不同开挖进尺下公路隧道围岩稳定性分析

高情义 李燕红

（云南展旭工程咨询有限公司，云南 曲靖 655000）

一、工程概况

隧址区地质构造复杂，隧道围岩等级低，上层土为风化土，中层主要为风化岩，下层围岩岩性主要为千枚岩，薄层片状构造并带有丝绢光泽，岩体碎裂，节理裂隙发育，节理多为张节理，抗风化能力差、自稳能力差，岩体易沿片理倾向坍落，施工风险极高，围岩等级为V级。

二、模型建立及参数

（一）隧道模型建立

假定围岩性质为连续、均质及各向同性，初始地应力场为自重应力，即采用摩尔—库伦屈服准则。初期支护中喷射混凝土采用2D单元模拟；锚杆采用1D植入式桁架单元模拟；岩体采用3D实体单元模拟。

本次计算区域横向120m、竖向80m、纵向30m，模型方向规定隧道开挖方向为Y轴正向，竖直向下为Z轴正向，隧道掘进横断面向左方向为X轴正向，数值模型如图1所示。对模型边界X、Y方向位移面施加约束；对底部边界Z方向位移面施加约束；模型高度范围有三层土体，第一层土为风化土，厚度为7.5m；第二层土为风化岩，厚度为17.5m；第三层土为软岩，厚度为55m。采用喷锚支护的方式，锚杆采用2m×1.8m的间距布置。

图1 隧道断面尺寸示意图（单位：mm）

（二）模型参数

根据《公路隧道设计细则（JTG／T D70-2010）》，隧道的围岩参数如表1所示、支护参数如表2所示。

表1 模型计算土层物理力学指标

表2 喷锚支护材料参数

（三）数值分析工况

支护方式为喷锚支护。利用Midas／GTS中的施工阶段分析功能设置开挖进尺为1.0m、1.5m、2.0m和3.0m四种工况，工况设计表如表3所示。

表3 工况设计表

三、数值模拟结果分析

（一）不同开挖进尺围岩变形对比分析

1.隧道总位移

对比分析隧道不同开挖进尺下总位移，绘制与竖轴夹角的折线图，其中规定与竖轴的夹角为该点与掌子面中心的连线与Z轴的夹角。隧道的总位移最大值出现隧道拱顶处（0°），随着与竖轴夹角的增大隧道总位移逐渐增大。对比分析不同进尺下隧道总位移值发现，随着开挖进尺的增大，隧道总位移值整体呈现增大的趋势，因此可以认为，在V级围岩隧道开挖中应适当降低开挖进尺，以控制围岩变形。

2.围岩不均匀变形

为更好地分析围岩的不均匀变形，绘制不同开挖进尺下的拱顶沉降及拱腰水平收敛曲线，如图2、图3所示，其中横坐标0点为洞口处（初始开挖面），x轴以开挖方向为正，纵坐标分别为拱顶竖向位移值和拱腰水平收敛值，负号分别表示竖向位移垂直向下跟水平收敛向洞内方向。

图2 拱腰水平收敛与距隧道洞口距离关系

图3 拱顶竖向位移与距隧道洞口距离关系

随着开挖进尺的增大，围岩的位移随之增大，两者呈正相关关系，且随着开挖进尺的增大，不均匀变形逐渐增大，不均匀变形的周期与开挖进尺大小相似。

不均匀变形影响围岩稳定性。不均匀变形越大，围岩受力越不均匀，容易造成隧道衬砌开裂，应尽量降低隧道不均匀变形。为评价隧道不同开挖进尺对隧道在规定的纵向位置的围岩变形不均匀程度，规定拱顶变形不均匀度如式（1）所示。

将各项数值代入式（1）中，得出V级围岩隧道不同开挖进尺下围岩变形不均匀度如表4所示。

表4 围岩变形不均匀度表

随着开挖进尺的增大，围岩变形不均匀度逐渐增加。变形不均匀度越大，围岩受力越不均匀，对于软弱围岩，应尽量降低开挖进尺来保持围岩均匀受力。

（二）不同开挖进尺围岩应力对比分析

当隧道开挖进尺为1m时，围岩Z方向的最大有效应力为20.31kN／m2，为拉应力，分布在拱顶、拱顶位置处；最小有效应力为-1.9×103kN／m2，为压应力，分布在拱腰处；开挖进尺为1.5m、2.0m和3.0m时围岩Z方向的最大有效应力分别为120.23kN／m2、15.99kN／m2和30.41kN／m2，最小有效应力分别为-1.99×103kN／m2、-1.95×103kN／m2-2.01×103kN／m2，对于围岩而言，受压能力较强而受拉能力较弱，特别是对于软弱围岩，分析发现开挖进尺为1.0m及2.0m情况下最大有效应力相对较小，其中2.0m进尺情况最小。

(三）不同开挖进尺围岩塑性应变对比

开挖进尺分别为1.0m、1.5m、2.0m和3.0m时，隧道围岩的塑性应变分别为1.91×10-3、2.32×10-3、2.4×10-3和2.66×10-3。由此可知，随着开挖进尺的不断增大，隧道围岩的塑性应变不断增大，隧道围岩的扰动范围随开挖进尺的增大而增大，围岩被破坏的几率也随之增大，因此减小开挖进尺有利于围岩变形控制。