复合地层隧道开挖面稳定性分析

李俊

作者简介：

李 俊（1983—），工程师，研究方向：隧道工程。

文章针对隧道开挖地层为复合地层的情况，构建复合地层隧道数值分析模型，研究复合地层隧道开挖面稳定性，同时分析不同支护压力作用下开挖面位移及塑性区的变化特征。研究结果表明：（1）研究复合地层隧道开挖面位移与塑性区变化特征，上软下硬的开挖面位移由0.04 m增加至0.45 m，塑性区范围扩展且集中于开挖面前方;（2）不同支护压力能够有效降低开挖面位移，支护压力与开挖面位移呈现指数函数降低，同时塑性区范围逐渐向软硬岩分界面处收缩，直到开挖面前方无塑性区;（3）极高支护压力作用下，塑性区不仅不会消失，甚至会由顶底板处重新扩展到软硬岩分界面处。

隧道工程;复合地层;开挖面;支护压力

U455.4A471684

0 引言

随着我国“交通强国”目标的提出，交通基础建设的规模逐渐增大。在道路施工过程中会出现各种复杂地层，其中，复合地层隧道的建设已成为隧道施工面临的重要问题。复合地层隧道会对开挖面位移以及前方塑性区产生影响，同时，不同开挖面支护压力对于开挖面稳定性具有重要影响。因此，需要从开挖面位移以及前方塑性区方面研究复合地层隧道开挖面稳定性，也要分析不同支护压力作用下开挖面状态变化[1-2]。目前，对于复合地层隧道的研究，刘泉声等[3]研究了深部赋存条件下复合地层的影响，从复合地层岩体与TBM的作用机理及控制机制等方面开展研究;苏昂等[4]以复合地层隧道盾构施工为研究对象，对复合地层中管片的病害及形成原因进行分析;李铮等[5]针对饱和砂土复合地层，提出了城市地铁隧道施工过程中的具体施工工法;肖明清等[6]从围岩压力等方面入手，提出了复合地层条件下隧道围岩压力的计算方法;何祥凡等[7]研究上软下硬地层盾构隧道掘进过程中隧道围岩的施工力学特征，分析复合地层上部地表沉降特征;张亚洲等[8]针对上软下硬地层中隧道施工问题，对于具体工程中复合地层隧道设计与施工难点进行分析，并提出具体的施工方案;周运祥等[9]考虑大断面与富水等因素影响下，复合地层隧道施工过程中的主要问题及其解决方法;傅鹤林等[10]以浅埋盾构隧道施工为研究对象，主要研究复合地层隧道施工引起的上部地表的沉降以及应力预测。复合地层隧道施工已经成为隧道工程中的面临的重要问题，因此，需要研究典型复合地层的开挖面稳定性等问题。

本文针对复合地层中开挖面稳定性问题，以上软下硬复合地层为研究对象，建立数值分析模型，主要分析复合地层隧道开挖面的位移变化以及塑性区演化特征，并考虑开挖面支护压力的影响，研究不同支护压力条件下复合地层隧道开挖面的位移及塑性演化规律。

1 复合地层隧道开挖面稳定性

1.1 MohrCoulomb强度准则

MohrCoulomb强度准则是岩土结构稳定性常用的强度准则，其从材料本征强度与摩擦强度两个方面定义，材料的稳定性主要由材料的粘聚力与摩擦强度决定，MohrCoulomb强度准则表达式见式（1）[11-12]：

|τ|=c+σtanφ（1）

式中：c——粘聚力;

φ——内摩擦角;

σ，τ——法向应力与抗剪强度。

σn=（σ1+σ3）2+（σ1-σ3）2cos（2α）

τ=（σ1-σ3）2sin（2α）

（2）

根据式（1）与式（2）可以将MohrCoulomb强度准则整理为式（3）：

σ1=aσ3+b（3）

1.2 数值分析模型及结果

复合地层隧道施工主要受到地层力学性质的影响，从而造成其结构的安全性受到威胁。为区分复合地层状况，分别以硬岩和软岩代表不同的复合地层，建立了全硬岩地层与上软下硬的隧道开挖面分析模型，共划分为720个单元，底部边界为水平与竖向均固定，其他固定水平位移。具体数值分析模型如图1所示。

根据数值计算结果可知，全硬岩地层与上软下硬的隧道开挖面的位移分别为0.04 m与0.442 m，复合地层的存在导致开挖面的位移显著增大，同時根据开挖面塑性区分布图（见图2）可以得知全硬岩地层隧道开挖面塑性区由开挖面向地表逐渐扩展，开挖面屈服范围较小;而上软下硬的隧道开挖面塑性区多集中于开挖面前方，软弱分层区域塑性区差别明显，软弱地层塑性区范围大于硬岩地层。

根据复合地层隧道位移与塑性区分布范围可知，复合地层的存在导致隧道开挖面位移增大，同时，导致塑性区范围集中于开挖面前方，给隧道施工带来一定的风险。因此，需要研究支护作用力对开挖面稳定性的影响，选择合理的支护压力。

2 不同支护压力下开挖面稳定性分析

2.1 不同支护压力下开挖面位移变化特征

由于复合地层导致隧道开挖面变形增大，需要根据现场施工条件对开挖面设置一定的支护压力。因此，根据上软下硬的隧道开挖面分析模型对比分析了未设支护压力和支护压力分别为10 kPa、30 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa工况下的开挖面位移变化特征。如图3所示，随着开挖面支护压力的增大，开挖面位移逐渐减小，并且逐渐向开挖面内部移动，尤其是在支护压力为70 kPa、90 kPa时，位移云图变化明显。

根据数值分析结果可以得知，支护压力从10 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa变化时，开挖面位移由0.35 m、0.22 m、0.17 m、0.14 m、0.10 m、0.074 m变化。根据数据分析软件可以得到支护压力与开挖面位移符合指数函数变化规律，如图4所示。

2.2 不同支护压力下开挖面塑性区变化特征

根据不同支护压力下开挖面位移可以得知，支护压力越大，开挖面位移越小，通过不同支护压力下开挖面塑性区变化（见图5）可以得知，塑性区变化具有两个主要特征：（1）软岩区塑性范围明显大于硬岩区，并且开挖面中心轴线区域范围明显高于周围区域，呈现抛物线形状;（2）随着支护压力的增大，塑性区范围逐渐收缩，从轴线两侧逐渐向软硬区域分界处收缩，当支护压力为90 kPa时，开挖面前方塑性区消失，塑性区在开挖面顶底板应力集中区，并且范围较之前显著减小。

根据不同支护压力下开挖面塑性区变化特征可以得到，开挖面塑性區主要集中于软岩区，并且随着支护压力的增大，塑性区逐渐向软硬岩分界处收缩，直到开挖面前方无塑性区，由于应力集中，塑性区最后残留在顶底板处小范围内。

2.3 极高支护压力下开挖面塑性变化特征

基于上述分析，不同支护压力下开挖面塑性区变化规律明显，支护压力越大，开挖面塑性区越小，但是塑性区范围并不会随着支护压力的增大而最终消失。因此，需研究极高支护压力作用下开挖面塑性区变化特征，如图6所示。

根据图6可以得知，当开挖面支护压力大于一定值时，开挖面塑性区不仅不会消失，而且会逐渐扩展，甚至会由顶底板应力集中区扩展到软硬岩交界处，软岩区塑性扩展速率明显高于硬岩区。因此，根据支护压力下开挖面塑性变化特征，要注意在具体隧道施工过程中，综合考虑隧道所处的复合地层情况以及恰当选择支护压力，以便达到安全与经济合理的目的。

3 结语

本文针对复合地层隧道开挖面稳定性问题，建立上软下硬的隧道复合地层模型，分别研究隧道开挖面的位移以及塑性区范围的变化特征，并研究不同支护压力作用下复合地层隧道及塑性区变化特征。主要研究结论包括：（1）复合地层对隧道稳定性产生不利影响，上软下硬的隧道开挖面位移相较于全硬岩隧道位移与塑性区范围显著增大;（2）支护压力对于开挖面位移与塑性区范围具有良好的加固效果，支护压力越大，开挖面位移呈指数函数降低，塑性区范围逐渐向软硬分界面收缩，但是当支护压力超过一定范围，塑性区不仅不会消失反而由两侧扩展到软硬分界面。

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