深埋隧洞开挖进尺比选分析

袁富宁

（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

0 引言

隧洞开挖后，受到应力重分布的影响，围岩会产生收敛变形，变形过大可能会造成围岩失稳，从而危害施工安全［1］。对于深埋隧洞，由于受构造应力影响，表现出不同于浅埋隧洞的力学特性，其稳定性受多种因素影响［2］。其中，开挖进尺对深埋隧洞变形的影响不可忽视。许多学者通过现场监测、数值模拟等方式对隧洞洞壁位移、应力变化规律进行了研究［3-5］。本研究以西藏某深埋引水隧洞为研究对象，分析该工程的最佳开挖进尺。

1 工程概况

研究区引水隧洞为圆形隧洞，洞径9.2 m，布置在西藏易贡藏布右岸，隧洞轴线距易贡藏布岸坡距离为600～1 800 m，埋深一般为300～800 m。隧洞所处区域地应力以构造作用为主，最大水平主应力约为岩体自重应力的1.5 倍，最小水平主应力约等于岩体自重应力，围岩主要为板岩，其次为前奥陶系雷龙库岩组的石英砂岩夹石英片岩和古近纪侵入灰色中细粒黑云母二长花岗岩。

2 模型建立

数值模拟软件采用FLAC3D，计算采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型。由于引水隧洞直径为9.2 m，为减少“边界效应”影响，设置隧洞中心到边界的距离为3～5倍的洞径，建模时横向从隧洞轴线位置向两侧各取40 m，竖向从隧洞轴线位置上下各取30 m，隧洞轴向取30 m，即模型尺寸为80 m×60 m×30 m。围岩部分网格尺寸最大2 m，隧洞部分网格加密处理，为0.5 m，模型示意如图1所示。

图1 模型示意

对模型的四周和底部施加法向位移约束，根据上覆地层（地表至模型上边界距离分别为270 m、520 m 和770 m）自重应力的计算结果，对顶部施加垂直应力，模型内部初始水平地应力沿x方向为1.5倍的岩体自重应力，沿y方向为1.0倍的岩体自重应力。以板岩为代表性岩体，材料参数见表1。分别模拟300 m、550 m 和800 m 埋深下开挖进尺为2 m、3 m、4 m 和5 m 的隧洞开挖，以第一进尺稳定结果为依据分析隧洞变形、应力变化及塑性区情况。

表1 材料参数

3 数据分析

3.1 位移分析

不同埋深下隧洞各位置变形大小随开挖进尺变化情况如图2 所示。由图2 可知，开挖进尺相同时，随着埋深的增加，隧洞拱顶竖向位移、侧壁水平位移和掌子面轴向位移都存在增大的趋势。在埋深一定的条件下，当开挖进尺小于3～4 m 时，掌子面轴向位移最大，侧壁水平位移次之，拱顶竖向位移最小；当开挖进尺在3～4 m 时，掌子面轴向位移和侧壁水平位移大小相似，且大于拱顶竖向位移；当开挖进尺大于4 m 时，侧壁水平位移最大，掌子面轴向位移次之，拱顶竖向位移最小。因此，基于掌子面后期仍会不断推进，在对隧洞施作支护措施时，应对侧壁区域进行加强处理。

图2 不同埋深下隧洞变形随开挖进尺变化曲线

研究区内引水隧洞的开挖进尺变化主要对拱顶和侧壁位移产生影响，侧壁位移和拱顶位移随开挖进尺的增加整体上呈匀速增大趋势，而掌子面轴向位移虽然会随埋深的增加而增大，但是当埋深相同时，其位移大小随开挖进尺的增加变化不明显，仅在微小数值范围内产生波动。因此在施工开挖进尺选取时，应主要考虑拱顶和侧壁的位移对隧洞围岩稳定的影响，掌子面位移可作为次要参考。

3.2 应力分析

各埋深下隧洞开挖后围岩应力集中区域如图3 所示（以开挖进尺3 m 为例）。300 m-3 m 代表埋深为300 m 且开挖进尺为3 m，下图相同。由图3可知，由于初始主应力方向相同，尽管埋深差异较大，开挖后的应力集中区域都主要出现在拱顶上方和拱底下方，埋深300 m 和埋深550 m 时掌子面和隧洞轮廓面交界处也出现了应力集中情况，当埋深为800 m 时，应力集中现象仅出现在拱顶上方和拱底下方。

图3 不同埋深下围岩应力集中分布区域

不同埋深及开挖进尺条件下，隧洞围岩应力集中最大值和集中区域相对拱顶及拱底距离见表2。由表2可知，开挖进尺和埋深对应力集中大小及范围有较大影响。以300 m 埋深为例，当开挖进尺从2 m 增加至5 m 时，应力集中区最大应力值从14.69 MPa 增加至18.68 MPa，相对拱顶和拱底的距离从0.5～2.2 m 增加至0.9～2.2 m，即应力集中区逐渐远离隧洞。以开挖进尺3 m 为例，当埋深从300 m 增加至800 m 时，应力集中区最大应力从16.75 MPa 增加至41.45 MPa，相对拱顶及拱底的距离从0.5～2.2 m 增加至1.0～3.0 m，不仅应力集中区距离隧洞更远，且范围更大。基于深部岩体中应力集中区远离开挖轮廓面为宜的理念，开挖进尺选取3～4 m更为合适。

表2 应力集中大小及位置

3.3 塑性区分析

各埋深下隧洞开挖后围岩塑性区分布如图4所示。以开挖进尺3 m 为例（相同埋深下，不同开挖进尺产生的塑性区形态相似），塑性区主要分布于拱顶及拱底，随着埋深增至550 m，塑性区向拱腰处扩展，但主要还是位于拱顶及拱底，随着埋深增至800 m，洞周围岩都出现塑性区，且塑性区的分布更加均匀。

不同埋深及开挖进尺条件下，隧洞围岩塑性区深度及体积见表3。由表3 可知，开挖进尺和埋深对塑性区深度及体积有较大影响，以300 m 埋深为例，当开挖进尺从2 m 增加至5 m 时，塑性区深度从0.5 m 增加至1.3 m，塑性区体积从12.95 m3增加至55.07 m3，这与开挖进尺增大后导致隧洞临空面积增大有关。以开挖进尺3 m 为例，当埋深从300 m增加至800 m时，塑性区深度从0.8 m增加至1.2 m，塑性区体积从17.55 m3增加至92.52 m3。由此可知，埋深一定时，塑性区深度随开挖进尺的增加整体上呈线性增大趋势，但是塑性区体积增大速度在开挖进尺大于3 m 时大幅增加，因此开挖进尺选择3 m更加合适。

表3 塑性区深度及体积

4 结论

①研究区引水隧洞开挖后拱顶竖向位移、侧壁水平位移及掌子面轴向位移随埋深的增加而增大，开挖进尺对掌子面轴向变形影响很小，侧壁位移和拱顶位移随开挖进尺的增加整体趋势为匀速增大。由于侧壁位移总是大于拱顶位移，支护时应重点关注侧壁位移，加强支护。

②隧洞围岩的应力集中区总是位于拱顶上方和拱底下方，为尽量使其远离隧洞轮廓面并减小应力，开挖进尺选择3～4 m较为合适。

③隧洞围岩塑性区分布随埋深的增加逐步由拱顶及拱底向拱腰处扩展，并最终覆盖洞周围岩，其深度随开挖进尺的增加整体趋势为匀速增大。考虑塑性区体积增大速度在开挖进尺大于3 m 时大幅增加，开挖进尺选择3 m更加合适。

综上所述，结合各埋深和开挖进尺条件下的隧洞位移、应力分布和大小及塑性区深度和体积等情况，研究区引水隧洞工程最佳开挖进尺为3 m。