隧道不同開挖進尺對圍巖變形和應力變化的影響研究

高華光 韓龍飛 葉明浩

摘 要：本文采用數值模擬的方法，研究了隧道不同開挖進尺對圍巖變形和應力變化的影響規律。結果發現，隨著開挖進尺的增大，隧道的豎向位移和水平位移都不斷變大，最大位移速率上升，圍巖的位移變形量和位移速率越大，誘發圍巖失穩的可能性越大。圍巖應力隨著隧道開挖進尺的增大而上升，隧道斷面的最大剪應力越大，隧道發生破壞的可能性越大。

關鍵詞：開挖進尺;圍巖變形;數值模擬

中圖分類號：U456.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0099-03

Study on the Influence of Different Excavation Length of Tunnel on the Deformation and Stress Change of Surrounding Rock

GAO Huaguang HAN Longfei YE Minghao

（School of Resources and Environment， Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In this paper， the method of numerical simulation was used to study the influence of different tunnel excavations on the deformation and stress of surrounding rocks. It was found that with the increase of the excavation footage， the vertical and horizontal displacements of the tunnel were continuously increasing， and the maximum displacement rate was increasing， the greater the deformation and displacement rate of surrounding rock， the greater the possibility of instability of surrounding rock. The surrounding rock stress increased with the increase of the tunnel excavation footage， the greater the maximum shear stress of the tunnel section， the greater the possibility of tunnel damage.

Keywords： excavation footage;surrounding rock deformation;numerical simulation

在隧道開挖后，隧道圍巖應力會重新分布，導致圍巖變形，一旦變形過大，就會造成塌方，給施工造成嚴重損失。如果開挖進尺設置過小，施工難度、成本和工期等都會增加;如果開挖進尺設置過大，隧道的穩定性會降低，施工危險風險增大[1]。選擇合理的開挖進尺，減小其對隧道周圍巖體的影響，這對隧道建設具有很大的意義，當前主要依靠數值模擬、模型試驗和現場經驗[2-4]。因此，本文利用數值模擬的方法，選取開挖進尺1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m五種不同情況，分析其對圍巖變形和應力變化的影響，總結規律，為類似施工提供理論依據。

1 工程概況

西藏S5拉薩至澤當快速公路位于西藏自治區拉薩市和山南市，設隧道穿越圭嘎拉山，圭嘎拉隧道具有平均海拔高、長度長、投資建設規模大等特點。圭嘎拉隧道長為12.8 km，呈直線型展布，最大埋深約為1 152 m。為了增加工作面，加快進度，便于通風和洞內防災減災，隧道中部設計了兩座主、副斜井，1號斜井全長為2 440 m，其中斜井進口埋深較淺段290 m為Ⅴ級圍巖，占全長的12%，其余Ⅳ級圍巖有2 110 m，占全長的88%。巖性單一，主要為灰黑色中風化板巖，巖層呈中厚層狀。

2 模型的建立和參數的選取

取圭嘎拉隧道1號斜井K1+040～K1+060里程段為研究段，根據研究段實際地質條件進行概化處理，該段隧道平均埋深為300 m。由圣維南原理可知，開挖、荷載等應力影響范圍為6倍隧道半徑，遠處所受的影響可以忽略不計[5]。因此，為了減小邊界條件對隧道計算模型的影響，隧道底部及左右兩側取距洞壁大于6倍隧道半徑的邊界范圍。模型寬為70 m，高為80 m，厚為20 m，網格尺寸為1 m/格，如圖1所示。

隧道采用全斷面法開挖，模型先在自重情況下達到初始平衡狀態，然后進行全斷面開挖運算。本構模型采用摩爾-庫倫模型，初襯采用SHELL結構單元，錨桿采用CABLE結構單元。模型隨開挖隨支護，錨桿長為3 m，排距為1 m，間距為1.2 m。模型各項物理參數如表1所示。

3 數值結果分析

3.1 對圍巖變形的影響分析

選取距開挖距掌子面0～15 m的距離，對不同開挖進尺的位移量和位移速率進行統計分析，其統計結果如圖2、圖3所示。

從圖2可以看出，由于隧道是循環開挖，隧道各位移曲線呈波浪狀變化。隨著隧道開挖的持續推進，整體上，隧道的拱頂沉降量和水平收斂量逐漸增大。隨著開挖進尺的增大，拱頂沉降量逐漸增加，沉降量從6.866 1 mm增加到7.239 3 mm;水平收斂量也逐漸增加，收斂量從12.320 5 mm增加到13.479 5 mm。開挖進尺每增加0.5 m，沉降量分別增加2.55%、1.03%、0.78%、0.96%，增長幅度不明顯，而收斂量分別增加3.85%、2.57%、1.61%、1.08%，增長幅度逐漸減小。

從圖3可以看出，隧道最大位移速率出現在掌子面后最近的一次循環開挖進尺范圍內，距離掌子面越遠，位移速率越小。隨著開挖進尺的增大，拱頂最大沉降速率從1.81 mm/d增加到3.769 19 mm/d;水平最大收斂速率從2.418 8 mm/d增加到4.550 6 mm/d。開挖進尺每增加0.5 m，拱頂最大沉降速率分別增加35.97%、21.29%、13.97%、10.79%，水平最大收斂速速率分別增加28.45%、17.92%、13.35%、9.57%。增長幅度隨著開挖進尺的增加逐漸減小。

3.2 對圍巖應力的影響分析

數值模擬結果顯示，隧道開挖完成后，隧道斷面周圍剪應力值比較大，最大剪應力值集中在拱頂和拱腳處。隨著開挖進尺的增大，最大剪應力值逐漸增加，從5.018 2 MPa逐漸增加到5.446 MPa。開挖進尺每增加0.5 m，最大剪應力值分別增加1.23%、4.43%、1.62%、1.02%。由此可見，開挖進尺越大，隧道斷面的最大剪應力值越大，隧道發生破壞的可能性越大。

4 結論

本文通過數值模擬方法，闡述了隧道不同開挖進尺對圍巖變形和應力變化的影響規律，得出以下結論。隧道開挖后，拱頂沉降量和水平收斂量隨著隧道斷面距離掌子面的距離增加而增大，而且增速隨著與掌子面的距離增加而減小，這與工程實際相符合，說明所建立的數值模型是正確的;隨著開挖進尺的增大，隧道的豎向位移和水平位移都是增大的，最大位移速率也隨循環進尺的增大而增大，圍巖的位移變形量和位移速率越大，誘發圍巖失穩的可能性也越大;隧道開挖后產生應力集中，隧道拱頂和拱腳處剪應力值較大，隨著開挖進尺的增大，最大剪應力值逐漸增大，隧道發生破壞的可能性越大。

參考文獻：

[1]王成.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]楊小林.隧洞開挖循環進尺的模糊分級統計法分析與研究[J].水利水電技術，2003（2）：37-39.

[3]杜彬.長梁山隧道水平軟弱圍巖地段施工效應分析[J].巖石力學與工程學報，2005（13）：2357-2361.

[4]王志達，龔曉南，蔡智軍.淺埋暗挖隧道開挖進尺的計算方法探討[J].巖土力學，2007（1）：497-500.

[5]蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.