側壓力系數對含空洞地層隧道開挖的影響

高情義 李燕紅

（云南展旭工程咨詢有限公司，云南 曲靖 655000）

我國地域遼闊、地理條件復雜，地層中普遍存在空洞和暗河等結構缺陷，是地下工程經常面臨的潛在安全風險。依據統計，空洞導致地層塌陷引發的地下施工安全事故占地下施工安全事故總數的30%。

隧道開挖引起原地應力重分布，導致地層處于不平衡狀態，尤其是含空洞的部位應力比較集中。開挖擾動很容易造成含空洞的部位空洞結構失穩，進而導致開挖斷面坍塌，為地下施工埋下安全隱患。

因為隧道擁有線狀結構物的特點，所以開挖后的施工斷面處于不同的應力環境。在開挖擾動后，不同的應力條件對地層穩定性的影響不同。應力條件的不同，加上含地層空洞的結構缺陷，導致開挖斷面坍塌的機率大幅增加。因此，有必要模擬研究在不同應力環境下，含空洞地層中的開挖隧道斷面，為含空洞地層開挖擾動災變事故提供一定的理論指導和風險預測。

一、工程依托

依托重慶某隧道模擬數值，把地層假設為均質地層，計算均按照平面應變模型分析。初始側壓力系數λ為0，隧道開挖為全斷面開挖，斷面形狀為馬蹄形，跨徑8m，拱高7.5m。

二、模型參數及網格模型

利用有限元差分軟件flac3d建模，隧道半徑為8m。根據理論經驗，取大于等于6倍隧道半徑為模型邊界范圍，因此模型尺寸為48m×2m×52m（X×Y×Z）。邊界約束條件為，X軸方向和Y軸方向為水平約束，Z軸方向為垂直XY底面約束，頂部為自由面。采用六面體網格建模，共劃分1152個單元，1546個節點，模型采用摩爾庫倫彈塑性模型，計算方法為先平衡含有空洞地層初始地的應力，再模擬不同側壓力系數條件下的隧道全斷面開挖。圓形地層空洞位于隧道頂部，凈距2m、半徑1m。巖土體基本物理參數如表1所示。

三、模擬結果分析

分別模擬側壓力系數在0至1之間變化的情況下，地層空洞位于頂部的隧道在全斷面開挖擾動時，圍巖的應力和位移狀態。

（一）不同側壓力系數下的最大主應力分析

在不同側壓力系數的作用下，隧道的開挖圍巖從原來的三向應力狀態變為兩向應力狀態，發生了應力重分布。

最大主應力隨著側壓力系數的增加逐漸增加。隧道頂部與空洞相連的范圍之內，主應力重分布范圍不斷擴大。隧道全斷面開挖圍巖應力調整范圍也主要集中在隧道開挖斷面頂部與空洞相連的范圍之內。

表1 巖土體基本物理參數

圖1 不同側壓力系數的塑性區

圖2 不同側壓力系數豎向位移

如果定義拉應力為正，壓應力為負。拉應力主要集中在隧道頂部和地表，是隧道開挖容易坍塌的原因，也是反映實際施工過程中地表出現拉裂縫的力學因素。但是，隨著側壓力系數的增大，地表拉應力范圍逐漸減小，說明側壓力系數對地表開裂的影響較大，當隧道所處地質環境較差時，地下開挖導致的地表開裂現象最為普遍。

（二）不同側壓力系數下的塑性區分析

如圖1所示，隨著側壓力系數的增加，開挖圍巖塑性區范圍不斷增加，在空洞和隧頂處塑性區貫通的范圍逐漸擴大，隧道拱側塑性區呈現與空洞塑性區貫通的趨勢，隧道拱腰處塑性區的活動比其他部位明顯，這是因為隧道開挖后在拱頂出現拉應力，拱腰側出現壓應力。近地表層也會出現不同的塑性區影響范圍，根據pece公式的計算推演顯示，在開挖淺埋隧道時，最先出現的大范圍開裂破壞通常發生在地表沉降曲線率最大的地表。

（三）不同側壓力系數下的豎向位移分析

如圖2所示，隨著側壓力系數的增加，在隧道頂部與空洞之間的圍巖豎向位移不斷地增大，同時拱頂圍巖受擾動范圍也有增大趨勢，圍巖向隧道斷面內收斂。拱頂最大位移約為0.246cm，拱底最大位移約為0.137cm。對比側壓力系數為0的位移云圖發現，側壓力系數對拱頂位移和拱底位移的影響都較大。

四、結語

本文依托重慶某隧道開挖工程，模擬了在不同側壓力系數作用下，近拱頂含空洞全斷面開挖的數值，主要得出以下結論。

最大主應力隨著側壓力系數的增加而逐漸增加。隧道頂部與空洞相連的范圍之內，主應力重分布范圍不斷地擴大。

隧道全斷面開挖時，圍巖應力的范圍主要集中在隧道開挖斷面頂部與空洞相連的區域，拉應力主要集中在隧道頂部和地表。這是隧道開挖容易坍塌的原因，也與實際施工過程中地表出現拉裂縫的現象相符，但是隨著側壓力系數的增大地表拉應力范圍逐漸減小，說明側壓力系數對于地表開裂影響較大。

隨著側壓力系數的增加，開挖斷面圍巖塑性區范圍不斷擴大，在空洞和隧頂處塑性區貫通的范圍逐漸擴大，隧道拱側塑性區出現與空洞塑性區貫通的趨勢，隧道拱腰處塑性區活動比其他部位更明顯。

隨著側壓力系數的不斷增大，在隧道頂部與空洞之間的圍巖豎向洞內收斂位移不斷增大，拱頂擾動范圍也有增大的趨勢，同時拱底隆起位移也會受到側壓力系數的影響。