基于有限元的隧道围岩稳定性分析

作者简介：

林博文（1988—），工程师，主要从事公路桥梁施工监理工作。

在隧道工程中，隧道围岩的稳定性至关重要，影响着隧道勘察、设计和施工的整个阶段。为了保证隧道建设过程中的安全、经济及其他问题，研究围岩的稳定性有着重要的工程意义。文章以广西某地隧道工程为依托，运用MIDAS/GTS软件，基于应力应变假设条件，对开挖后隧道三维及衬砌二维受力和位移进行分析，得出隧道围岩稳定性计算值与实测值的差异性及原因，并提出对应措施进行有限元结果的论证。分析结果表明：围岩主应力较大，使得拱顶出现较大下沉，拱底区域出现隆起，最大隆起值为3.7 mm。

隧道工程;围岩稳定性;有限元分析;位移

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0 引言

隧道围岩是指隧道体开挖后隧洞周围一定范围的土（岩）体，其对隧道的稳定性有影响。它是主要的承载单元，是围岩稳定性的研究对象，对隧道工程的安全起着重要作用。由于地质灾害、隐患工程危害等原因，隧道坍塌事故时有发生。目前，国内外大量学者对围岩稳定性研究做了很多探索。

周光裕[1]等基于最小安全稳定系数的方法对整个隧道体内围岩结构进行整体稳定性测量分析，基于随机力学理论，考虑第二主应力对整个隧道体内围岩整体稳定性的直接影响，得出在内摩擦角发生变化时，其产生失效角的概率也是发生变化的，即隧道围岩体的稳定性也是发生变化的。王建宗[2]等基于博弈的理论-隧道可行性拓云评价模型，得出该评价模型中的评价结果与隧道工程实际情况相当，考虑了在传统隧道经典域中各项评价指标的模糊性与时间随机性，避免了指标隶属于但同时已登记的各种弊端，并通过计算得出不同隧道等级的综合概率从而准确评价整个隧道群的稳定性。对于软弱泥岩基于隧道塑性围岩的流动稳定性，武亚遵[3]等基于围岩强度计算折减法，得出三四级台阶临时开挖仰角倾拱法对其稳定性的影响系数较大，塑性围岩区流动面积较小，为最安全适宜的隧道开挖仰拱方法，稳定性最好。本文主要结合笔者和前人研究报告内容及实验结果，结合应用有限元分析软件MIDAS/GTS对我国隧道基层围岩工程稳定性指标进行统计分析，为我国相关隧道工程的规划设计以及施工管理提供重要参考。

1 施工方案

本文隧道工程施工方案采用新奥法施工。新奥法的优点在于可以进行隧道的全断面开挖以及及时的“喷混+锚杆”支护，使得隧道围岩能快速地与支护结构形成一个稳定整体，提高结构强度，使施工过程更安全，效率更高[4]。

2 應力状态和参数

隧道工程开挖后的整体应力作用状态，一般可以分为两种基本情况：一种情况是指在开挖后内壁隧道的二次工程应力处理状态下具有一定弹性，在这种二次应力处理状态的情况下，除因山体爆破、地质活动原因和隧道施工处理方法等其他自然因素的干扰下所带来的隧道围岩破裂掉块，围岩还必须具备一定的整体性，仅需要采用高压喷射墙体混凝土施工即可;另一种是内壁隧道的二次工程应力处理状态下只存在一个塑性支护区，施作隧道衬砌后，衬砌不能起到阻止隧道围岩内施作适当高度变形的保护作用，反而可能会对隧道衬砌内的受力不利，隧道二次应力重塑性分布的过程伴随隧道围岩的变形不断发展，产生向构成隧道外的内壁围岩移动的应力趋势就会造成内壁隧道洞径减小，使得隧道围岩内的塑性支护区位移范围逐渐变大，而必需的塑性支护区间阻力越小。由于隧道塑性支护区位移范围与构成隧道内壁围岩洞径位移高度有关，因而隧道支护区的阻力也必然与围岩位移有关[5-6]。

3 建立模型

3.1 计算假定

建立模型时，采用以下计算假定：

（1）岩体变形是各向同性的。

（2）岩体参数及衬砌认为是弹塑性的。

（3）应变受力和适应变形一般认为受力是指在平面上的应变能力问题。

（4）不考虑构造应力场，仅考虑自身自重应力场。

3.2 有限元建模

本文以广西地区某高速公路路段一侧的隧道开掘为主要研究对象。隧道最大道路横断面深度开挖宽度为12.5 m，最大隧道竖向深度开挖深度设计为7.5 m。选取符合几何力学模型的隧道尺寸设计为：隧道横向开挖长度设计为90 m，纵向开挖长度设计为20 m，竖向高度为60 m，采用每根锚杆连接长度设计为4 m，共13根，每根采用锚杆之间的连接弧长为1.8 m。围岩与岩土支护隧道结构模型材料设计参数见表1及表2，隧道网格结构及其属性材料参数见表3，建立的隧道有限元结构模型中的网格结构划分如图1所示[7-8]。

4 数值分析

根据有限元模型得出的隧道位移及变形图，为更加准确地研究隧道围岩的稳定性，特对隧道横断面取关键控制点，控制点位置如图2所示。

4.1 围岩应力分析

由图3可知，在环绕隧道主体轮廓的左侧拱脚处再次出现最大应力云的集中移动现象，在右侧侧拱的主脚拱底处再次出现最大主应力大约为1.4 MPa，在左侧拱底处再次出现最小主应力大约为0.13 MPa。在隧道施工管理过程中，当发现隧道围岩掌子面支护施工尚未完成时，及时施作隧道喷混及砂浆锚杆应力支护，可减少墙壁应力减小带来的隧道围岩向斜及隧道内墙壁变形等问题。同时，伴随着隧道围岩与锚杆支护主体结构的变形成拱结合效应，隧道的墙壁应力也会逐渐减小。

4.2 围岩位移分析

图4为隧道的位移云图。

由图4可知，在拱顶出现最大沉降值3.5 mm，在拱底区域发生隆起，最大隆起值为3.7 mm。随着隧道土体的开挖，由于隧道顶部围岩的脱空，造成一定的变形，而随着喷混及锚杆支护的施作，位移逐渐减小，最终伴随着成拱效应，隧道围岩逐渐稳定。

当一次开挖工作完成后，在二次开挖时断面顶部和底部均会出现基层应力强度集中状态现象，随着基层喷射钢筋混凝土及冲压钢筋网等衬砌支护施作措施的陆续完成，顶部的应力强度集中状态现象也将得到有效的缓解。当整个开挖断面的二次凝土衬砌支护施作进行完毕后，除底部区域应力较为明显外，其他部分区域均仍然处于低强度应力集中状态，如图5～6所示。

通过对大量实测隧道的变形值进行分析，如图7～8，可知隧道有限元分析的变形值大于实测值，大致有以下几点原因：

（1）测量滞后的影响，一般情况下，隧道施工过程中，由于现场测量的必要性，往往在隧道掌子面开挖完成后才能进行数据量测工作，这就会导致测量结果与实际结果有所差距;

（2）参数的选取，强度准则的确定对于围岩参数的选择有很大的影响，不同的准则带来的参数的不同会得出不同的分析结果，影响结果的准确性。

根据对塌方隧道的大量观测实践理论研究，为有效减小二者观测误差，使观测理论与实际经验能够有较好地吻合，可提供下述几点参考意见：

（1）在观测隧道塌方围岩的重点区段落石处，应及时赶到现场，及时进行量化观测;

（2）及时查看隧道掌子面塌方围岩变形状况，适当调整变形参数值并进行多次材料模拟后的分析与统计比较;

（3）一般由于未准确计入塌方围岩的隧道开挖初始值的变形参数值，等效值的弹性模量较大，该变形值可直接参照开挖终测时的相反模量分析观测值;

（4）对于一些隧道塌方围岩观测级别较差的地段，由于隧道塌方后的落石随时都有可能重复出现，及时调整测量落石点有困难，在进行有限元材料模拟时，观察隧道围岩岩层破碎或同时加入淤泥后的夹渣落石情况以及超前观测预报落石情况，可根据实际经验适当调整选取相关参数。

5 结语

（1）运用MIDAS/GTS软件，基于应力应变假设条件，对开挖后隧道三维及衬砌二维受力和位移进行分析，得出隧道围岩稳定性计算值与实测值的差异性并阐述原因，提出对应措施得到有限元结果的论证，为类似隧道工程的设计施工提供参考。

（2）在显示隧道拱底轮廓的左侧拱脚处底部出现最大应力值的集中隆起现象，在右侧主拱的柱脚中央处底部出现最大主应力，在隧道拱底中央区域底部发生轻度隆起，最大发生隆起应力值为3.7 mm。可在目前隧道围岩掌子面浇筑施工尚未完成时，及时开始施作隧道喷混及其他锚杆结合支护，减少墙壁应力减小带来的隧道围岩向斜及隧道内墙壁变形等问题。同时，伴随着隧道围岩与锚杆支护主体结构的变形成拱结合效应，隧道的墙壁应力也可能会逐渐减小。随着当时隧道顶部土体的持续开挖，由于隧道顶部整体围岩的持续脱空，造成一定的位移变形，随着隧道喷混及隧道锚杆整体支护的持续施作，位移逐渐会减小，最终还是伴随着土体的成拱效应，隧道顶部围岩逐渐稳定。

[1]周光裕，谢小鱼，陈秋南，等.基于最小安全系数法对隧道围岩稳定性分析[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2018，33（3）：54-58.

[2]王建宗，郑志学.基于博弈论-可拓云模型的隧道围岩稳定性评价[J].铁道标准设计，2018，62（11）：118-124.

[3]武亞遵，田方正.基于强度折减法的软弱泥岩隧道围岩稳定性分析[J].中国地质灾害与防治学报，2018，29（5）：65-71.

[4]王 成.隧道工程[M].重庆：重庆大学出版社，2015.

[5]刘泉声，白山云.基于现场监控量测的龙潭隧道施工期围岩稳定性研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（10）：1 982-1 990.

[6]戚玉亮，唐孟雄.大断面浅埋暗挖海底隧道CRD法施工模拟分析[J].地下空间与工程学，2014，10（1）：136-143.

[7]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[8]JTG/T D70-2010，公路隧道设计细则[S].