考虑构造应力场作用下新旗下营隧道塌方段的数值模拟

李文俊 韩炀 张海东

1.中铁隧道勘察设计研究院有限公司测绘分院 广东 广州 511400

2.石家庄铁道大学土木工程学院 河北 石家庄 050000

随着国内经济的快速发展，隧道及地下工程开发越来越多，但由于隧道施工地质条件和周围环境的复杂性，以及隧道开挖施工的管理等人为原因影响，隧道开挖过程中塌方事故时有发生，塌方不仅造成工程施工进度及经济性的损失，也严重威胁着现场施工人员安全。因此，对塌方原因及影响需做深入研究，以便于后续针对性的提前防范和处理，保证后续隧道施工及运营安全。国内外学者对塌方的影响因素进行了大量研究。刘国伟[1]以山西白龙山隧道为例，采用三维有限元模拟分析得出隧道轴线方向上的初始地应力场特征,发现区内存在较高地应力场区域。骆俊晖[2]等人基于Midas模型下考虑构造应力场深埋隧道围岩稳定性进行了研究，通过对受力、变形特点进行分析，得出了其分布规律，为类似工程提供了参考。陈强[3]等人针对秦岭越岭长隧道地区构造应力进行了分析，得出了主应力作用方式基本为水平挤压或水平拉伸特征。

本文依托新旗下营隧道，通过对塌方段进行三维计算模型，从塌方断面位移变化、支护结构应力状态以及围岩塑性区分布等三个方面对有无构造应力场状态下的隧道塌方段进行分析，为后续隧道塌方的治理研究提供参考。

1 工程概况

隧址所在地为阴山山脉东部，山体受大黑河侵蚀导致山体较为陡倾，地形高地起伏大，地下水赋存状态为第四系空隙潜水，昼夜温差大，受蒙古及西伯利亚高压影响常伴有大风和寒潮。主要地层为第四系全新细圆砾土、加里东期闪长岩、坡积碎石土，太古界大理岩等。同时由于隧址属华北地台，凉城断隆与阴山断隆的相交处，受侵入性岩体挤压作用影响，山体岩层较破碎，裂纹广泛分布，隧道施工时极易发生坍塌。

2 数值模拟

2.1 模型建立

分别考虑两种不同的工况，即仅自重应力（工况1）和自重应力加构造应力（工况2），利用岩土专用常用有限元分析软件Midas GTS，建立隧道塌方段数值模型，以圣维南原理为依据，以地表平面为上边界，坡度为30°，拱顶到平面距离为60m，以3～5倍的洞高约50 m范围作为下边界，取隧道左右边界轮廓线3～5倍洞径120m范围作为 XZ平面，基于隧道开挖纵向效应和隐伏断层分布范围的因素，沿Y轴纵向取100m。参考相关TSP探测结果、地勘资料等，隧道轴线与断层以60°倾角相交，以30 m的断层及其影响宽度建模。

2.2 计算参数

根据地勘资料及相关规范确定整个模型计算中各单元结构物理力学参数，由于本隧道发生塌方段未施作二次衬砌，因此仅有初期支护的支撑作用，对钢支撑、钢筋网片及喷射混凝土之间的弹性模量进行换算，保证上述支护结构均能充分发挥支撑效果，计算公式(1)为：

确定后的围岩及支护结构参数如下表1所示。

表1 围岩及支护结构数值模拟参数表

2.3 开挖工法模拟

根据工程地质及工期要求，Ⅳ围岩采用三台阶法施工，每循环开挖深度2m，台阶间间隔长度为6m，三台阶法施工工序横断面示意图见图2。有限元模拟时运用Midas GTS施工阶段助手，通过“钝化R”、“激活A”模型中边界条件、各单元及荷载等方式，模拟隧道开挖过程，具体模拟开挖工序如图1所示。

图1 台阶法施工工序横断面示意图

图2 考虑构造应力场竖向沉降沉降位移

3 数值模拟结果及分析

3.1 初期支护位移

3.1.1 塌方段整体位移

初期支护位移变化包括竖向位移（拱顶沉降）、水平位移（净空收敛）等，现场通过对隧道上述位移的不间断监测，分析初期支护位移变化趋势，判定隧道施工安全性，同时也作为优化开挖方法和调整设计支护参数的重要依据，竖向拱顶沉降总位移与水平净空收敛总位移分别如图2、图3所示。

图3 考虑构造应力场水平净空收敛位移

开挖施工完成后，隧道纵向即沿数值模拟Y方向上，断层内各初期支护断面竖向沉降位移呈起伏状态，其中断层内拱顶和仰拱位置竖向位移最大。XZ平面内隧道截面中心线左右120°范围内隧道竖向位移大致呈拱形分布，随着距离的增大扰动逐渐减小。工况1 在仅考虑自重应力影响下，拱顶最大沉降值达到40.13mm，仰拱隆起的最大位移值仍达到38.69mm。在同时考虑自重应力及构造应力作用下的工况2中拱顶沉降最大值42.65mm，仰拱隆起最大为40.72mm。通过工况1与工况2最大值对比发现，工况2的竖向位移较工况 1分别增加了6.27%，5.24%，说明构造应力场对初期支护竖向位移有一定影响，两种工况下竖向位移均发生较大位移，施工过程中拱顶的初期支护极易被破坏进而产生塌方事故，应加强支护。

隧道初期支护受地形偏压的影响，水平收敛位移变形呈不对称分布，侧墙及拱腰位置水平收敛位移较大，处在断层范围内则水平收敛位移更大。只考虑自重应力影响的工况1中水平收敛最大为29.59mm，在同时考虑自重应力及构造应力场作用下的工况2中受水平最大主应力的作用其水平收敛最大值达到34.23mm，较工况1的水平收敛最大值增加15.68%。对比前后工况1、2对初期支护位移值的影响可以得知构造应力场对隧道初期支护水平收敛位移的影响要大于竖向位移。

3.1.2 塌方断面位移分析

为准确掌握隧道塌方断面位移变形，在DK587+926塌方断面，计算模型Y=45m处，分别在拱顶、拱腰及仰拱等处设置监测点，最后把三处位置数值模拟得出的监测数据绘制成围岩位移与分析阶段的曲线，见图4所示。

图4 塌方段断面水平收敛曲线

根据上述模拟得出图形及数据得出，隧道开挖到塌方处时的拱顶沉降值约占其最终沉降的30% ，水平净空收敛值约占其最终位移的50%，仰拱竖向隆起值约占其最终位移的25% ，说明隧道开挖施工对围岩有明显扰动作用，现场施工时应注重开挖完成后支护的时效性。工况1条件下模拟得出的最终拱顶、收敛及仰拱隆起数据分别为33.31mm、27.74mm、37.81mm，工况2对应数据分别为35.22mm、31.22mm及39.31mm。对比不同工况下相同位置处的围岩位移数据可知，工况2 拱顶沉降、水平收敛以及仰拱隆起的数值较工况1分别提高了5.73%、11.15%、3.97%，说明构造应力场对软弱断面变形有一定影响，其中对水平收敛位移变形影响更为明显。

3.2 支护结构应力分析

为了解掌握塌方处支护结构应力状态，进行支护结构应力状态模拟计算，具体范围为塌方断面2m，计算模型Y=45～47m处，分别得出两种不同工况条件下最大主应力、最小主应力、最大剪应力云图。计算得出工况2中主要位置应力值。如下表2所示。

表2 工况2条件下支护结构应力值

不同工况下的不同应力值可以看出，在构造应力场影响下，相比较仅考虑自重应力场，支护结构最大主应力、最小主应力及最大剪应力分别提高了8.72%、7.45%、18.35%，由上述数值可知，剪应力受构造应力场影响最大。同时由上表可知，竖向压力主要影响位置为拱顶和仰拱，水平应力主要影响位置为拱腰和拱脚，隧道塌方处的支护结构受力特征主要表现为大部分支护结构受压应力，仰拱受拉应力为主，其中压应力和剪应力在拱腰位置最大，达到18.95MPa和7.35MPa，超过初期支护C25喷射混凝土的极限抗压强度和极限抗剪强度，因此在后续施工中应对拱腰位置加强支护和监测，防止喷射混凝土由于变形而剥落掉块。

3.3 围岩塑性区分析

随着隧道开挖的进行，对隧道周围围岩应力会进行再分布，为了解应力再分布后对隧道稳定性的影响，对开挖后围岩应力分布数值模拟，形成的围岩塑性区云如图5所示。

图5 工况2塑性区云图

由上述围岩塑性区云图可知，隧道开挖使得一部分围岩达到塑性状态，形成一定范围的塑性区域，该区域以类似“蝴蝶型”分布，拱腰和拱脚位置应力相对集中，在构造应力场的作用下，塑性区沿洞周延伸，其中水平向延伸要大于竖向延伸。

4 结束语

本文主要以新旗下营隧道塌方为依托，结合隧道塌方的成因，分别在有无构造应力场条件下对隧道塌方段进行数值模拟分析，通过分析有以下结论：

（1）隧道塌方段竖向位移在XZ平面内大致呈拱形分布，且在断层范围内沿Y方向起伏较大，其竖向位移变形最大值位于拱顶和仰拱位置。受地形偏压的影响，水平位移分布不对称，其变形最大值位于拱腰和侧墙位置。相较工况1仅考虑自重应力，在工况2增加考虑构造应力场的条件下，塌方段拱顶沉降、仰拱隆起及水平收敛分别达42.65mm，40.72mm及34.23mm，较工况1分别提高了6.27%、5.24%、15.68%，构造应力场对水平位移影响相对较大。

（2）通过塌方断面位移分析可以看出，围岩变形基本经历缓慢增大、快速增大、趋于稳定三个阶段，且通过模拟结果可知，在到达塌方断面前围岩已发生部分变形，表面前期隧道开挖对围岩存在较大扰动，开挖后应及时支护。

（3）隧道塌方断面支护结构以受压为主，其中拱腰和拱脚为主要受压位置，拱腰位置压应力和剪应力最大，施工中极易发生破坏，进而产生初支剥落掉块。在考虑构造应力场的作用下，支护结构的最大主应力、最小主应力、最大剪应力分别提高了8.72%、7.45%.、18.35%，构造应力场对剪应力影响较大。

（4）塌方段塑性区在拱腰和拱脚位置呈“蝴蝶型”分布，考虑构造应力场的作用下，塑性区沿洞周延伸，水平延伸略大于竖向延伸。