隧道軟弱夾層段開挖變形與圍巖應力分析

摘要：通過數值模擬研究隧道建設推進過程中，軟弱夾層地表的變形規律和圍巖應力變化規律，結果表明：地表橫向沉降位移變化呈“W”形狀，每個階段右線地表沉降小于左線，其中階段III掌子面支撐作用降低；地表縱向沉降位移為最終沉降值的30%左右，當監測點與掌子面的距離增加至洞寬的1.5倍，地表沉降會趨于穩定；模型隧道在開挖后，隧道拱頂應力釋放，中夾巖最大主應力和最小主應力應力集中；拱腰和拱腳的最大和最小主應力右側均大于左測。

關鍵詞：隧道工程；軟弱夾層；變形規律；應力分析；數值模擬

0" "引言

鐵路公路建設不斷發展，導致隧道工程建設面臨的挑戰越來越大，環境因素、地質調節都是影響施工的阻礙。為能夠更好的做好預防措施，許多專家學者針對該問題開展相關研究。

田大鵬[1]基于公路隧道軟弱巖層變形開裂問題，推導出圓形隧道支撐作用時效性規律，并應用于實際工程中，通過對公路實際檢測，推導圍巖變形公式，從而預測圍巖變形規律。吳佳俊等人[2]基于高原地區某隧道工程為研究背景，通過數值模擬對隧道在開挖過程中的位移變化、應力因素等情況進行分析，得出開挖階段圍巖的變化規律。熊鵬等人[3]基于向量理論，構建軟巖隧道數值模型，依托工程實例對模型理論變形和實際變形進行對比分析，并最終得出隧道變形特點。

向寶山等人[4]基于實際工況，探究松散堆積體隧道結構變形規律，在此基礎上進行預防和加固措施，建立數值模型，對比模型與實際隧道的變化規律，并依據模型隧道提出適宜的圍巖加固措施應用于實際工況。陳春玲等人[5]以某隧道為研究背景，基于數值模擬研究不同直徑以及距離下的隧道穩定性，得出隧道涌水安全距離為6m，且隧道主要以豎向變形為主要變形方式。王銳等人[6]基于輸水隧道圍巖存在蝕變現象，通過室外試驗探究巖體的基本物理力學特性以及花崗巖的分布情況，為實際工況提供理論依據。

本研究以實際工況為研究背景，基于數值模擬，研究隧道掌子面開挖軟弱夾層時，開挖變形導致的地表沉降和圍巖應力變化規律，為后續工程提供參考。

1" "工程概況

本項目全線位于上饒市境內，沿線經過信州區、廣豐區，總體走向為自西北向東南。起點位于沙溪鎮白石村（起點樁號K0+432.086），與德上高速對接并改造現有上饒東樞紐互通，向東南經青巖村至東風村依次上跨浙贛鐵路、老G320、信江至秦峰鎮管家村設信州互通，經五爪山至路底村后上跨滬昆高鐵隧道沿新G320及山邊布線，跨新G320后至朝陽鎮青石村上跨吳楚大道，經紅星水庫西至青金村，設隧道下穿青金山進入廣豐區蘆林街道上呈村，經苗山村（洋口鎮）至五里居委設廣豐互通。本文以該處隧道為研究對象。

2" "模型建立

2.1" " 模型及參數

本文基于數值模擬軟件對隧道進行開挖特性研究，該模型開挖跨度12m，高度10m。模型上表面取至地表面，長和寬分別為120m和110m。隧道左右橫向距離為15m，橫向邊界距隧道外側36m，下邊界到洞底跨度為30m。模型軟弱夾層厚度超過1m，軟弱夾層與隧道斷面位置情況如圖1所示。模型建立部分結構采取單元加密形式，模型超過30萬個單元和6萬多個節點。

由于本研究主要研究隧道軟弱夾層淺埋段的開挖變形情況和圍巖應力規律，模型相關參數以勘探結果和力學設計規范為依據選用，圍巖物理參數如表1所示。

隧道模型采用C20濕噴混凝土，由于模型的錨桿和鋼架支護作用，以提升巖土的彈性模量來實現，因此本研究支護選用長度為3m的錨桿，間距150cm×150m，鋼拱架采用工字鋼，間距0.5m。

錨固后圍巖彈性模量一方面受到圍巖影響，另一方面受到錨桿影響，其彈性模量可表示為：

（1）

式中，E'、E以及E1分別為錨固后圍巖、圍巖以及錨桿的彈性模量；S1和S2分別為錨桿的排距和間距；r為錨桿半徑。而鋼架與混凝土支護的彈性模量為：

（2）

式中，Eα、E'α以及Eb分別為混凝土、鋼架與混凝土支護以及鋼架的彈性模量；S3和d分別為鋼架排距和混凝土厚度；A和l分別為鋼架截面面積和錨桿長度。結合兩種彈性模量，以及勘探資料和設計規范，支護后錨桿內圍巖的彈性模量為：

（3）

2.2" " 工況應用

模型結合實際工況，以隧道出口端為起點，進口端為終點開挖。模型開挖方式為臺階法，先行洞和后行洞掌子面間距超過20m，上下臺階高分別為6.5m和3.3m，間隔15m。本文主要對先行洞時最淺斷面圍巖變形以及后行洞開挖對先行洞圍巖的影響進行研究，基于此工程實況，模型分段計算，各階段掌子面布置情況如圖1所示，詳細描述如下。

階段I掌子面：先行洞開挖1.5m處，后行洞距離先行洞25m 處。

階段II掌子面：先行洞開挖3m、后行洞開挖3m。

階段III掌子面：先行洞開挖25m、后行洞開挖25m，但后行洞開挖斷面需要經過最淺斷面。

該模型通過縱向測線監測先行洞圍巖開挖時地表變形和圍巖應力情況，其斷面與測線交點位置如圖2所示。

3" "試驗結果分析

3.1" " 地表沉降變形分析

模型模擬最淺斷面地表橫向沉降位移和縱向沉降位移，對3個階段掌子面位移變化情況進行分析，具體情況如圖3和圖4所示。

由圖3可知，橫向沉降位移變化總體呈現“W”字母形狀。受到軟弱夾層影響，導致左側沉降值大于右側，且左線最大沉降偏向于右側。無論階段I、階段II以及階段III，每個階段右線地表沉降較小，且都小于左線。

由于埋深方面左線相較于右線較淺，只占右線的66%，因此左線斷面含有軟弱夾層3個階段所占比例分別為84%，79%以及92%。其中階段I和階段II的沉降值變化趨勢大致相同，但階段III則明顯不同于階段I和階段II，階段III在開挖后，左線和右線都發生了較大變化。當掌子面穿過最淺斷面時，由于掌子面模擬支撐的作用開始降低，導致左右線增加量占總沉降的60%和 61%。

由圖4可見，階段I和階段II在模型開挖后，其掌子面之前的地表出現一樣的沉降變化，其地表沉降值為掌子面之前拱頂沉降值的90%左右。通過對比分析圖4的階段I、階段II以及階段III可知，地表沉降值為最終沉降值的30%左右。隨著模型掌子面的推進，掌子面的后方出現更大范圍的沉降。當監測點與掌子面的距離增加，逐漸超過洞寬的1.5倍時，掌子面約束作用會開始減弱，地表沉降也會因此趨于穩定范圍。

3.2" " 圍巖應力分析

模型掌子面推進過程中，由于巖體情況是不同的，軟弱程度不一，導致隧道圍巖的應力變化也有較大差異。本研究以最淺斷面特征點巖體最大和最小主應力為對象，分析模型隨掌子面開挖過程中的變化規律，具體情況如表2和表3所示。

由表2和表3可知，模型隧道在開挖后，隧道拱頂應力由未開挖時的149kPa和433kPa，到階段III的257kPa和2kPa，最大主應力和最小主應力均大幅減小，屬于應力釋放。而中夾巖最大主應力和最小主應力明顯增加，屬于應力集中。

模型拱腰和拱腳的最大和最小主應力都是右側大于左測，這是由于掌子面推進過程中圍巖切應力變大，模型拱腰和拱腳處應力集中，隧道右側應力集中更加明顯。隨著模型掌子面的推進，模型拱腰和拱腳的最大主應力在逐漸變大，而其最小主應力則在逐漸變小。最大主應力中，拱腳的應力增大幅度遠大于拱腰，但最小主應力中，拱腳的應力減小幅度則小于拱腰。

4" "結論

本文通過數值模擬并結合實際工況，研究隧道經過軟弱夾層時，地表沉降和圍巖應力變化規律，得出以下結論：

地表橫向沉降位移變化呈“W”字母形狀，每個階段右線地表沉降小于左線。開挖階段I和階段II的沉降值變化趨勢大致相同，但階段III在開挖后，掌子面支撐作用降低，左、右線增加量占總沉降的60%和61%。

地表縱向沉降位移變化中，地表沉降值為最終沉降值的30%左右，掌子面的后方出現更大范圍的沉降。當監測點與掌子面的距離增加到一定值時，地表沉降會趨于穩定。

模型隧道在開挖后，隧道拱頂的最大主應力和最小主應力均大幅減小，應力釋放。而中夾巖的最大主應力和最小主應力明顯增加，屬于應力集中。

模型拱腰和拱腳的最大和最小主應力都為右側大于左測，掌子面推進，拱腰和拱腳最大主應力在逐漸變大，最小主應力會逐漸變小。

參考文獻

[1] 田大鵬.楊林隧道圍巖支護相互作用時效性規律研究[J].地下空間與工程學報， 2021，17：616-622.

[2] 吳佳俊，胡祖棟.基于FLAC3D的隧道施工數值模擬及現場監測分析[J].工程建設， 2021，53（11）：66-72.

[3] 熊鵬，饒軍應，孔德禹等.基于支持向量機的軟巖隧道大變形預測模型及應用[J].水利規劃與設計， 2021（12）：140-148.

[4] 向寶山，吳枋胤，白皓，等.松散堆積體隧道圍巖變形特征及圍巖加固技術研究[J].公路，2021，12（12）：403-409.

[5] 陳春玲，許培.基于數值模擬的頂部巖溶隧道圍巖穩定性分析[J].土工基礎， 2021，35（6）：723-736.

[6] 王銳，胡坤生，張延倉，等.羅田-鐵崗輸水隧洞圍巖蝕變花崗巖特性[J].人民長江，2021，52（6）：79-82.