大断面隧道围岩变形特性研究

唐 杰

（广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200）

0 引言

黄土广泛存在于我国西部，随着西部大开发，基础设施的建设进入了一个迅速发展的新阶段。在山区交通建设过程中，隧道的开挖可以极大地节约里程与人们出行所需要的时间。随着隧道的断面面积增大，发生掌子面失衡、地表塌陷等问题的频率越来越高，因此对隧道围岩的变形特性的研究和如何保证大断面隧道围岩的稳定性便成了很多专家及学者的研究方向。

目前针对大断面隧道围岩变形特征的研究方法有模型实验法、数值仿真研究、检测数据反馈分析法、人工智能方法、工程地质类比方法、力学解析法等[1]。鉴于此，基于数据反馈分析法，测得横向及竖向的沉降量和沉降速率，再将现场的土样进行原状和扰动后的三轴实验，得到应力应变关系，基于FLAC3D建模，对隧道在初期支护条件下的开挖过程进行了模拟，得到大断面隧道围岩变形特性。

1 现场测试

以往的道路多以单线，双线为主，随着我国经济的飞速发展，物流业的兴起，道路趋于多线，隧道的断面不断地增大，开挖的难度也在急剧地增加，因此对隧道围岩变形特性研究，确保隧道变形在规定范围内也面临着巨大挑战。隧道的划分按照断面面积标准如表1所示。

表1 隧道断面划分标准

该隧道净空断面面积为90 m2，属于大断面隧道的范围。

1.1 拱顶下沉

由于大断面黄土隧道施工难度大，为了实时监控隧道的变形，并保证施工人员的安全及施工顺利竣工，该隧道采用三台阶环形开挖法进行施工，并采取复合衬砌结构的支护结构。在隧道的断面布置12个观测点，用于测量该隧道的沉降量变化，可以很好地了解隧道开挖后，围岩经过一次衬砌、二次衬砌后的应力及变形变化，了解衬砌的效果，为简洁高效的衬砌施工提供依据。

隧道围岩变形主要表现为拱顶下沉与水平收敛。拱顶下沉随时间变化曲线如图1所示。

图1 拱顶下沉

拱顶的下沉量在16 mm附近，在前2 d，黄土隧道的下沉量较小，无明显曲线变化，第2～5 d时，可以明显地看到下沉量的激增[1]，一方面由于前面2 d下沉量的积累，另一方面由于其本身的下沉量，第17 d时，下沉量很小，第22 d几乎不下沉，符合黄土松散性的特点。

除了拱顶下沉的变形外，还有水平收敛变形，其随时间变形如图2所示。

图2 水平收敛曲线

水平收敛在第5～17 d，日收敛量在增加，之后收敛量降低趋于0，最终的水平收敛量约为3 mm。相较于拱顶下沉的变形而言，黄土隧道的水平收敛量比较小。

伴随着隧道的开挖，为保证施工人员的安全及保证施工顺利竣工，需保证顶部A测点所测量下沉量及下沉速度在规范限度内，因此需要时刻检测，根据现场数据得到拱顶下沉量随开挖进度曲线如图3所示。

图3 2 m进尺下拱顶沉降量

拱顶的沉降量伴随着开挖进尺在不断地增加，当距离测点20～30 m时，沉降量变化最快，说明开挖距离为25 m左右时，对隧道围岩结构影响最大，最终的拱顶沉降量为51 mm。

1.2 围岩压力

因为隧道的开挖，其会影响山体的地表的下沉，影响范围如图4所示，地表的下沉量如图5所示，造成应力重分布，影响隧道围岩的压力变化。

图4 影响范围

在山体的表面设置11个测点，位置分布如图4所示，其中测点的距离从左到右分别为：5 m、6 m、3 m、3 m、3 m、3 m、3 m、6 m、5 m，测得影响范围内的地表下沉量如图5所示[2]。

图5 地表下沉

隧道正中间的下沉量是最大的，往两侧去，下沉量在逐渐降低，随着开挖的进行，下沉量也在增加。

2 室内实验

对黄土隧道围岩变形存在影响的因素有：开挖方法、支护结构、施工顺序、周边施工等。因为黄土的大孔隙及质地松软的特点，造成了黄土隧道的相关理论及技术不够成熟。将从现场取得的黄土样品，参数如表2所示，含水量为12.4%，在50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa的围压下进行三轴实验得到的应力应变如图6、7所示。

图6 原状黄土压力－应变曲线

表2 土样参数

在隧道的开挖过程中，设备的震动，重力的重分布等会导致黄土结构发生扰动，因此，原状图的变形特点与实际有所区别，为了得到与实际情况较为符合的压力应变关系，将扰动黄土进行三轴实验得到的应力应变曲线如图7所示。

图7 扰动黄土压力－应变曲线

比较图6与图7，扰动后的黄土屈服强度衰减，应力应变在未达到屈服强度前基本上呈现线弹性，达到屈服强度后，黄土结构发生破坏，应力应变曲线斜率变小，围压越小，斜率的变化越大。

3 数值模拟

基于FLAC3D，建立隧道的三维数值模型，因为重力重分布的原因，该模型的大小取值为6倍的隧道洞口口径[3]，并且根据开挖及支护等实际情况进行模拟计算。该模型采取弹性模型，其左右及下部采取限制位移的方法构造边界，围岩的初始应力为覆盖土体的自重应力。

在隧道开挖后，需要进行衬砌施工，为了保证围岩与衬砌接触紧密，需要保证地表的沉降在规范限制内，数值模拟得到的地表沉降位移如图8所示。

图8 地表沉降位移云图

由数值模拟的结果可以看出，隧道在初期支护的条件下开挖引起的地表沉降，在隧道中心线的正上方处最大，为11 mm，处于隧道轴线上的沉降量最大，向两侧逐渐降低，趋于稳定，与现场试验结果相符合。

4 结论

鉴于此，基于数据反馈分析法，测得横向及竖向的沉降量和沉降速率，再将现场的土样进行原状和扰动后的三轴实验，得到应力应变关系，基于FLAC3D建模，对隧道在初期支护条件下的开挖过程进行了模拟，得到大断面隧道围岩变形特性结论如下：

（1）大断面黄土隧道的变形主要是拱顶下沉。拱顶的下沉量在16 mm左右。

（2）拱顶的沉降量随着开挖进尺在不断地增加。当距离测点20～30 m时，沉降量变化最快，沉降速率最大。

（3）隧道的正中间的下沉量是最大的。往两侧去，下沉量逐渐降低，趋于稳定，随着开挖的进行，影响得下沉量也在增加。

（4）黄土在未达到破坏的时候，应力应变基本上呈现线弹性。应力达到屈服强度后，由于黄土结构的破坏，应力应变曲线斜率在减少。围压越小，斜率的变化越大，扰动后的黄土屈服强度衰减。