成洞质量差异条件下的隧道施工数值模拟分析

(浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231)

1 案例工程背景

龙坪隧道穿越浅埋山谷复杂地层，围岩地质包括泥质粉砂岩、粉砂质页岩以及石英砂岩层，隧顶风化土层为1.50～3m左右，上覆岩层在5～25m左右，岩层普遍倾角在40°～45°之间。实施常规爆破挖掘，在穿越最低山谷部位时，地表发生塌陷，洞内出现塌方，终致塌陷塌方连通(见图1)。

面对如此复杂软弱的工程地质条件，控制扰动和尽可能保证理想的成洞质量，是重要的工程策略和技术选项。而了解和掌握扰动层与隧道初衬间的工程应力影响关系，又是达成或强化上述施工技术实现的不可缺少的基本技术环节。

图1 案例隧道工程塌陷塌方现场

2 有限元模型参数简介

模型45m×35m×40m(长×宽×高)，隧道模拟取3.50m×2.20m下矩和1.75m的上圆半径。模拟风化土层深取3m，隧道山谷处上方取5m厚岩层。隧道周边影响层考虑1.50m。岩层参数见表1。

表1 岩层模拟力学参数

表2 模拟分析工况

3 隧道施工扰动层与隧道初衬影响关系的模拟分析

3.1 扰动层与隧道初衬沉降与位移对比分析

3.1.1 工况一

隧道施工开挖至谷底位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面沉降分布值(见表3)，绘制对应条件下的断面隆升沉降分布曲线(见图2)。

表3 开挖至谷底位置典型围岩断面的沉降分布数值统计

图2 开挖至谷底位置典型围岩断面的沉降曲线

表3和图2揭示，在岩层黏聚力下调为0.35MPa后，无论沉降还是隆升均保持稳定上升之势，尤其是当岩层强度参数在70%以下时，围岩位移变化最显著，其中，沉降值的浮动变化表现为1.35～79.00，而隆升更是达到了1.20～850.00，但就整体来看，距离山谷越近位移变化越明显，经实地勘察之后，决定以临近围岩为切入点进行开挖。在岩石强度参数得到进一步强化之后，沉降(隆升)值则明显降低，只达到了弱参数条件下的2.2%～74.26%(3.33%～83.65%)。

隧道施工开挖至谷底位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面最大位移分布值(见表4)，绘制对应条件下的断面位移分布曲线(见图3)。

表4 开挖至谷底位置典型围岩断面的最大位移数值统计

图3 开挖至谷底位置典型围岩断面的最大位移曲线

表4和图3揭示，在岩石强度参数不断增大的情况下，围岩位移范围则随之缩小；但是在受到爆破等外部因素影响导致岩层强度参数大幅度降低时，就会致使围岩位移范围快速扩大，而变化最为明显的当属临近山谷及山谷这两个位置。强参数的岩层最大位移都明显小于弱参数的最大位移，并且在谷底前位置内的位移变化尤为明显。

3.1.2 工况二

隧道施工挖过谷底7.50m位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面沉降分布值(见表5)，绘制对应条件下的断面隆升沉降分布曲线(见图4)。

表5 开挖过谷底7.50m位置典型围岩断面的沉降分布数值统计

图4 开挖过谷底7.50m位置典型围岩断面的沉降曲线

表5和图4揭示，在岩层黏聚力下调为0.35MPa后，无论沉降还是隆升均保持稳定上升之势，尤其是当岩层强度参数在70%以下时，围岩位移变化最显著，其中，沉降值的浮动变化表现为1.09～1.18，而隆升更是达到了1.02～1.13，但就整体上来看，距离山谷越近位移变化越明显，而在岩石强度参数进一步强化之后，沉降(隆升)值则明显减小，为弱参数条件下的84.88%～91.35%。

隧道施工挖过谷底7.50m位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面最大位移分布值(见表6)，绘制对应条件下的断面最大位移分布曲线(见图5)。

表6 开挖过谷底7.50m位置典型围岩断面的最大位移分布数值统计

图5 开挖过谷底7.50m位置典型围岩断面的位移曲线

表6和图5揭示，随着开挖作业进程的不断加快，在开挖到山谷位置时，尽管反映出强参数的岩层最大位移明显小于弱参数的最大位移，不过两者的位移变化幅度却相对平稳，并且在谷底前10～15m位置内的位移变化仍尤为明显。在开挖到谷底之后，因衬砌支护工作做得非常到位，岩层黏聚力下调至0.35MPa后，在距离开挖工作面20m范围内，岩层位移整体趋向平稳，不过仍岩性较差，不可避免地出现了位移范围扩大的问题，

3.1.3 工况三

隧道施工即将完工时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面沉降分布值(见表7)，绘制对应条件下的断面沉降分布曲线(见图6)。

表7和图6揭示，在岩层黏聚力下调为0.35MPa后，无论沉降还是隆升均保持稳定上升之势，尤其是当岩层强度参数在70%以下时，围岩位移变化最显著，其中，沉降值的浮动变化表现为1.12～1.64，而隆升更是达到了1.03～1.32，但就整体上来看，距离山谷越近位移变化越明显。

表7 开挖即将完工时典型围岩断面的沉降分布数值统计

图6 开挖即将完工时典型围岩断面的沉降曲线

隧道施工即将完工时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面最大位移分布值(见表8)，绘制对应条件下的断面最大位移分布曲线(见图7)。

表8 开挖即将完工时典型围岩断面的最大位移分布数值统计

图7 开挖即将完工时典型围岩断面的位移曲线

表8和图7均明确反映了强参数的岩层最大位移都明显小于弱参数的最大位移，不过在谷底位置的位移变化已不太显著。

3.2 扰动层与隧道初衬应力对比分析

3.2.1 工况一

隧道施工开挖至案例谷底位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面有效主应力分布值(见表9)，绘制对应条件下的断面有效主应力曲线(见图8)。

表9 开挖至谷底位置典型围岩断面的有效主应力分布数值统计

图8 开挖至谷底位置典型围岩断面的有效主应力曲线

在对表9和图8进行全面分析后进一步了解到，在岩层黏聚力下调为0.35MPa后，就整体上来看，岩层断面最大有效主应力保持快速增大之势，尤其是当岩层强度参数在70%以下时，主应力变化最为显著。分析后发现，在岩石强度参数不断增大的情况下，围岩应力分布范围则随之缩小；但是在受到爆破等外部因素影响导致岩层强度参数大幅度降低时，就会造成应力分布范围快速扩大，而变化最为明显的当属临近山谷以及山谷这两个位置。

3.2.2 工况二

隧道施工挖过谷底7.50m位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面有效主应力分布值(见表10)，绘制对应条件下的断面有效主应力分布曲线(见图9)。

表10 挖过谷底7.50m位置典型围岩断面的有效主应力分布数值统计

图9 挖过谷底7.50m位置典型围岩断面的有效主应力曲线

在对表10和图9进行全面分析后进一步了解到，在岩层黏聚力下调为0.35MPa后，就整体上来看，岩层断面最大有效主应力保持快速增大之势，尤其是当岩层强度参数在70%以下时，主应力变化最为显著，其中，压应力的浮动变化表现为1.01～1.46，而拉应力更是达到了1.01～1.46，因为在实际计算的过程中是以超过山谷7.50m的位置为对象进行数据统计的，因此，通过获取的数据分析结果得知该开挖断面形成的拉应力明显减小，而距离山谷位置越近，应力增大趋势就愈加显著，特别是拉应力浮动变化尤为明显。

3.2.3 工况三

隧道施工开挖至案例谷底位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面有效主应力分布值(见表11)，绘制对应条件下的断面有效主应力分布曲线(见图10)。

表11 开挖至谷底位置典型围岩断面的有效主应力分布数值统计

图10 开挖至谷底位置的有效主应力曲线

在对表11和图10进行全面分析后进一步了解到，当岩层强度参数在70%以下时，距离山谷越近的位置形成的有效主应力就越大，同样道理，距离山谷位置越远的位置所形成的有效主应力就越小，其中，压应力浮动变化表现为1.04～1.69～0.88，而拉应力更是达到了1.22～1.75～0.35。根据开挖段的应力分布情况可直观发现，距离山谷位置越近，随着岩层强度参数的不断增大，压(拉)应力分布趋势就越不清晰，但在开挖过山谷之后的一段距离，即便岩层强度参数明显减小，也没有改变应力分布规律。在特殊情况下，反而出现了应力幅值因岩层参数提高而骤然增大的现象。

3.3 扰动层与隧道初衬塑性区分布对比分析

3.3.1 工况一

隧道施工挖至谷底位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面塑性区分布值。

在对开挖至谷底位置典型围岩断面初衬塑性区状态进行全面分析后进一步了解到，在岩层黏聚力下调为0.35MPa后，就整体上来看，该开挖地段表现出较为明显的塑性区分布差异，在强参数的条件下，只在洞口临近断面形成了小范围的塑性区，而该段的围岩破坏方式具体表现为两种，一种是开挖之前的剪切破坏，另一种是开挖之前的拉破坏。而在弱扰动装药条件下，基本上整个开挖断面均形成了严重的塑性区，而这种破坏不只局限于开挖之前，还涉及了当前开挖造成的破坏，并且围岩的破坏方式主要以剪切破坏最为常见，拉破坏不是太严重，初衬结构完好无损，没有遭到明显破坏。

3.3.2 工况二

隧道施工挖过谷底7.50m位置时，计算其强、弱参数扰动层的围岩典型断面塑性区分布值。

对挖过谷底7.50m位置典型围岩断面初衬塑性区状态的全面分析结果显示：在岩层强度参数不断增大的情况下，围岩塑性区分布趋势不太清晰，但是，在受到爆破等外部因素影响导致岩层强度参数大幅度降低时，围岩就会因受到巨大的剪切力作用而形成大面积的塑性区。除此之外，经实地勘察及现场数据分析后进一步得知，初衬结构并未遭到破坏，原因在于围岩塑性区扩大没有影响到柔性初衬结构。由此说明，在弱扰动装药条件下的爆破不会对岩层造成重大破坏，可从源头上保证成洞质量，最为重要的一点是，围岩裂痕形成的概率大大降低，另外，由于能很好地控制围岩塑性区分布范围，为施工作业顺利开展创造了便利条件，保证了隧道投入使用的安全性与可靠性。

4 结 论

本文参考案例工程，以有限元模拟分析法，对成洞质量差异条件下的隧道扰动层与隧道初衬影响关系，开展了针对性分析研究。主要结论：围岩沉降位移受到扰动层强度变化的影响，埋深越浅的洞段，这种影响越明显(比如山谷环境段)；岩层强度参数大幅度降低时，会造成应力分布范围快速扩大，而变化最为明显的当属临近山谷以及山谷这两个位置；受到爆破等外部因素影响导致岩层强度参数大幅度降低时，围岩会因受到巨大剪切力作用而形成大面积的塑性区；弱扰动装药爆破，使围岩裂痕生成概率大幅降低，能很好地控制围岩塑性区分布范围，有利于提高软弱地质条件隧道的成洞质量和安全施工。