隧道开挖对围压变形及应力变化的影响分析

■吴文慧

（山西省交通科学研究院，太原 030006）

0 引言

我国山地众多，部分地区地势复杂多变，严重影响周边区域人们出行和生产生活。早期为满足山岭及丘陵地区人们的需要，碍于施工技术的限制，多数山区采用盘山绕行公路或者凿山取道等方法，很少采用隧道。20世纪80年代以后，随着我国经济社会的发展和公路、铁路系统规划布局的完善，越来越多的山岭地区逐渐开始建设隧道。我国已成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家之一。

我国隧道发展速度快、里程长，在建设的过程中难免会遇到复杂的地质条件。针对复杂的地质条件，由于目前受现有勘查技术及勘察手段的发展限制，很难准确进行判断，导致不能合理选取施工技术，出现施工安排不当、支护效果欠缺、围岩失稳等问题，严重影响施工作业的安全生产。合理采用隧道开挖及支护方式，不仅可以使围岩与支护形成一体，协同发挥作用，而且能保证隧道及内设设备安全有效运行，这对隧道的建设施工具有很大的意义。在隧道开挖过程中，周围岩体会受到非常大的影响，开挖施工不仅会导致围岩变形、地表沉降，而且会使围岩塑性区扩大以及围岩应力大幅度下降，这对于隧道安全是极其不利的。基于此，本文主要以某隧道为研究对象，通过利用大型有限差分软件FLAC3D进行数值模拟，对隧道在开挖过程中的围岩变形、地表沉降以及围岩应力进行分析。

1 工程概况

某隧道工程，起始桩号右幅K110+275.04至K112+275，左幅K110+265至K112+265。隧道设计为双洞三车道分离式，左幅起讫里程 ZK110+265～ZK112+265，长2000m，隧道所在路段纵坡为-2.00%，最大埋深293m；右幅起讫里程 YK110+275.04～YK112+275.04，长 2000m，最大埋深292m；本文研究区段位于YK110+474～YK110+494，平均埋深为60m。

图1 隧道断面尺寸图

2 数值模拟假设及模型建立

2.1 数值模拟假设

现针对有关问题做以下假设：

（1）本构模型采用摩尔-库伦模型，计算时按自重应力场考虑，考虑开挖过程是分步进行的，为了尽可能最大精度还原施工现场，故模拟中采用分段开挖支护，开挖与支护之间存在的时间间隔可以通过对计算步数的控制进行模拟。

（2）围岩的初期支护包括有锚杆支护、钢筋网、钢拱架支护以及喷射混凝土衬砌支护，其中钢筋网所提供支护作用可作为安全储备不予考虑，超前支护、钢拱架支护可将其弹性模量折算到混凝土上，以简化模拟过程。

（3）模拟计算过程中，不考虑地下水渗流、岩溶等地质条件作用，也不考虑开挖方式产生的影响，均用“null”命令进行分布开挖。

（4）根据该隧道地质断面图取隧道中心埋深为60m，隧道上覆岩层起伏不大，视为水平。根据钻孔资料，从地表向下依次为粉质黏土（厚度为10m）、黏土层（厚度为20 m）、下伏基岩白云岩厚度为70m。

2.2 数值模型及材料参数

隧道模型建立一般要考虑开挖影响范围，本工程隧道断面最长为17.5m，高度最高为13.8m，而一般地下工程的影响范围为3～5倍洞室内径，如图2所示，建立模型时x轴取80m，y轴沿隧道轴线方向取50m，z轴取至地表距隧道截面中心60m处，竖直向下（z轴）取至距隧道截面中心40m处，除上边界外，模型其它边界均设有法向约束。除上边界外其他三个边界进行位移约束。

由上可知，模型尺寸为高(z=100m)×宽(x=80m)×长(y=50m)，起始段为YK110+470，沿着Y正方向开挖。其中YK110+470～YK110+474段采用锚杆加注浆小导管梅花型布置支护，YK110+474～YK110+494段采用锚杆支护，全段采用SF5c型衬砌，钢筋网和工字钢支撑折合到衬砌上面，该模拟共进行多次循环开挖。

表1 岩体的物理力学指标

表2 喷射混凝土和锚杆的力学参数

3 数值结果分析

3.1 开挖对围岩变形的影响分析

图2 数值模型图

隧道在开挖以后，隧道变形量尤为重要。图3为隧道开挖支护以后围岩竖直方向位移云图，本模拟进行多个循环开挖支护，每次开挖进尺为1.2m。由于篇幅有限且隧道具有对称性，本文只给出第1、6、9和12次循环开挖右半幅隧道围岩变形图分析。由图可知，围岩变形主要集中在拱顶和拱底，并且从隧道中心向四周变形逐渐减小，这是由于隧道开挖对其拱顶和拱底围岩产生较大的扰动所致。对于隧道拱顶围岩，表现为整体下沉，拱顶部位变形最大，第1次循环开挖时，围岩最大位移接近1.34mm，第12次循环开挖支护后隧道位移为2.90mm，并且从拱顶至地面围岩变形量依次减少。对于隧道拱底围岩，表现为整体上隆，在拱底位置，第1次循环开挖时，围岩最大位移接近1.20mm，第12次循环开挖支护后隧道位移为2.00mm，并且向下变形量依次减少。在接近模型底部时，变形量已非常小，可以忽略不计，这也说明模型大小完全可以反映隧道开挖之后的变形特征。综上所述，仅从隧道围岩位移变化分布来说，随着隧道断面与掌子面的距离的增加，拱顶的下沉量和拱底隆起量一直在增大，但增速随着与掌子面距离的增加而减小。随着拱顶和拱底位移不断增大，应该重点加强隧道拱顶围岩支护，尽可能降低拱顶沉降，但因该隧道最大变形位移仍不大，且在正常范围内，说明锚杆衬砌支护体系起到了比较好的效果，能够有效抑制隧道变形，保证其正常使用。

图4.a为隧道开挖支护50m后以后地表竖直方向位移监测曲线图。由图可知，在初期，隧道地表位移变化速度很快，基本呈现出线性增长，之后位移大小出现回落段，最终趋于位移平衡，这是由于隧道开挖对其地表产生较大的扰动所致，最终位移值接近于10mm。图4.b为隧道开挖支护50m后隧道拱顶竖直方向位移监测曲线图。由图可知，在初期，隧道拱顶位移变化速度很快，也是呈现出线性增长，紧接着位移大小出现稳定平衡段，之后位移又以较小的斜率线性减小，最终趋于位移平衡，最终位移值接近于17mm。对于地表位移，相对于拱顶已大幅度减小，这与上述云图所表现出的规律一致。综上所述，仅从隧道拱顶和地表位移变化分布来说，位移变化在正常范围之内。

3.2 开挖对围岩应力的影响分析

图4 地表及拱顶沉降曲线

围岩所受应力是反映围岩受力状态最为重要依据之一，通过对其分析，可以判断围岩所处状态以及判断支护是否发挥预期效果，以此断定隧道的稳定性。以下对隧道围岩ZZ方向应力进行具体分析，详细了解围岩所处应力状况。

图5为隧道开挖过程中ZZ方向应力图，由于围岩受压，故ZZ应力均为负值，显然可知，在隧道未开挖之前模型从上往下压应力依次增大。对于第1循环，最大值为2.43MPa，最小值为0.031MPa。随着开挖进尺的的进行，围岩应力逐渐发生变化，如图5b、5c和5d所示，对于第1次开挖形成的断面，随着掌子面的推进，隧道拱顶和拱底最大压应力逐渐减小，这是与隧道开挖后应力释放有关。对拱顶、拱底以及拱腰位置应力进行比较，得到3处位置应力均为负，拱腰负应力最大，且从隧道两帮向外扩散，应力大小值又逐渐缩小，这是由于该位置围岩由于开挖后进行衬砌支护产生挤压所致。

图5 开挖过程中围岩竖向应力变化云图

4 结论

本文主要基于数值模拟方法，介绍了隧道围岩位移、地表沉降、围岩应力等变化规律，阐述了隧道的稳定性特性，得出以下结论：

（1）通过数值模拟得到的云图及数据分析可知，随着隧道断面与掌子面的距离的增加，拱顶的下沉量和拱底隆起量一直在增大，但增速随着与掌子面距离的增加而减小。这与实际工程实际相符，是合理的。也说明数值模拟建立的模型是正确可靠的，可用于对隧道的模拟分析。

（2）通过对隧道拱顶位移、地表位移、围岩应力的分析，可以知道，隧道拱顶位移最大，其次是拱底，地表位移较小。对于围岩应力，随着开挖进尺的的进行，应力将逐渐发生变化，即随着掌子面的推进，隧道拱顶和拱底最大压应力逐渐减小，这是由于隧道开挖后应力释放所致。综上所述，随着拱顶和拱底位移不断增大，并应该重点加强隧道拱顶围岩支护，尽可能降低拱顶沉降，而本文中因该隧道最大变形位移仍不大，在正常范围内，说明锚杆衬砌支护体系起到了比较好的效果，能够有效抑制隧道变形。