隧道开挖引起的围岩变形特征数值分析

王伟杰

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

隧道开挖引起的围岩稳定性问题一直是工程界关注的重点问题，合理预测并控制隧道开挖过程中的围岩变形对于确保隧道施工安全至关重要[1]。近年来，国内外相关学者对隧道开挖引起的围岩变形等问题进行了深入研究，如戚翼等[2]以哈尔滨地铁二号线为例，运用FLAC3D软件建立三维模型对隧道开挖后地表和拱顶位移的变化趋势进行数值分析；轩元等[3]以红河隧道为工程依托，利用MIDAS/GTS有限元软件对不同施工方法进行三维数值模拟计算；甘安武等[4]提出利用BP(back propagation)神经网络和数值模拟方法对隧道围岩力学参数进行反演分析，利用强度折减法通过数值模拟计算相应的拱顶沉降值，通过离散点拟合求得隧道围岩的自稳系数，从而分析隧道围岩的稳定性。在相关研究基础上，为更深入了解隧道开挖引起的围岩变形特征，以乐雅高速公路光华山隧道为例，利用大型有限元分析软件ABAQUS研究隧道开挖对围岩变形的影响及关键点位移的变化规律，并将现场实测结果与数值结果进行对比分析，研究结果可为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

乐雅高速公路光华山隧道在雅安连接线上设光华山分离式隧道1座，从光华山南东坡穿入，自西北坡穿出，场地基岩大面积出露，进口位于光华山山梁的SE坡，出口位于光华山山梁的WN坡。隧道里程左洞为ZK0+815～ZK1+877，全长为1 062 m，右洞为LK0+820～LK1+885，全长为1 065 m，其中左洞进出口的洞门形式是削竹式，右洞进洞形式为削竹式、出洞为单压式明洞。隧道纵面线型设计综合考虑了地形、地质条件、通风、排水、施工及隧道两端的接线条件，左右线隧道纵坡分别为单向坡-3.899%～-2.90%和-2.90%～3.90%(凤鸣至姚桥方向上坡为正)。隧道地质纵断面简图如图1 所示。

1.2 不良地质现象

(1) 隧址区内含劣质煤层，分布大面积粉砂质泥岩，具脱水开裂风化特征，在地表较陡的裸露地段可见岩石风化碎落现象。

(2) 隧址区内白垩系灌口组(K1g)粉砂岩夹粉砂质泥岩、夹关组(K1j)粉砂岩以及粉砂质泥岩中，均含少量钙芒硝不规则结核，夹少量石膏团斑及石膏条带，在地下水的作用下易溶蚀。

1.3 开挖方式

隧道围岩有Ⅴ级和Ⅳ级，Ⅴ级围岩初期支护应全断面封闭，采用双层钢筋网控制围岩变形。隧道采用三台阶预留核心土法进行施工，隧道最大断面宽度为17.35 m，该区间内隧道设计埋深为42～60 m，整体呈现南高北低的地势，在该区段内以红黏土为主。工程区内不考虑地表和地下水存在的影响。隧道断面尺寸如图2所示。

2 数值建模

数值模型如图3所示，采用有限元分析软件ABAQUS建模得到[5-6]。由于隧道埋深较浅，建模时模型上表面为地表，模型左右、前后边界以及底部均进行位移和边界约束，采用摩尔-库伦本构模型进行土体建模[7]。模型长、宽和高分别为100 m、100 m和30 m，网格共计37 864个。研究区段内主要土质为红黏土，土体物理力学参数如表1所示。隧道最大断面宽度为17.35 m、高度为11.88 m、埋深为52 m。初期支护采用钢拱架和锚杆支护，并喷射M7.5标号的水泥砂浆，每个断面采用11根长度为3.5 m的Φ22锚杆。二次衬砌采用钢拱架为主，并与初期支护组成复合式衬砌。混凝土、型钢及锚杆的物理力学参数如表2所示。

表1 土体物理力学参数

表2 混凝土、型钢及锚杆的物理力学参数

该隧道采用三台阶预留核心土法进行开挖，以弧形导坑开挖留核心土，分上、中和下3个台阶7个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开且平行推进，模拟整个施工过程[8]。

3 数值结果分析

3.1 开挖后围岩变形分析

隧道开挖会诱发周围岩体变形，围岩变形大小对于判断隧道开挖稳定性至关重要[9]。每3次开挖循环后须进行二次衬砌，由于篇幅有限，文中取开挖3个循环、9个循环和21个循环时岩体的竖向位移云图进行分析，围岩竖向变形云图如图4所示。

隧道开挖之后拱顶发生沉降而仰拱出现隆起现象，此时最大沉降值为37.1 mm，最大隆起值为44.9 mm。在开挖9个循环和21个循环时最大沉降值分别为41.3 mm和46.5 mm，最大隆起值分别为49.3 mm和51.2 mm。随着开挖的不断推进，隧道最大沉降和最大隆起值均在增加。

3.2 开挖后关键点变形监测分析

位移云图只能从整体表观围岩的变形，为减少开挖过程中围岩的变形，还须对开挖后拱顶、拱腰和拱脚等关键点进行变形监测[10-12]。

拱顶沉降随施工步骤的变化曲线如图5所示。由图5可知，随着施工步骤的推进，对于拱顶沉降，初始变形迅速增加，在7步之后逐渐变缓并最终趋于稳定，沉降值最大为49.2 mm。

仰拱隆起随施工步骤的变化曲线如图6所示。由图6可知，变化大致可分为3个阶段，即快速沉降阶段、缓慢沉降阶段和趋于稳定阶段。在仰拱开挖之前，隧道由于受到扰动作用，仰拱快速隆起，在仰拱开挖后变形速度开始减缓，即在仰拱开挖之前位移增加速度较快，在仰拱开挖后变形速率略微减缓，一直到二衬闭合之后，变形开始缓慢趋于平稳并最终不再发生变化，仰拱最大隆起为45.8 mm。

拱腰及拱脚随施工步骤变化时程曲线如图7所示，图中取向隧道右侧位移为正、左侧为负。

由图7可知，左右侧拱脚和拱腰均向隧道中心移动，相比拱脚，隧道开挖对拱腰的水平位移影响更大。对于左右侧拱脚，最大水平位移值分别为4.8 mm 和8.1 mm；对于左右侧拱腰，在仰拱开挖之前位移变化速率较小，在仰拱开挖之后水平位移增速较快，当二衬完成之后两侧水平位移增速又逐渐放缓，最终左右侧拱腰最大水平位移值分别为17.6 mm 和18.2 mm。

此外，隧道开挖过程中围岩水平位移小于竖向位移，且水平位移变化幅度较小；与拱顶沉降相比，隧道开挖过程对拱腰的水平收敛影响时间跨度更大，即水平收敛稳定所需时间更长。

3.3 现场监测对比分析

为验证利用有限元分析软件ABAQUS得出的数值结果有效性，与现场监测的实测结果进行对比分析[13]。

实测拱顶累计沉降曲线如图8所示，为研究断面50 d内的拱顶累计实测沉降结果。由图8可知，实测拱顶的累计沉降曲线在前期变化较大，前期为快速沉降阶段，之后为缓慢沉降阶段，最终趋于沉降稳定。实测最大沉降值为53.6 mm，而利用有限元分析软件ABAQUS得出的最终拱顶沉降值为49.2 mm，实测值比模拟值大8.9%。

实测仰拱隆起累计位移曲线如图9所示，为研究断面50 d内的仰拱隆起位移量。由图9可知，实测仰拱隆起的累计位移在前期变化较大，前期为快速沉降阶段，之后为缓慢沉降阶段，在仰拱开挖后变缓，最后趋于稳定。最终测得的仰拱隆起累计位移最大为46.9 mm，实测值比模拟值大2.3%。

实测拱腰和拱脚水平收敛曲线如图10所示。由图10可知，实测拱腰和拱脚最大水平收敛值分别为46.7 mm和16.8 mm，而利用有限元分析软件ABAQUS得出的数值进行模拟得到的拱腰和拱脚最大水平收敛值分别为35.8 mm和12.9 mm，实测值与数值模拟结果存在差异，拱腰和拱脚的实测值均约为数值模拟结果的1.3倍，且实测和数值模拟结果的拱腰沉降均约为拱脚的2.8倍，一定程度上表明数值模拟规律的正确性。

4 结论

以光华山隧道开挖为例，利用大型有限元分析软件ABAQUS研究隧道开挖对围岩变形和关键点位移的变化规律，并将现场实测结果与数值结果进行对比分析，得到如下结论。

(1) 随着施工步骤的推进，拱顶沉降和拱腰水平收敛的初始变形速率较大，之后逐渐变缓并最终趋于稳定。隧道开挖过程中围岩水平位移小于竖向位移，且变化幅度较小；与拱顶沉降相比，隧道开挖过程对拱腰的水平收敛影响时间跨度更大，即水平收敛稳定所需时间更长。

(2) 隧道开挖会导致拱顶发生沉降和仰拱出现隆起，位移曲线变化大致可分为3个阶段，即快速沉降阶段、缓慢沉降阶段和趋于稳定阶段，在仰拱开挖之前位移增加速度较快，在仰拱开挖后变形速率略微减缓，一直到二衬闭合之后变形开始趋于平稳并最终不再发生变化。

(3) 左右侧拱脚和拱腰均向隧道中心移动，且与拱脚相比，隧道开挖对拱腰的水平位移影响更大。

(4) 实测最大拱顶沉降值比模拟值大8.9%；实测仰拱隆起累计位移值比模拟值大2.3%；拱腰和拱脚的实测值比模拟值大1.3倍；实测和数值模拟的拱腰沉降约为拱脚的2.8倍，表明数值模拟规律的正确性。