深埋隧洞開挖進尺比選分析

袁富寧

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450046）

0 引言

隧洞開挖后，受到應力重分布的影響，圍巖會產生收斂變形，變形過大可能會造成圍巖失穩，從而危害施工安全［1］。對于深埋隧洞，由于受構造應力影響，表現出不同于淺埋隧洞的力學特性，其穩定性受多種因素影響［2］。其中，開挖進尺對深埋隧洞變形的影響不可忽視。許多學者通過現場監測、數值模擬等方式對隧洞洞壁位移、應力變化規律進行了研究［3-5］。本研究以西藏某深埋引水隧洞為研究對象，分析該工程的最佳開挖進尺。

1 工程概況

研究區引水隧洞為圓形隧洞，洞徑9.2 m，布置在西藏易貢藏布右岸，隧洞軸線距易貢藏布岸坡距離為600～1 800 m，埋深一般為300～800 m。隧洞所處區域地應力以構造作用為主，最大水平主應力約為巖體自重應力的1.5 倍，最小水平主應力約等于巖體自重應力，圍巖主要為板巖，其次為前奧陶系雷龍庫巖組的石英砂巖夾石英片巖和古近紀侵入灰色中細粒黑云母二長花崗巖。

2 模型建立

數值模擬軟件采用FLAC3D，計算采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型。由于引水隧洞直徑為9.2 m，為減少“邊界效應”影響，設置隧洞中心到邊界的距離為3～5倍的洞徑，建模時橫向從隧洞軸線位置向兩側各取40 m，豎向從隧洞軸線位置上下各取30 m，隧洞軸向取30 m，即模型尺寸為80 m×60 m×30 m。圍巖部分網格尺寸最大2 m，隧洞部分網格加密處理，為0.5 m，模型示意如圖1所示。

圖1 模型示意

對模型的四周和底部施加法向位移約束，根據上覆地層（地表至模型上邊界距離分別為270 m、520 m 和770 m）自重應力的計算結果，對頂部施加垂直應力，模型內部初始水平地應力沿x方向為1.5倍的巖體自重應力，沿y方向為1.0倍的巖體自重應力。以板巖為代表性巖體，材料參數見表1。分別模擬300 m、550 m 和800 m 埋深下開挖進尺為2 m、3 m、4 m 和5 m 的隧洞開挖，以第一進尺穩定結果為依據分析隧洞變形、應力變化及塑性區情況。

表1 材料參數

3 數據分析

3.1 位移分析

不同埋深下隧洞各位置變形大小隨開挖進尺變化情況如圖2 所示。由圖2 可知，開挖進尺相同時，隨著埋深的增加，隧洞拱頂豎向位移、側壁水平位移和掌子面軸向位移都存在增大的趨勢。在埋深一定的條件下，當開挖進尺小于3～4 m 時，掌子面軸向位移最大，側壁水平位移次之，拱頂豎向位移最小；當開挖進尺在3～4 m 時，掌子面軸向位移和側壁水平位移大小相似，且大于拱頂豎向位移；當開挖進尺大于4 m 時，側壁水平位移最大，掌子面軸向位移次之，拱頂豎向位移最小。因此，基于掌子面后期仍會不斷推進，在對隧洞施作支護措施時，應對側壁區域進行加強處理。

圖2 不同埋深下隧洞變形隨開挖進尺變化曲線

研究區內引水隧洞的開挖進尺變化主要對拱頂和側壁位移產生影響，側壁位移和拱頂位移隨開挖進尺的增加整體上呈勻速增大趨勢，而掌子面軸向位移雖然會隨埋深的增加而增大，但是當埋深相同時，其位移大小隨開挖進尺的增加變化不明顯，僅在微小數值范圍內產生波動。因此在施工開挖進尺選取時，應主要考慮拱頂和側壁的位移對隧洞圍巖穩定的影響，掌子面位移可作為次要參考。

3.2 應力分析

各埋深下隧洞開挖后圍巖應力集中區域如圖3 所示（以開挖進尺3 m 為例）。300 m-3 m 代表埋深為300 m 且開挖進尺為3 m，下圖相同。由圖3可知，由于初始主應力方向相同，盡管埋深差異較大，開挖后的應力集中區域都主要出現在拱頂上方和拱底下方，埋深300 m 和埋深550 m 時掌子面和隧洞輪廓面交界處也出現了應力集中情況，當埋深為800 m 時，應力集中現象僅出現在拱頂上方和拱底下方。

圖3 不同埋深下圍巖應力集中分布區域

不同埋深及開挖進尺條件下，隧洞圍巖應力集中最大值和集中區域相對拱頂及拱底距離見表2。由表2可知，開挖進尺和埋深對應力集中大小及范圍有較大影響。以300 m 埋深為例，當開挖進尺從2 m 增加至5 m 時，應力集中區最大應力值從14.69 MPa 增加至18.68 MPa，相對拱頂和拱底的距離從0.5～2.2 m 增加至0.9～2.2 m，即應力集中區逐漸遠離隧洞。以開挖進尺3 m 為例，當埋深從300 m 增加至800 m 時，應力集中區最大應力從16.75 MPa 增加至41.45 MPa，相對拱頂及拱底的距離從0.5～2.2 m 增加至1.0～3.0 m，不僅應力集中區距離隧洞更遠，且范圍更大。基于深部巖體中應力集中區遠離開挖輪廓面為宜的理念，開挖進尺選取3～4 m更為合適。

表2 應力集中大小及位置

3.3 塑性區分析

各埋深下隧洞開挖后圍巖塑性區分布如圖4所示。以開挖進尺3 m 為例（相同埋深下，不同開挖進尺產生的塑性區形態相似），塑性區主要分布于拱頂及拱底，隨著埋深增至550 m，塑性區向拱腰處擴展，但主要還是位于拱頂及拱底，隨著埋深增至800 m，洞周圍巖都出現塑性區，且塑性區的分布更加均勻。

不同埋深及開挖進尺條件下，隧洞圍巖塑性區深度及體積見表3。由表3 可知，開挖進尺和埋深對塑性區深度及體積有較大影響，以300 m 埋深為例，當開挖進尺從2 m 增加至5 m 時，塑性區深度從0.5 m 增加至1.3 m，塑性區體積從12.95 m3增加至55.07 m3，這與開挖進尺增大后導致隧洞臨空面積增大有關。以開挖進尺3 m 為例，當埋深從300 m增加至800 m時，塑性區深度從0.8 m增加至1.2 m，塑性區體積從17.55 m3增加至92.52 m3。由此可知，埋深一定時，塑性區深度隨開挖進尺的增加整體上呈線性增大趨勢，但是塑性區體積增大速度在開挖進尺大于3 m 時大幅增加，因此開挖進尺選擇3 m更加合適。

表3 塑性區深度及體積

4 結論

①研究區引水隧洞開挖后拱頂豎向位移、側壁水平位移及掌子面軸向位移隨埋深的增加而增大，開挖進尺對掌子面軸向變形影響很小，側壁位移和拱頂位移隨開挖進尺的增加整體趨勢為勻速增大。由于側壁位移總是大于拱頂位移，支護時應重點關注側壁位移，加強支護。

②隧洞圍巖的應力集中區總是位于拱頂上方和拱底下方，為盡量使其遠離隧洞輪廓面并減小應力，開挖進尺選擇3～4 m較為合適。

③隧洞圍巖塑性區分布隨埋深的增加逐步由拱頂及拱底向拱腰處擴展，并最終覆蓋洞周圍巖，其深度隨開挖進尺的增加整體趨勢為勻速增大。考慮塑性區體積增大速度在開挖進尺大于3 m 時大幅增加，開挖進尺選擇3 m更加合適。

綜上所述，結合各埋深和開挖進尺條件下的隧洞位移、應力分布和大小及塑性區深度和體積等情況，研究區引水隧洞工程最佳開挖進尺為3 m。