监测断面中掌子面O点随开挖步收敛的变化趋势整理如图5所示。

从图5中可知，隧道未开挖到监测断面时，掌子面O点挤出值相对较小，且变化趋势保持稳定。直至开挖断面距离监测断面1.0倍的隧道洞径时，掌子面O点的挤出值突然急剧增加，直至隧道开挖通过该监测断面，最终挤出值约为-5.9 mm。[7]

4 結论

①隧道围岩变形具有较强时空效应，根据围岩的变形速率，一般将围岩变形可划分为三个阶段，即急剧变形阶段、稳定变形阶段以及流变阶段，且围岩的变形与支护时机和支护强度具有很大的关系；

②随着隧道的开挖的进行，监测断面围岩拱顶沉降、洞身收敛在开挖断面距离监测断面1倍洞径时开始急剧变化，直至掌子面经过监测断面0.5倍洞径时开始逐渐趋于稳定。掌子面挤出值在开挖断面距离监测断面1倍洞径时开始急剧变化，直至开挖断面达到掌子面监测点；

③隧道的支护结构对于控制围岩变形具有重要作用，可以明显降低隧道变形大小，但对于控制掌子面挤出值的大小作用不明显。

参考文献：

[1]张定邦，杨盼，袁建华，等.钻爆发开挖隧道围岩变形特征研究[J].湖北理工学院学报，2015（12）.

[2]杨会军，王梦恕.隧道围岩变形影响因素分析[J].铁道学报，2006（06）.

[3]孙元春，尚彦军.岩石隧道围岩变形时空效应分析[J].工程地质学报，2008（02）.

[4]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京 人民交通出版社，2003（12）.

[5]孙书伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京 水利水电出版社，2011（06）.

[6]张咪，曾阳益，邓通海，等.深埋软岩隧道开挖及支护变形特征研究[J].水电能源科学，2017（01）.

[7]左清军，吴立，张良刚，等.隧道围岩变形特征及其影响因素的数值模拟[J].贴到建筑，2012（08）.