路堑分级开挖对既有隧道稳定性的影响研究

摘要：为研究路堑开挖对既有隧道稳定性的影响，文章依托某开挖路堑工程案例，采用Flac 3D软件分析了路堑开挖后隧道的位移场和应力场。结果表明：（1）路堑开挖前，隧道的左下和右下区域出现较大水平方向位移，呈“椭圆发散状”，最大水平位移数值约为6.8 mm；路堑开挖后，隧道左侧出现较大变形，而隧道右侧所受影响较小；（2）随着路堑分级开挖，隧道所受应力逐渐增加，第二级开挖对隧道变形影响最大，此阶段位移占总位移的78%，第三次开挖后，将在隧道左侧产生90～240 kPa应力；（3）数值模拟结果与实际情况吻合较好，误差约为6%，说明数值模拟具有一定的有效性。

关键词：路堑开挖；隧道应力；变形规律；Flac 3D；数值模拟

0引言

随着地下工程的发展，隧道的应用越来越广，许多学者针对隧道工程进行了大量的数值模拟研究。邹至桥［1］采用数值模拟的方法，依托某地铁暗挖隧道，研究了对既有管线的位移影响，结果表明：管线沉降随着隧道开挖逐渐增加，数值模拟结果与监测数据相吻合，所提出的改进工艺措施能够保障施工安全。李伟林等［2］以成兰铁路隧道为工程实例，建立了不同岔角的数值模型，采用Fluent软件模拟研究了风能损失规律，结果表明：通风死区与岔角成正比关系，且主线隧道局部损失系数与岔角基本不相关。申子玉等［3］采用Flac 3D软件，研究了盾构施工对隧道变形、应力的影响规律，结果表明：拱顶靠近隧道一侧变形较大，而拱底远离隧道一侧变形较小，且最大应力与最大位移位置呈对应关系。袁铁刚等［4］使用有限元软件，分析了某新建隧道在开挖时产生的变形规律，结果表明：隧道跨度与沉降变形保持对应关系，因此可采用近似断面代替某一区域内的隧道模拟结果，从而简化数值模拟流程。王丽萍［5］采用数值模拟的方法研究了隧道在不同水平间距条件下的变形规律，结果表明，两隧道中心区域产生沉降而非回弹变形的原因是因为出现了“类似土拱”效应，且该土拱效应随着水平间距的增大而增大。马军旗等［6］为优化数值模拟的图形表示能力，基于ANSYS软件提出了一种可生成隧道三维视图的技术，并通过案例分析，验证了该方法的推广与应用价值。

由此可知，现有数值模拟研究大多针对隧道自身的变形场与应力场，却少有学者从路堑开挖影响隧道稳定性的角度进行分析。基于此，本文以某开挖路堑边坡和既有地下隧道为研究对象，采用Flac 3D软件研究路堑开挖对既有隧道变形的影响规律。

1 工程概况

1.1 边坡工程概况

某公路路线全长3.258 km，二级公路标准，路面宽12 m，两侧各设0.5 m的路边石，路基全宽13 m。路面为沥青混凝土路面结构。修建过程中开挖路堑边坡自上而下分别由风化泥岩、泥质砂岩和砂岩组成，其物理力学参数如表1所示。其中左侧堑坡高25 m，右侧堑坡高34 m，边坡坡率为1∶1.5。下埋设隧道总长约100 m，位于边坡底部以下40 m深。见图1。

1.2 路堑开挖方式

为探究路堑开挖步骤对既有隧道变形的影响，路堑开挖拟分3级开挖，每一级向下开挖10 m。隧道的管片采用弹性模型，杨氏模量为30 GPa，密度为2.3 g/cm3；衔接处的折减系数取0.74，管片外半径为4.8 m，内半径为4.5 m，管片厚度为30 cm。

2 数值模拟与结果分析

2.1 模型建立与选择

采用Rhino软件对模型进行网格划分，单元采用六面体结构，将网格模型导入Flac 3D软件生成边坡模型，模型如图2所示。其中模型尺寸为185 m×100 m×86 m，模型采用底面全约束，侧边界法向约束，顶面不约束。数值计算时，网格单元采用摩尔-库伦模型。

2.2 路堑开挖后隧道变形规律

如图2所示，路堑开挖前，隧道在开挖并采取初衬支护和二衬支护以后，隧道的左下和右下区域出现朝隧道洞室内方向的较大水平方向位移，呈“椭圆发散状”，最大水平位移数值约为6.8 mm，而隧道的左上区域水平位移相对右上区域较大，数值约为5.4 mm。产生位移不对称的原因主要是由于地形差异导致开挖后隧道左侧应力场较大。如图3所示为路堑开挖前隧道竖向位移云图，隧道底部出现最大回弹变形，数值约为7.8 mm，而隧道顶部出现最大10 mm的沉降变形。出现这一现象的原因是：隧道开挖后，隧道底部在卸荷作用下产生较大的竖向上拱应力，因此出现回弹变形，而隧道顶部在上部岩体的挤压所用下产生较大沉降位移。综合分析隧道的水平位移和竖向位移可知，最大水平位移与竖向位移均≤10 mm，满足隧道工程安全要求，隧道处于稳定状态。

如图4所示为路堑第三级开挖结束后的隧道整体位移云图。由图4可知，在路堑进行第三级开挖后，隧道整体位移较第一级路堑开挖更大，左侧最大位移数值已经达到138 mm，有较大的失稳风险。因此，在路堑开挖工程中，应及时对隧道左侧进一步施加支护措施，以防止隧洞坍塌。

2.3 路堑开挖对隧道主应力的影响分析

路堑开挖后，隧道的受力情况如图5和图6所示。隧道外围Y方向应力数值范围在31～200 kPa，该范围是隧道半径的15%。隧道顶部与隧道底部所受应力较小，因此可认为该方向的应力不会对隧道顶部与底部造成安全隐患，而隧道的左侧和右侧所受Y方向应力较大，数值约为195 kPa，可认为隧道在该方向有较大的安全風险。隧道Z方向应力数值范围在90～240 kPa，该范围占隧道半径的18%，隧道周围整体受力均匀。

综合分析隧道应力与路堑开挖关系可知，随着路堑分级开挖，隧道所受应力逐渐增加，并在第三级开挖后，将在隧道左侧产生较大应力。因此，在实际工程中应加强隧道左侧的应力监测，防止出现隧道应力集中现象，产生隧道墙体破坏现象。

2.4 路堑分级开挖对隧道稳定性的影响

综合前文分析可知，隧道的左侧受路堑开挖影响较大，可以忽略对隧道右侧的影响。基于此，本研究在隧道左下区域设置1号监测点，以进一步探究路堑开挖对隧道变形的影响。如图7所示为路堑三级开挖后1号监测点水平位移和竖向位移曲线。由图7可知，1号点竖向位移明显较水平位移大，最大水平位移和竖向位移分别为138 mm和70 mm；1号监测点的水平位移和竖向位移均与路堑开挖次数呈正比关系，且随着每一级开挖结束，位移均呈先快速增加后趋近于稳定的趋势。不同之处在于，对于1号监测点的水平位移而言，三级路堑开挖对隧道的影响相差较小；而对其竖向位移而言，第三级路堑开挖较前两级路堑开挖对隧道变形的影响更大。

为验证本文数值模拟的有效性，本研究在隧道顶部设置了位移2号位移监测点。如图8所示为隧道监测数据与数值模拟结果对比曲线。由图8可知，隧道顶部位移随路堑开挖呈现先缓慢增加后加速增加，最后减速收敛的变化趋势。从位移数值上来看，第一级开挖达到20 mm竖向位移，第二级开挖达到了65 mm，第三级开挖结束后，竖向位移最终达到83 mm。由此可知，第二级开挖对隧道顶部位移产生的影响最大，此阶段位移占比达到78%，因此在实际工程中，应重点关注路堑第二级开挖，加强此期间隧道顶部位移监测工作。数值模拟结果与实际情况吻合较好，第三级开挖后，隧道顶部位移达到78 mm，仅比实际监测位移小5 mm，误差约为6%，而产生相对误差的原因可能是由于人为干扰因素和忽略岩体结构裂隙等原因综合造成的。

3 结语

本研究以某路堑开挖工程为依托，采用数值模拟的方法研究了路堑开挖对既有隧道稳定性的影响，得到以下结论：

（1）路堑开挖前，隧道的左下和右下区域出现较大水平方向位移，呈“椭圆发散状”，最大水平位移数值约为6.8 mm，隧道底部在卸荷作用下[KG（0.1mm]产生较大回弹变形。结合隧道的水平位移和竖向位移可知，最大水平位移与竖向位移均≤10 mm，满足隧道工程安全要求，隧道处于稳定状态。

（2）在路堑第三级开挖后，隧道整体位移较第一级路堑开挖更大，左侧最大位移数值已经达到180 mm，有较大的失稳风险。随着路堑分级开挖，隧道所受应力逐渐增加，并在第三级开挖后，将在隧道左侧产生较大应力。因此，在实际工程中应加强隧道左侧的应力监测，防止出现隧道应力集中现象，同时应及时对隧道左侧进一步施加支护措施，以防止隧洞坍塌。

（3）隧道顶部位移随路堑开挖呈现先缓慢增加后加速增加，最后减速收敛的变化趋势。第二级开挖对隧道顶部位移产生的影响最大，此阶段位移占比达到78%。在实际工程中，应重点关注路堑第二级开挖，加强隧道顶部位移监测。数值模拟结果与实际情况吻合较好，误差约为6%，说明本文数值模拟具有一定的有效性。

参考文献：

［1］邹至桥.暗挖隧道施工对既有管线沉降影响的数值模拟研究［J］.四川水泥，2022（8）：103-106.

［2］李伟林，章 光，朱应伟，等.不同分岔角的卜型隧道施工通风三维数值模拟研究［J］.现代隧道技术，2022，59（4）：158-166，195.

［3］申子玉，梁 辰.近距隧道后行盾构对先行隧道影响的数值模拟分析［J］.工程技术研究，2022，7（16）：32-34.

［4］袁铁刚，白守兴，王曉伟.某隧道施工过程的近似数值模拟［J］.建筑技术，2022，53（9）：1 126-1 128.

［5］王丽萍.水平间距对涉水隧道土体变形影响的模拟分析［J］.黑龙江水利科技，2022，50（8）：74-76，108.

［6］马军旗，周林豪，周 永，等.基于虚拟现实技术的隧道工程数值模拟三维可视化研究［J］.科技创新与应用，2022，12（28）：12-16.

作者简介：李锦源（1986—），工程师，研究方向：道路与桥梁工程。