考慮構造應力場作用下新旗下營隧道塌方段的數值模擬

李文俊 韓煬 張海東

1.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司測繪分院 廣東 廣州 511400

2.石家莊鐵道大學土木工程學院 河北 石家莊 050000

隨著國內經濟的快速發展，隧道及地下工程開發越來越多，但由于隧道施工地質條件和周圍環境的復雜性，以及隧道開挖施工的管理等人為原因影響，隧道開挖過程中塌方事故時有發生，塌方不僅造成工程施工進度及經濟性的損失，也嚴重威脅著現場施工人員安全。因此，對塌方原因及影響需做深入研究，以便于后續針對性的提前防范和處理，保證后續隧道施工及運營安全。國內外學者對塌方的影響因素進行了大量研究。劉國偉[1]以山西白龍山隧道為例，采用三維有限元模擬分析得出隧道軸線方向上的初始地應力場特征,發現區內存在較高地應力場區域。駱俊暉[2]等人基于Midas模型下考慮構造應力場深埋隧道圍巖穩定性進行了研究，通過對受力、變形特點進行分析，得出了其分布規律，為類似工程提供了參考。陳強[3]等人針對秦嶺越嶺長隧道地區構造應力進行了分析，得出了主應力作用方式基本為水平擠壓或水平拉伸特征。

本文依托新旗下營隧道，通過對塌方段進行三維計算模型，從塌方斷面位移變化、支護結構應力狀態以及圍巖塑性區分布等三個方面對有無構造應力場狀態下的隧道塌方段進行分析，為后續隧道塌方的治理研究提供參考。

1 工程概況

隧址所在地為陰山山脈東部，山體受大黑河侵蝕導致山體較為陡傾，地形高地起伏大，地下水賦存狀態為第四系空隙潛水，晝夜溫差大，受蒙古及西伯利亞高壓影響常伴有大風和寒潮。主要地層為第四系全新細圓礫土、加里東期閃長巖、坡積碎石土，太古界大理巖等。同時由于隧址屬華北地臺，涼城斷隆與陰山斷隆的相交處，受侵入性巖體擠壓作用影響，山體巖層較破碎，裂紋廣泛分布，隧道施工時極易發生坍塌。

2 數值模擬

2.1 模型建立

分別考慮兩種不同的工況，即僅自重應力（工況1）和自重應力加構造應力（工況2），利用巖土專用常用有限元分析軟件Midas GTS，建立隧道塌方段數值模型，以圣維南原理為依據，以地表平面為上邊界，坡度為30°，拱頂到平面距離為60m，以3～5倍的洞高約50 m范圍作為下邊界，取隧道左右邊界輪廓線3～5倍洞徑120m范圍作為 XZ平面，基于隧道開挖縱向效應和隱伏斷層分布范圍的因素，沿Y軸縱向取100m。參考相關TSP探測結果、地勘資料等，隧道軸線與斷層以60°傾角相交，以30 m的斷層及其影響寬度建模。

2.2 計算參數

根據地勘資料及相關規范確定整個模型計算中各單元結構物理力學參數，由于本隧道發生塌方段未施作二次襯砌，因此僅有初期支護的支撐作用，對鋼支撐、鋼筋網片及噴射混凝土之間的彈性模量進行換算，保證上述支護結構均能充分發揮支撐效果，計算公式(1)為：

確定后的圍巖及支護結構參數如下表1所示。

表1 圍巖及支護結構數值模擬參數表

2.3 開挖工法模擬

根據工程地質及工期要求，Ⅳ圍巖采用三臺階法施工，每循環開挖深度2m，臺階間間隔長度為6m，三臺階法施工工序橫斷面示意圖見圖2。有限元模擬時運用Midas GTS施工階段助手，通過“鈍化R”、“激活A”模型中邊界條件、各單元及荷載等方式，模擬隧道開挖過程，具體模擬開挖工序如圖1所示。

圖1 臺階法施工工序橫斷面示意圖

圖2 考慮構造應力場豎向沉降沉降位移

3 數值模擬結果及分析

3.1 初期支護位移

3.1.1 塌方段整體位移

初期支護位移變化包括豎向位移（拱頂沉降）、水平位移（凈空收斂）等，現場通過對隧道上述位移的不間斷監測，分析初期支護位移變化趨勢，判定隧道施工安全性，同時也作為優化開挖方法和調整設計支護參數的重要依據，豎向拱頂沉降總位移與水平凈空收斂總位移分別如圖2、圖3所示。

圖3 考慮構造應力場水平凈空收斂位移

開挖施工完成后，隧道縱向即沿數值模擬Y方向上，斷層內各初期支護斷面豎向沉降位移呈起伏狀態，其中斷層內拱頂和仰拱位置豎向位移最大。XZ平面內隧道截面中心線左右120°范圍內隧道豎向位移大致呈拱形分布，隨著距離的增大擾動逐漸減小。工況1 在僅考慮自重應力影響下，拱頂最大沉降值達到40.13mm，仰拱隆起的最大位移值仍達到38.69mm。在同時考慮自重應力及構造應力作用下的工況2中拱頂沉降最大值42.65mm，仰拱隆起最大為40.72mm。通過工況1與工況2最大值對比發現，工況2的豎向位移較工況 1分別增加了6.27%，5.24%，說明構造應力場對初期支護豎向位移有一定影響，兩種工況下豎向位移均發生較大位移，施工過程中拱頂的初期支護極易被破壞進而產生塌方事故，應加強支護。

隧道初期支護受地形偏壓的影響，水平收斂位移變形呈不對稱分布，側墻及拱腰位置水平收斂位移較大，處在斷層范圍內則水平收斂位移更大。只考慮自重應力影響的工況1中水平收斂最大為29.59mm，在同時考慮自重應力及構造應力場作用下的工況2中受水平最大主應力的作用其水平收斂最大值達到34.23mm，較工況1的水平收斂最大值增加15.68%。對比前后工況1、2對初期支護位移值的影響可以得知構造應力場對隧道初期支護水平收斂位移的影響要大于豎向位移。

3.1.2 塌方斷面位移分析

為準確掌握隧道塌方斷面位移變形，在DK587+926塌方斷面，計算模型Y=45m處，分別在拱頂、拱腰及仰拱等處設置監測點，最后把三處位置數值模擬得出的監測數據繪制成圍巖位移與分析階段的曲線，見圖4所示。

圖4 塌方段斷面水平收斂曲線

根據上述模擬得出圖形及數據得出，隧道開挖到塌方處時的拱頂沉降值約占其最終沉降的30% ，水平凈空收斂值約占其最終位移的50%，仰拱豎向隆起值約占其最終位移的25% ，說明隧道開挖施工對圍巖有明顯擾動作用，現場施工時應注重開挖完成后支護的時效性。工況1條件下模擬得出的最終拱頂、收斂及仰拱隆起數據分別為33.31mm、27.74mm、37.81mm，工況2對應數據分別為35.22mm、31.22mm及39.31mm。對比不同工況下相同位置處的圍巖位移數據可知，工況2 拱頂沉降、水平收斂以及仰拱隆起的數值較工況1分別提高了5.73%、11.15%、3.97%，說明構造應力場對軟弱斷面變形有一定影響，其中對水平收斂位移變形影響更為明顯。

3.2 支護結構應力分析

為了解掌握塌方處支護結構應力狀態，進行支護結構應力狀態模擬計算，具體范圍為塌方斷面2m，計算模型Y=45～47m處，分別得出兩種不同工況條件下最大主應力、最小主應力、最大剪應力云圖。計算得出工況2中主要位置應力值。如下表2所示。

表2 工況2條件下支護結構應力值

不同工況下的不同應力值可以看出，在構造應力場影響下，相比較僅考慮自重應力場，支護結構最大主應力、最小主應力及最大剪應力分別提高了8.72%、7.45%、18.35%，由上述數值可知，剪應力受構造應力場影響最大。同時由上表可知，豎向壓力主要影響位置為拱頂和仰拱，水平應力主要影響位置為拱腰和拱腳，隧道塌方處的支護結構受力特征主要表現為大部分支護結構受壓應力，仰拱受拉應力為主，其中壓應力和剪應力在拱腰位置最大，達到18.95MPa和7.35MPa，超過初期支護C25噴射混凝土的極限抗壓強度和極限抗剪強度，因此在后續施工中應對拱腰位置加強支護和監測，防止噴射混凝土由于變形而剝落掉塊。

3.3 圍巖塑性區分析

隨著隧道開挖的進行，對隧道周圍圍巖應力會進行再分布，為了解應力再分布后對隧道穩定性的影響，對開挖后圍巖應力分布數值模擬，形成的圍巖塑性區云如圖5所示。

圖5 工況2塑性區云圖

由上述圍巖塑性區云圖可知，隧道開挖使得一部分圍巖達到塑性狀態，形成一定范圍的塑性區域，該區域以類似“蝴蝶型”分布，拱腰和拱腳位置應力相對集中，在構造應力場的作用下，塑性區沿洞周延伸，其中水平向延伸要大于豎向延伸。

4 結束語

本文主要以新旗下營隧道塌方為依托，結合隧道塌方的成因，分別在有無構造應力場條件下對隧道塌方段進行數值模擬分析，通過分析有以下結論：

（1）隧道塌方段豎向位移在XZ平面內大致呈拱形分布，且在斷層范圍內沿Y方向起伏較大，其豎向位移變形最大值位于拱頂和仰拱位置。受地形偏壓的影響，水平位移分布不對稱，其變形最大值位于拱腰和側墻位置。相較工況1僅考慮自重應力，在工況2增加考慮構造應力場的條件下，塌方段拱頂沉降、仰拱隆起及水平收斂分別達42.65mm，40.72mm及34.23mm，較工況1分別提高了6.27%、5.24%、15.68%，構造應力場對水平位移影響相對較大。

（2）通過塌方斷面位移分析可以看出，圍巖變形基本經歷緩慢增大、快速增大、趨于穩定三個階段，且通過模擬結果可知，在到達塌方斷面前圍巖已發生部分變形，表面前期隧道開挖對圍巖存在較大擾動，開挖后應及時支護。

（3）隧道塌方斷面支護結構以受壓為主，其中拱腰和拱腳為主要受壓位置，拱腰位置壓應力和剪應力最大，施工中極易發生破壞，進而產生初支剝落掉塊。在考慮構造應力場的作用下，支護結構的最大主應力、最小主應力、最大剪應力分別提高了8.72%、7.45%.、18.35%，構造應力場對剪應力影響較大。

（4）塌方段塑性區在拱腰和拱腳位置呈“蝴蝶型”分布，考慮構造應力場的作用下，塑性區沿洞周延伸，水平延伸略大于豎向延伸。