高地应力深埋隧道施工过程中围岩应力分布规律数值模拟分析

张岩

摘  要：为研究某深埋隧道在开挖过程中的应力和位移分布规律，利用ABAQUS有限元软件并结合摩尔库伦理论建立隧道二维有限元模型，通过生死单元法模拟了隧道上下台阶法施工过程，分析了隧道在开挖过程中的应力和位移的变化规律，并预估可能发生的工程危害。研究结果表明：隧道拱顶、拱脚处受力比较大，易发生开裂破坏;隧道拱顶及拱腰处塑性应变较大，该处围岩易发生屈服破坏;隧道拱顶处的变形最大，衬砌在施工过程中容易发生失稳、塌陷等破坏;隧道拱脚出现明显的塑性损伤现象。通过上述分析，以期对深埋隧道开挖施工具有一定的指导价值。

关键词：深埋隧道;数值模拟;摩尔库伦;生死单元;应力;位移

Abstract： In order to study the stress and displacement distribution of a deep-buried tunnel during excavation， a two-dimensional finite element model of the tunnel was established using ABAQUS finite element software and Mohr Coulomb Theory. The construction process of the tunnel up and down steps was simulated by the method of element birth and death. The analysis of the stress and displacement changes of the tunnel during the excavation process， and the possible engineering hazards were estimated. The research results show that the tunnel vault and arch foot are relatively stressed， which is prone to cracking and failure; the tunnel vault and arch waist are subject to large plastic strain， where the surrounding rock is prone to yield failure; and the tunnel vault has the largest deformation. During the construction process， the lining is prone to instability， collapse and other damage; the tunnel arch foot has obvious plastic damage. Through the above analysis， it is expected to have a certain guiding value for the excavation and construction of deep buried tunnels.

引言

我國是一个多山的国家，随着公路工程的大力建设，越来越多的公路需要穿越山区，经常会遇到一些深埋长大隧道的建设，这些隧道具有其“长、大、深、群”的特点，由于工程规模大、埋深大，地应力水平高以及地质条件复杂等因素，给隧道设计和施工均带来了难度。深埋长大隧道工程由于埋置位置较深，其高地应力场所引发的围岩失稳地质灾害是深埋长大隧道工程中最为突出的问题之一。[1-2]

我国在这方面的研究则起步较晚，直到20世纪90年代的中后期才陆续兴建一些深埋公路隧道。近年来，通过引进国外先进的施工工艺和方法，在这方面也有了一些成功的工程范例。目前，我国软岩隧道的开挖主要以台阶法和分部开挖法为主。[3-9]

文献[4]采用三维有限差分方法模拟3种不同施工方法的深埋隧道开挖，对围岩应力、位移与塑性区状况及支护结构受力进行分析，确定不同施工方法对隧道围岩及支护的影响。文献[5][6]通过FLAC3D软件对深埋隧道进行了数值模拟，研究了深埋隧道三台阶施工方法的力学行为特征。文献[7]采用数值有限元法，模拟分析了隧道深埋段IV类围岩采用双侧壁导坑法、CD工法和上下台阶法的隧道变形与受力特点，对比分析了不同开挖工法的优缺点，为该隧道施工方案的比选提供了依据。研究结果显示：隧道深埋段IV类围岩条件下选择上下台阶法施工，不仅可保证隧道施工安全，而且可提高施工速度、降低施工成本。

基于上述分析，本文利用ABAQUS有限元软件中的生死单元法来模拟隧道上下台阶法开挖过程，研究分析隧道围岩在开挖过程中的受力分布规律及变形规律，预测深埋隧道开挖过程中可能存在的危害，并及时提供可靠的方案。

1 隧道概况及围岩本构模型概述

1.1 隧道概况介绍

该隧道埋深800m，属于高地应力的深埋隧道，传统的长台阶开挖方法不能适用于深埋隧道，需要采用更加有利于围岩稳定的开挖方案。上下台阶法中的短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值。

短台阶法是将隧道分成上下两个断面进行开挖，两个断面相距较近，一般情况下上台阶长度不能超过5倍洞跨，且两台阶不能全部平行作业，需要严格控制其施工工序。

如图1所示，隧道施工工序为：Ⅰ-上台阶围岩开挖;①-上台阶初衬及锚杆布置;Ⅱ-下台阶围岩开挖;②-下台阶初衬及锚杆布置。

1.2 摩尔库伦（Mohr-Colomb）塑性模型本构

隧道围岩材料服从Mohr-Colomb屈服准则，Mohr-Colomb模型屈服面如图2所示，屈服面函数表达式为[8]：

2 隧道开挖有限元模型建立

本文运用ABAQUS有限元软件模拟我国某公路隧道，其二维平面有限元模型尺寸为：100m×120m，隧道断面面积为82.16m2，隧道模拟埋深800m。采用四边形平面应变单元，并对隧道6m范围内的围岩网格进行局部细化处理，共4402个单元。隧道模型及网格划分情况如图3所示。

模型边界条件及荷载：限制模型左右两侧水平位移（即X=0），约束模型底部水平和竖向位移（即X=Y=0）;对模型整体施加重力荷载，在模型顶面施加均布的重力荷载来模拟隧道埋深，侧压力系数取为1.2。

本文有限元数值模拟仅考虑隧洞的开挖，不考虑初衬支护的影响，因此围岩开挖和初衬支护及锚杆设置同步进行。隧道围岩为Ⅳ级围岩，围岩和衬砌均服从Mohr-Colomb屈服准则，围岩剪涨角取25°，隧道各结构材料参数详见表1。

上下台阶法隧道分步开挖模拟：第一步，施加重力荷载及模型顶部均布土压力，进行地应力平衡;第二步，通过ABAQUS中的生死单元法[8]杀死上台阶部分围岩单元，模拟上台阶开挖，并同时施加初衬及锚杆;第三步，利用生死单元法杀死下台阶部分围岩单元，模拟下台阶开挖，同时施加初衬及锚杆。

3 计算结果分析

3.1 隧道围岩应力分布规律

如图4-图6所示为隧道开挖过程中围岩应力分布情况，从图中可以发现：隧道上台阶围岩开挖后，S.Mises等效应力最大值分布在围岩距洞壁0～5m的范围内，隧道拱脚处的等效应力最大，约为28.2MPa;在洞壁周边及拱底部位产生较小的拉应力区，最大拉应力约为0.004MPa;隧道最大压应力主要分布在洞壁周边0～4m范围，最大压应力约为41.7MPa。

隧道下台阶围岩开挖后，最大等效应力分布在围岩距洞壁0～6m的范围内，拱脚处应力最大，约为28.7MPa;洞壁周边最大主应力均为负值，表明并未出现拉应力区域;隧道最大压应力主要分布在拱脚处，最大值约为43.0MPa，说明开挖完成后隧道拱脚和拱顶处容易发生失稳、开裂、塌陷等突发状况。

3.2 隧道围岩塑性破坏区域分析

图7反映了隧道上台阶和下台阶开挖后围岩塑性破坏区的分布与变化规律。从图中可以发现：隧道上台阶开挖后完成，在洞壁周围0～5m范围内出现了较大的塑性屈服区域;下台阶开挖后，隧道洞壁周围塑性区范围并未出现明显的变化，最大塑性应变主要出现在拱顶和拱腰位置，开挖完成后拱顶和拱腰部位容易发生失稳、开裂等破坏。

3.3 隧道围岩位移分布规律

为方便分析隧道洞壁各位置位移分布规律，故在隧道洞壁周围设置了10个位移检测点，测点编号为：①～⑩，监测点分布如图8所示。

图9-图11反映了隧道开挖完成后洞壁周围变形分布规律。隧道开挖完成后，最大位移主要分布在拱顶和拱底中部区域，拱顶（测点①）最大位移约为20.8cm，拱底（测点②）最大位移约为12.5cm;隧道洞壁水平最大位移分布于拱腰处（即测点⑦和⑧），约为6.5cm;隧道洞壁竖向位移由隧道拱顶向两侧逐渐变小，拱顶的竖向位移最大，约为20.5cm

3.4 隧道衬砌受力分析

如图11所示，深埋软岩隧道由于其围岩强度低、地应力高，在衬砌的拱脚位置往往出现了较为明显的应力（弯矩）集中，拱脚处弯矩达到了348.7kN·m。此外，隧道的仰拱处也有弯矩集中现象（弯矩为186.7kN·m），导致仰拱在构造应力作用下出现明显的底鼓变形现象，最终影响行车舒适及安全性。

由图12可以看出，在隧道衬砌周围形成了明显的蠕变损伤区域，而拱脚处受损最为严重，究其原因为，在高地应力作用下衬砌拱脚处出现了明显的应力集中现象。

4 结束语

基于ABAQUS有限元软件建立了深埋软岩隧道二维有限元模型，计算并分析了隧道围岩及洞壁周围应力和位移的分布规律，以期对深埋软岩隧道具有一定的指导意义。主要结论如下：

（1）在高地应力作用下，深埋软岩隧道在开挖过程中拱脚处和拱顶区域出现了明显的应力集中现象，说明开挖过程中拱脚和拱顶处易发生失稳、开裂、塌陷等突发灾害，宜做早期加固处理。

（2）隧道开挖过程中，在其洞壁周围0～5m范围内出现了较大的塑性屈服区域，且最大塑性应变主要出现在拱顶和拱腰位置，因此拱顶和拱腰部位软岩容易发生屈服，容易造成隧道洞壁开裂。

（3）隧道开挖完成后，最大位移主要分布在拱顶，达到了20.8cm;隧道洞壁水平最大位移分布于拱腰处，达到了6.5cm;洞壁竖向位移由隧道拱顶向两侧逐渐变小。

（4）开挖完成后，隧道衬砌拱脚处出现了明显的应力集中和受损区域;仰拱处由于构造应力的作用出现了底鼓变形现象，施工时需注意拱脚和仰拱部位的支护。

参考文献：

[1]孟尧尧.高地应力深埋隧道围岩力学特性及稳定性研究[D].西安工业大学，2019.

[2]祝云华，刘新荣，黄明，等.深埋隧道开挖围岩失稳突变模型研究[J].岩土力学，2009，30（03）：805-809.

[3]陈卫忠，伍國军.ABAQUS在隧道与地下工程中的应用[M].中国水利水电出版社，2010：01.

[4]潘家奇.基于数值模拟的深埋公路隧道开挖方法对比研究[C].中国岩石力学与工程学会锚固与注浆分会、广东省岩土力学与工程学会锚固与注浆专业委员会.2017年全国锚固与注浆技术学术研讨会论文集.中国岩石力学与工程学会锚固与注浆分会、广东省岩土力学与工程学会锚固与注浆专业委员会：施工技术编辑部，2017：203-206.

[5]陈雪峰，姚晨晨，赵杰.深埋大断面公路隧道开挖方法数值模拟分析[J].公路工程，2015，40（03）：152-156.

[6]周瑞虎.双线三台阶深埋隧道力学行为特征研究[J].黑龙江交通科技，2019，42（10）：129-130.

[7]瞿东明，侯明章，吴科亮，等.深埋大断面隧道开挖施工方案比选分析[J].公路交通科技（应用技术版），2015，11（11）：206-209.

[8]费康.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].中国水利水电出版社，2010：12.

[9]裴建中.沥青路面细观结构特性与衰变行为[M].科学出版社，2010：1.