不同偏压角度下浅埋隧道开挖施工力学行为研究

2023-12-02郑英豪张帅闫鑫

包头职业技术学院学报 2023年1期

郑英豪张帅闫鑫

摘要：为探究在不同地形偏压角度下由于隧道开挖而对围岩产生的力学效应，通过数值模拟建模，计算并分析了不同偏压角度对隧道施工的影响，结果表明：隧道各控制点处的最大位移绝对值小于10 mm，表明浅埋隧道开挖时，地形偏压对于隧道周边收敛值的影响存在一定的影响，但总体上影响较小。不同偏压角度的沉降变化曲线形态类似，随着偏压角度的增大，左拱腰在开挖初期有隆起的趋势，但是在开挖后期，却出现了下沉，并且下沉量也有加速增大的趋势。

关键词：浅埋偏压隧道；偏压角度；数值模拟

Study of the Mechanical Behavior of Shallow Buried Tunnel Excavation

under Different Deflection Angles

Zheng Yinghao Zhang Shuai Yan Xin

（ School of Civil Engineering，Hebei University of Civil Engineering and Architecture，Zhangjiakou，Hebei 075000）

Abstract：In order to investigate the mechanical effect on the surrounding rock due to tunnel excavation under different topographic deflection angles，the effect of different deflection angles on the tunnel construction was calculated and analysed through numerical simulation modelling.The results show that the maximum displacement at each control point of the tunnel is less than 10 mm in absolute value，indicating that there is a certain influence of topographic deflection on the convergence value around the tunnel during shallow buried tunnel excavation，but the overall influence is small.The settlement curves for the different deflection angles have a similar pattern，with the left arch waist tending to bulge at the beginning of the excavation as the deflection angle increases，but at the end of the excavation there is subsidence and an accelerated increase in the amount of subsidence.

Key words：shallow buried deflection tunnel;deflection angle;numerical simulation

隨着我国公路及铁路隧道建设向更偏远山区延伸，当前隧道修建也面临着严峻复杂的地质条件。由于地形、地质、施工条件等影响新建隧道线路走向无法完全垂直于地形等高线时，在隧道横截面上就会产生由于地形分布不均匀所导致的偏压应力，同时在隧道进出口段由于上覆土层较薄而形成的浅埋偏压隧道。［1-2］因此，阐明地形偏压条件下浅埋隧道力学特征及其作用规律有利于更好地针对其进行支护结构设计，从而保证隧道施工中隧道的整体稳定性及安全性。

偏压角度是对地形偏压的概化，［3］当增大偏压角度时，隧道断面两侧所受不平衡应力越大，且在偏压角度较大时，偏压隧道深埋侧所受应力会显著高于浅埋侧所受应力，从而加剧了二次衬砌等支护结构内部应力集中现象。［4］相比无偏压隧道，偏压地形对于隧道安全施工有较大影响，地层的稳定性难以控制；［5-8］李思以衬砌安全系数为安全性评价指标，研究了存在空洞的情况下，偏压角度对衬砌安全性的影响；［9］罗晶将偏压系数、围岩安全系数、衬砌安全系数作为评价指标，得出了随着洞室埋深的增大，隧道衬砌内力偏压效应有所减小的规律；［10］郭一凡针对某实际隧道工程，采用有限元分析方法，分析得出偏压角度大于30°时，隧道偏压应力和偏压系数会明显变化，当偏压系数提高到1.8以上，会加剧偏压作用。［11］

由上述文献可知，偏压角度的改变会对围岩的稳定性及隧道开挖中的安全性产生较大影响。基于此，本文通过基于有限差分算法的FLAC 3D数值模拟软件，建立相应偏压隧道模型，分析在隧道开挖过程中，不同偏压角度下的围岩应力分布及拱周位移变化规律。

1 偏压隧道模型建立

1.1 前提假定

由于岩土材料的组成成分繁多且存在节理、裂隙等复杂地质构造，若对岩土材料的全部力学特性进行模拟是十分困难的，且对于本文研究问题来说也是不必要的，因此，在计算之前进行一些前提假定：［12-14］（1）忽略岩层破碎带、强富水导致围岩的不连续性，采用连续介质模型；（2）本构模型采用Mohr-Coulomb本构；（3）初始应力忽略构造应力场及渗流场，仅考虑重力场影响；（4）隧道偏压角度及埋深为均匀变化。

1.2 模型建立

计算模型综合运用了Midas GTS的前处理功能和FLAC的本构模型及计算功能。采取Midas GTS进行前期建模，在可视化界面下进行新建偏压隧道模型的建立。结合工程实际情况确定洞室最大跨度处宽度为14 m，矢高为11 m。依据圣维南原理，确定模型长（X）为100m，沿隧道开挖方向（Y）为30 m，模型高度（Z）因工况不同有所不同。数值模型网格划分上，地层结构的网格单元尺寸为3 m，衬砌结构尺寸较小，故在网格单元划分适当加密，网格单元尺寸为2 m。偏压隧道模型共12749个节点，11360个单元，新建偏压隧道模型的网格划分及控制点布置如图1所示。

数值模拟计算工况为偏压角度10°～35°，隧道埋深20m，围岩等级V级。在有限元的数值分析计算时，材料的力学参数是否合理将直接影响到偏压隧道支护设计模拟的准确性。本模型主要分为三个部分：偏压土层、初期支护、二次衬砌以及锚杆。根据头道沟工程勘察报告，确定工程场地范围内主要地层为V级围岩，其主要物理力学参数为：重度18.5×103 kN·m2、弹性模量1.5 GPa、泊松比0.35，除锚杆采用Pile结构单元模拟，围岩、支护结构均采用实体单元模拟。围岩及偏压隧道物理力学参数见表1。

2 结果与分析

2.1 偏压角度因素影响

不同偏压角度工况下，隧道开挖最大主应力云图如图2（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示，各控制点总体位移和相对位移见表2。

分析主应力云图可得：不同偏压角度下的沉降云图无明显差异，围岩应力场变化呈现非对称，深埋侧的变化程度大于浅埋侧。隧道主应力敏感区域为左拱腰及左右拱脚，且隧道左拱脚处出现明显应力集中现象，深埋侧隧道拱脚最大压应力在偏压角度10°、15°、20°、25°、30°、35°下，分别为0.508 MPa、0.528 MPa、0.488 MPa、0.473 MPa、0.471 MPa、0.461 MPa。最大压应力大小随着偏压角度的增加总体上呈现逐渐减小的趋势，这是由于偏压角度越大，隧道深埋侧上覆围岩自重越大，使得隧道左右两侧应力分布越不对称。

由表2可得，随着隧道开挖，最大竖向沉降量集中在隧道拱顶上方，且隧道底部出现了隆起的现象。在隧道埋置深度不变的情况下，随着偏压角度的增大，偏压隧道深埋侧各控制点开挖后竖向位移也在不断增大，并以拱顶处沉降值增幅为最大。特别是隧道角度在30°～35°时，偏压隧道拱顶处位移值增长率最大。随着偏压角度的增大，除了拱底处位移，隧道内各控制点位移呈现出增大的趋势，其中最大沉降量出现在隧道拱顶上方。同时可以看出，隧道各控制点处的最大位移绝对值小于10 mm，表明浅埋隧道开挖时，地形偏压对于隧道周边收敛值的影响存在一定的影响，但总体上影响较小。其中，偏压角度在30°～35°之间时隧道拱肩、拱腰、拱脚收敛变形最为显著。如偏压角度从30°增大到35°后，拱肩收敛值从3.2 mm增加至3.6 mm，增幅12.5%。拱腰收敛值从2.2 mm增加至2.4 mm，增幅9%，拱脚收敛值从1.6 mm增加至1.9 mm，增幅18.75%。

为研究隧道各部位在开挖施工中的位移变化值，沿开挖方向在隧道断面各位置处布设监测点，如图3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）为不同偏压角度下隧道各监测点变化曲线。

通过分析图3不同偏压角度下Y=15m断面处隧道各监测点变化曲线可得：

不同偏压角度的沉降变化曲线形态类似，随着偏压角度的增大，隧道各监测点沉降值随隧道开挖掌子面的推进不断增大，从图中可以看出拱底处在隧道开挖过程中表现为上浮，拱顶处位移表现为下沉，值得注意的是，左拱腰在开挖初期有上浮的趋势，但是在开挖后期，却出现了下沉，并且随着偏压角度的增大，下沉量也有加速增大的趋势。当偏压角度从10°增大至15°时，左拱脚和右拱脚处沉降量有较大变化，在偏压角度为10°、15°时，左拱脚沉降量分别为-0.8 mm（负号表示为隆起）、2.2 mm，变化量为3 mm；右拱脚沉降量分别为0.4 mm、3.1 mm，变化量为2.7 mm。因此可以看出，在偏压角度较小的情况下，要多注意偏压隧道左右拱脚处的位移变化，以免拱脚处因偏压应力而造成失稳破坏。

3 结论

（1）隧道开挖完毕后，不同偏压角度下的沉降云图无明显差异，围岩应力场变化呈现非对称，深埋侧的变化程度大于浅埋侧。隧道主应力敏感区域为左拱腰及左右拱脚，且隧道左拱脚处出现最大主应力集中，且拱脚处压应力大小随着偏压角的增大呈现逐渐减小的趋势。

（2）隧道各控制点处的最大位移绝对值小于10 mm，表明浅埋隧道开挖时，地形偏压对于隧道周边收敛值的影响存在一定的影响，但总体上影响较小。

（3）随着偏压角度的增大，左拱腰下沉量有加速增大的趋势。在偏压角度较小时，要多注意偏压隧道左右拱脚处的位移变化，以免拱脚处因偏压应力而造成失稳破坏。

参考文献：

［1］吕国仁，隋斌，王永进，等.浅埋偏压隧道开挖数值模拟及稳定性研究［J］.山东大学学报（工学版），2013，43（4）：68-73.

［2］干啸洪，陈立平，张素磊，等.浅埋偏压隧道地表沉降规律及其预测方法［J］.现代隧道技术，2019（2）：7.

［3］刘家均.偏压角度变化对小净距隧道围岩稳定性影响研究［J］.湖南交通科技，2021，47（1）：95-98.

［4］曹世伟.浅埋偏压隧道围岩破坏模式及规律研究［J］.铁道标准设计，2022，66（4）：143-148.

［5］周云.浅埋偏压小净距隧道开挖力学效应及不对称支护研究［D］.重庆：重庆大学，2014.

［6］杨超，等.地形偏压隧道开挖变形特征及预加固措施［J］.公路交通科技，2012，29（7）：97-103.

［7］晏鄂川，等.多因素引发的公路隧道偏压效应分析［J］.地下空间与工程学报，2012，8（5）：1041-1047.