基于MIDAS/GTS NX的偏壓隧道施工階段圍巖穩定性數值模擬研究

汪振眾

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

我國國民經濟飛速發展，基礎設施建設日益完善，中心城市及周邊地區已接近飽和，而在經濟欠發達地區或者地質條件復雜區域的交通基礎設施建設仍有待進步。隧道工程在公路、鐵路建設過程中通常起到控制性工程的作用。在我國一些偏遠地區，受地質條件、經濟因素及施工技術等方面的限制，偏壓隧道時有出現，修建過程中也會面臨種種困難，因此有必要對偏壓隧道的圍巖穩定性做進一步研究。

我國學者對偏壓隧道的研究取得了較為客觀的成果。代樹林等[1]通過數值模擬方法研究了不同坡比和處治措施對隧道圍巖穩定性的影響，結果表明削坡法處治措施最佳。張征亮等[2]通過數值模擬方法分析了不同偏壓情況隧道的圍巖變形與襯砌受力情況。朱正國等[3]基于比爾鮑曼理論得到隧道開挖后圍壓體塌落拱曲線，并通過作圖法確定了偏壓隧道側覆土厚度的計算方法。邵江等[4]通過室內試驗與數值模擬相結合的方法對不同滑坡帶角度下的滑坡側推力對隧道襯砌結構的受力影響進行了研究，并掌握了滑坡推力作用下隧道襯砌結構的受力特征。盧偉等[5]基于雙強度折減理論對淺埋偏壓圍巖穩定進行了數值模擬研究，探究了以特征部位的應力、位移及塑性區分布情況作為判斷隧道圍巖穩定性的依據。張成良等[6]對起鳳山隧道的側覆土厚度進行了數值模擬研究。胡煒等[7]為研究順層偏壓隧道圍巖的破壞模式，采用數值模擬和理論分析手段對其進行了分析，并根據圍巖的破壞形態及應力分布特征提出了錨桿支護方案。

總結上述研究發現，已有研究多側重于圍巖和襯砌的變形與受力情況，而對側覆土厚度導致的圍巖時空演化規律研究較少。為了更深入地掌握側覆土厚度對隧道圍巖時空變形的影響規律，本文結合遼寧某在建隧道偏壓段的工程實際，采用MIDAS/GTS NX有限元數值模擬方法對不同側覆土厚度下隧道圍巖的拱頂變形隨時間、空間的分布規律進行研究，為偏壓隧道設計與施工提供可靠的技術支持。

1 隧道數值模擬方案設計

遼寧某在建隧道位于遼寧省阜新市境內，全長1 037 m，最大埋深154 m，為左右兩幅分離式隧道。在隧道選線過程中，受地形地貌、地質斷層及隧道高程等條件限制，右幅隧道存在較為嚴重的偏壓情況，且側覆土厚度不均，其中最小側覆土厚度僅為4.9 m。本文以該隧道右幅作為研究對象，分析不同側覆土厚度對隧道圍巖穩定性的影響。側覆土厚度的具體計算方法可參閱文獻[6]。

為節省數值模擬計算時間，同時考慮邊界效應的影響，單幅隧道左右邊界距隧道中心不少于2.5倍洞跨，隧道設計跨度為17.3 m，則模型水平方向計算寬度取110 m，模型底部邊界距隧道仰拱不少于3倍洞高，隧道設計洞高為11.1 m，底部邊界與仰拱之間距離取45 m，模型縱向長度取100 m，隧道側覆土厚度取5、10、15和20 m。本文隧道圍巖等級為Ⅳ級，計算模型采用M-C強度準則，隧道及圍巖采用各向同性的三維實體單元，材料本構模型采用M-C強度準則；隧道襯砌采用二維板單元結構，錨桿采用一維植入式桁架結構，二者均采用彈性本構模型進行計算，隧道網格采用混合四面體網格。偏壓隧道數值計算模型見圖1。隧道采用預留核心土開挖方法，根據現場實際情況，以每循環2 m/d的施工進度進行開挖作業。

圖1 偏壓隧道計算模型

參考工勘報告，并結合《公路隧道設計規范》中各物理參數的取值范圍，給出了本文數值模擬參數的取值見表1。

表1 材料物理力學參數

2 偏壓隧道數值模擬結果分析

圖2為側覆土厚度5 m和20 m時偏壓隧道豎直方向位移云圖。從圖中可以看出，偏壓隧道最大沉降和隆起位移分別發生在拱頂和拱底周圍區域。當側覆土厚度為5 m時，隧道最大沉降位移發生在左拱肩位置處，最大隆起位移發生在右側拱底處，且在與隧道拱腰高度近似平行的偏壓坡面出現較為明顯的隆起位移；隨著側覆土厚度的逐漸增大，當側覆土厚度為20 m時，偏壓隧道的最大沉降位移由左側拱肩處逐漸向拱頂轉移，最大隆起位移逐漸由右側拱底逐漸向中心拱底轉移，隧道的整體位移逐漸由傾斜方向轉變為豎直方向，近似呈水平對稱分布，且在與隧道拱腰高度近似平行的偏壓斜坡隆起現象逐漸消失，說明側覆土厚度較薄時，隧道開挖后極易造成斜坡附近巖土體產生滑移破壞。

圖2 豎向位移云圖(豎直方向)

3 隧道圍巖變形時空演化規律分析

3.1 監測點布設

為分析不同側覆土厚度下隧道拱圈附近圍巖變形隨時間和空間的變化情況，分別設置監測點及監測斷面如圖3所示，圖3(a)中A點為拱頂沉降監測點，B、C點分別為周邊收斂位移監測點，圖3(b)中監測斷面A1、A2、A3、A4和A5分別對應隧道長度0、25、50、75和100 m。

圖3 圍巖變形隨時間、空間變化監測點布設

3.2 隧道圍巖變形的時間效應分析

以監測斷面1為例，不同側覆土厚度下隧道圍巖變形隨時間分布曲線見圖4。其中圖4(a)為不同側覆土厚度下拱頂沉降隨時間分布曲線，圖4(b)為不同側覆土厚度下周邊收斂隨時間分布曲線。從圖4(a)中可以看出，不同側覆土厚度下隧道拱頂沉降隨時間的分布規律基本相同，在開挖20 d內，隧道拱頂圍巖表現為加速變形；在開挖20～45 d內，曲線走勢逐漸趨緩，曲線斜率逐漸減小；在開挖45 d以后，拱頂沉降曲線基本呈水平直線狀，曲線斜率幾乎為零。從圖4(b)中可以看出，周邊收斂曲線分區與拱頂沉降之間具有較為明顯的差異，周邊收斂加速區約為35 d左右；在第35～60 d之間，周邊收斂變形開始放緩，但仍繼續增大；在開挖第60 d后隧道圍巖進入平穩階段。從圖中還可以發現，隨著側覆土厚度的逐漸增大，隧道圍巖拱頂沉降和周邊收斂均呈逐漸遞增趨勢，其中，側覆土厚度為5 m時的周邊收斂位移均為正值，說明隧道整體均向偏壓側移動，推斷此時隧道正處于滑坡帶內，極易造成坍塌失穩。因此，在進行偏壓隧道施工應嚴格控制側覆土厚度。不同側覆土厚度下隧道圍巖最終變形統計結果見表2。

表2 不同側覆土厚度下隧道圍巖最終形變量

圖4 同一監測斷面不同側覆土厚度下隧道圍巖變形-時間分布曲線(監測斷面1)

3.3 隧道圍巖變形的空間效應分析

根據圖3(b)，以監測斷面2為例對拱頂沉降進行分析，圖5為同一監測斷面不同側覆土厚度下隧道掌子面在向前推進過程中的拱頂沉降曲線，每5 m間隔記錄一次數據，從圖中可以看出，不同側覆土厚度下監測斷面2的拱頂沉降曲線在不同位置處的變化趨勢基本一致，在監測斷面后方25 m處，即隧道未開挖時，監測斷面2的拱頂沉降值為零，見圖5(a)；隨著掌子面向前掘進，當開挖至監測斷面2時，拱頂沉降值陡增，見圖5(b)；當掌子面超過監測斷面后，監測斷面2的拱頂沉降值繼續增大，但增幅開始減小，即曲線斜率逐漸趨緩，見圖5(c)；圖5(d)為距監測斷面前方50 m處的拱頂沉降曲線，此時的拱頂沉降值繼續增大，曲線斜率繼續趨緩，并最終趨于穩定，見圖5(e)。不同側覆土厚度、不同位置處的拱頂沉降量統計結果見表3。

圖5 同一監測斷面不同側覆土厚度下拱頂沉降-空間分布曲線(監測斷面2)

表3 不同側覆土厚度、不同位置處拱頂沉降量統計結果

4 結論

文章以遼寧某在建隧道偏壓段為工程背景，采用MIDAS/GTS NX有限元數值模擬軟件對不同側覆土厚度下偏壓隧道圍巖拱頂沉降的時空演化規律進行了數值模擬研究，具體結論如下：

(1)當側覆土厚度較小(d=5 m)時，隧道最大沉降位移發生在左拱肩位置處，隨著側覆土厚度的逐漸增大，當側覆土厚度較大(d=20 m)時，偏壓隧道的最大沉降位移由左側拱肩處逐漸向拱頂轉移，隧道的整體位移逐漸由傾斜方向轉變為豎直方向，近似呈水平對稱分布，說明側覆土厚度較薄時，隧道開挖后極易造成斜坡附近巖土體產生滑移破壞。

(2)不同側覆土厚度下隧道拱頂沉降隨時間的分布規律基本相同，在開挖20 d內，隧道拱頂圍巖表現為加速變形；在開挖20～45 d內，曲線走勢逐漸趨緩，曲線斜率逐漸減小；在開挖45 d以后，拱頂沉降曲線基本呈水平直線狀，曲線斜率幾乎為零。隨著側覆土厚度的逐漸增大，隧道圍巖拱頂沉降呈逐漸遞增趨勢。

(3)不同側覆土厚度下監測斷面2的拱頂沉降曲線在不同位置處的變化趨勢基本一致，在監測斷面后方25 m處，即隧道未開挖時，監測斷面2的拱頂沉降值為零；隨著掌子面向前掘進，當開挖至監測斷面2時，拱頂沉降值陡增；當掌子面超過監測斷面后，監測斷面2的拱頂沉降值繼續增大，但增幅開始減小，即曲線斜率逐漸趨緩；當掌子面距監測斷面前方50 m時，拱頂沉降值繼續增大，曲線斜率繼續趨緩，并最終趨于穩定。