考慮開挖空間效應(yīng)的隧道圍巖穩(wěn)定性分析

牟 丹

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

隨著我國交通工程的快速建設(shè)，我國公路網(wǎng)已基本實現(xiàn)四通八達(dá)，鐵路建設(shè)也緊隨其后，大量山嶺隧道已被修建［1］。隧道內(nèi)部原巖開挖會導(dǎo)致周圍巖土體的應(yīng)力發(fā)生二次重分布，尤其當(dāng)巖層為工程軟巖時，由于軟巖具有自身強度低、變形大、自穩(wěn)和自承能力等特性而發(fā)生大變形；另外，山嶺鐵路隧道開挖經(jīng)常采用爆破施工方法，難度大、干擾因素多，對圍巖擾動較大，直接影響隧道圍巖穩(wěn)定性［2-4］。隧道周邊巖體直接影響隧道開挖以后的穩(wěn)定性以及襯砌設(shè)計的強度，因此，隧道圍巖穩(wěn)定性問題成為地下工程界亟待解決的難題之一。

由于巖石力學(xué)不斷向深埋地下領(lǐng)域發(fā)展，尤其是隧道工程，這就對結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析的精度有更高的要求。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，一些有限元計算軟件被廣泛用于隧道數(shù)值模擬［5-7］，包括ANSYS、ABAQUS、Midas/GTS 以及有限差分軟件FLAC3D。針對重慶某雙線鐵路隧道，初期支護采取錨噴聯(lián)合支護，噴射層厚度為20 cm，錨桿長度3 m；二次襯砌采用復(fù)合式襯砌，厚度為40 cm。選取該隧道Ⅳ級深埋軟巖段作為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可知，該段隧道在施工期間圍巖發(fā)生較大變形，由于FLAC3D 更適用于解決隧道施工過程中的軟巖大變形等非線性問題，因此，選用FLAC3D 有限差分軟件來模擬該段隧道的三維動態(tài)開挖過程并對隧道循環(huán)施工過程中的圍巖變形與受力特征進行分析。

1 工程概況

鐵路隧道隧道全長910 m，起訖里程K500+082—DK500+992，地面高程約在520～710 m，相對高差約190 m 左右，隧道最大埋深約183 m。隧道進口位于基巖內(nèi)，洞身地段巖性泥巖夾頁巖、泥巖夾泥灰?guī)r、泥灰?guī)r等，地質(zhì)構(gòu)造簡單，圍巖基本質(zhì)量等級為IV 級。隧道IV 級圍巖采用復(fù)合式襯砌，通過工程類比結(jié)合隧道設(shè)計資料確定巖體與支護參數(shù)見表1。

表1 襯砌支護參數(shù)

表2 圍巖參數(shù)

2 有限元模型建立

FLAC3D 有限差分軟件模擬計算范圍確定原則：通常情況下，隧道開挖僅對距開挖中心3～5 倍范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生影響，由于實際依托工程為深埋軟巖隧道，適當(dāng)增加數(shù)值模擬計算模型。因此，本次模擬計算區(qū)間為橫向100 m，豎向100 m，縱向30 m，由CAD 圖件導(dǎo)入ANSYS 軟件進行網(wǎng)格劃分并拉伸成體，建立模型后保存單元及節(jié)點等信息并通過接口程序轉(zhuǎn)換導(dǎo)入FLAC3D 中進行計算，模型共有單元數(shù)為48 780 個，節(jié)點數(shù)為51 894 個。模擬圍巖、初期支護、二次襯砌均采用實體單元模擬，初期支護和二次襯砌視為線彈性材料并采用彈性本構(gòu)模型；將圍巖視為理想彈塑性材料并賦予摩爾-庫倫本構(gòu)模型，計算模型的邊界條件主要采用位移邊界條件：模型4 個側(cè)面和和底面均采用位移邊界條件，約束其法向位移；初始地應(yīng)力場近視看作自重應(yīng)力場，為減少模型單元數(shù)和節(jié)點數(shù)并降低計算量，應(yīng)根據(jù)隧道實際埋深將模型上部巖體重力荷載轉(zhuǎn)換為均布荷載施加在模型上表面，荷載大小為3 MPa。隧道開挖工法采用上下臺階法進行爆破開挖，開挖進尺為 2 m，上下臺階相距6 m。模型見圖1。

圖1 計算模型

3 結(jié)果分析

隧道在開挖過程中，開挖掌子面的存在會影響圍巖應(yīng)力與監(jiān)測斷面特征點位移的釋放，這種現(xiàn)象被稱為掌子面空間約束效應(yīng)，離開挖掌子面越近這種效應(yīng)越明顯，離開挖掌子面越遠(yuǎn)這種空間效應(yīng)越來越小，直到一定距離處圍巖則不再受圍巖的空間約束作用?；贔LAC3D 有限差分軟件對隧道三維動態(tài)開挖進行模擬，獲得隧道在開挖過程中圍巖應(yīng)力與監(jiān)測斷面特征點位移變化規(guī)律，研究隧道開挖的空間效應(yīng)并分析隧道施工期間的穩(wěn)定性。

3.1 圍巖應(yīng)力分析

隨著隧道開挖，隧道周邊圍巖會發(fā)生應(yīng)力重分布見圖2。由圖2 可知，應(yīng)力分布規(guī)律為拱頂區(qū)域應(yīng)力減小，隧道拱頂上方一定范圍內(nèi)形成形似漏斗狀的卸壓區(qū)域；而拱腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力增大；隨著隧道不斷開挖，最終形成拱頂處圍巖應(yīng)力較少，拱腳處圍巖應(yīng)力增加的現(xiàn)象，同時說明拱腳為隧道施工過程中重點監(jiān)測部位。

隧洞開挖應(yīng)力云圖揭示了隧道采用上下臺階法動態(tài)開挖工程中圍巖的受力情況。由圖2（f）可知，在隧道下臺階循環(huán)開挖支護過程中，圍巖的豎向最大應(yīng)力集中于上臺階與下臺階交界拱腰處，并且發(fā)現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位不斷向掌子面逼近，最大豎向壓應(yīng)力值為11.14 MPa，當(dāng)前支護能夠充分維持隧道圍巖穩(wěn)定。

圖2 隧道開挖過程圍巖豎向應(yīng)力

從隧道遠(yuǎn)端不斷接近開挖掌子面時，拱腰、拱肩、拱腳的豎向壓應(yīng)力不斷減小，分析其原因主要是隨著下臺階原巖開挖，圍巖應(yīng)力不斷釋放，開挖掌子面的空間約束作用不斷弱化。

3.2 圍巖位移分析

以IV 級圍巖模型縱向長度為15 m 的斷面（即隧道縱向中心，為消除邊界效應(yīng)）為主要監(jiān)測對象，針對必測項目的拱頂下沉和周邊收斂進行研究。利用FLAC3D 中的history 命令來監(jiān)測隧道在施工過程中拱頂、拱腳位移變化規(guī)律，進而判斷隧道在施工期間的穩(wěn)定性。隧道開挖監(jiān)測斷面位移曲線見圖3。

由圖3 可知，隧道開挖行為導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布的同時伴隨著變形的產(chǎn)生，開挖掌子面在監(jiān)測斷面2 倍洞徑之內(nèi)時，開挖會引起監(jiān)測斷面位移的變化，在1 倍洞徑之內(nèi)變化較為明顯；在監(jiān)測斷面前大概0.3 洞徑時發(fā)生急劇變化。上臺階開挖后，監(jiān)測斷面特征點會發(fā)生急劇下降，并持續(xù)4～5 d，拱頂下沉量達(dá)到位移總下沉量的60%以上；隨著開挖斷面繼續(xù)向前推進1 倍洞徑，拱頂下沉速率不斷減小，進入緩慢變形階段。隨著下臺階開挖與仰拱閉合，拱頂沉降速明顯減小，并逐漸趨于平緩，監(jiān)測斷面特征點位移幾乎不變，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 隧道開挖監(jiān)測斷面位移曲線

4 結(jié)語

（1）在隧道施工過程中，由于隧道開挖造成圍巖應(yīng)力重分布，其中拱腳產(chǎn)生應(yīng)力集中屬于加載區(qū)域，施工過程中應(yīng)加強拱腳處的監(jiān)測。（2）影響隧道穩(wěn)定性的因素很多，支護結(jié)構(gòu)能夠有效抑制隧道圍巖變形，改善圍巖受力；隨著支護結(jié)構(gòu)的閉合，能夠有效提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。（3）監(jiān)測斷面距開挖掌子面距離越遠(yuǎn)，監(jiān)測斷面特征點變形速率越小，圍巖應(yīng)力值越大，掌子面的空間約束效應(yīng)在距監(jiān)測斷面1 倍洞徑到2 倍洞徑基本消失。（4）在隧道開挖瞬間并施作初支后，監(jiān)測斷面特征點位移變化比較明顯，開挖后前4 d 的累計變形量占總變形量的50%以上，因此，可以認(rèn)為最不利出現(xiàn)在開挖并支護的第4 d 左右，要加強開挖掌子面前0.5 倍洞徑到1 倍洞徑斷面處的監(jiān)測。