隧道施工圍巖力學行為數值分析

【摘要】以四川省劍閣縣境內老土地隧道為例，運用真實工程參數修正后的數值模型探究了臺階開挖法對軟弱圍巖隧道穩定性的影響。通過設計不同的臺階長度和循環進尺對開挖后隧道圍巖的變形和應力分布進行研究，并與相應規范比較。結果表明：（1）基于場地參數和巖石物理力學參數修正的ABAQUS模型可以較好地模擬隧道開挖造成的圍巖變形和應力重分布；（2）隨著臺階長度的增加，拱頂的沉降、拱底的隆起和拱腰的收斂值均增加，但是拱頂的沉降為主要的影響；（3）相對于變形量，臺階和進尺參數對圍巖的應力影響相對較??；（4）臺階法施工中，錨噴支護緊跟且拱底襯砌及時封閉的施工方法能夠有效控制拱頂沉降，并小于規范規定的允許變形量；（5）在保證支護結構安全和工作面穩定的前提下，臺階和進尺參數應綜合考慮施工條件的可能性、安全性和經濟效率。

【關鍵詞】隧洞施工； 臺階開挖法； 數值分析； 拱頂沉降

【中圖分類號】U456.3+1A

0 引言

眾所周知，隧道施工中安全性取決于隧道圍巖和工作面的穩定性［1-3］。隨著計算機技術的日趨成熟，隧道施工的數值模擬的已獲得廣泛應用［4］。宋站平等［5］通過數值方法優化了大斷面隧道的施工方案。徐前衛等［6］研究了斷層隧道施工過程中圍巖的破壞過程，陳立漢等［7］通過數值方法分析了各種開挖方式引起的圍巖應力分布。邢軍等［8］研究了松多隧道連續降雨施工條件下圍巖的變形和破碎過程，張征亮等［9］通過數值方法分析了兩套工況下的圍巖變形和隧道襯砌的應力。郭子紅等［10-11］通過數值方法分析了淺埋隧道的斷裂面分布，提出了淺埋隧道的穩定性評價方法。劉波等［12］根據數值模擬結果，提出了隧道變形的控制措施。牛永宏等［13］利用有限元模擬了各種淺埋隧道的開挖方法。李康等［14］通過數值方法進行了系統全面的現場圍巖壓力及圍巖監測新華隧道巖層位移。

本文依托老土地隧道，通過數值模擬探究了臺階法施工的IV級圍巖隧道的穩定性問題，主要從不同循環進尺和不同臺階長度進行對比分析，進而得出IV級圍巖段內最為適宜的循環進尺和臺階長度，為今后相似的工程項目提供參考和借鑒。

1 工程概況

老土地隧道位于四川省劍閣縣境內，起止里程為K69+417～K70+580，設計總長度為1163 m，最大埋深約190 m。隧道開挖位于軟硬相間碎屑巖低山區。根據本標段隧道洞身圍巖的特點，周圍的巖石等級為Ⅳ～Ⅴ級?？紤]到開挖過程的復雜性和邊坡的穩定性，采取邊開挖邊初期支護。隧道的初次襯砌采用錨桿+噴射C25噴射混凝土（28 cm）柔性支護，且內設鋼架。二次襯砌混凝土強度等級為C35。

2 計算模型

本隧道標段根據規范JTG/T 3660-2020和工程地質調查，基于理想彈塑性模型對Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖在采用臺階法進行數值計算模擬，得到在不同的循環進尺和臺階參數下圍巖的位移變形和支護結構的力學特性。本模型采用Moore-Coulomb判據作為破壞條件。

2.1 參數選擇

擬建隧道巖性復雜，建立了簡化模型（K70+120～K70+160），本段無不良地質帶。而且這個模型忽略了地下水的影響，該隧道圍巖的物理力學計算參數可取表1值。

2.2 模型建立

根據圣維南原理，開挖會引起應力重新分布，在隧道半徑的3倍以內的圍巖影響較大。因此本文隧道模型長40 m，寬度方向左右各取5倍隧道洞徑，隧道底部與模型底部的距離為17.5 m，模型中隧道的深度以實際高程數據為準。如圖1所示，采用大型通用計算軟件ABAQUS建立的三維實體模型單元總計188 675個，節點數196 746個。通過ABAQUS對隧道網格進行鈍化或激活模擬隧道開挖過程。底部邊界施加豎向約束，上部為自由邊界，左右兩端邊界約束水平位移。

2.3 工況擬定

根據工程地質條件及施工方案，Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖在采用臺階法施工。通過如表 2所示不同的循環進尺和臺階長度進行研究分析，得到在不同工況下圍巖的位移變形和支護結構的力學特性。

3 隧道開挖分析

隧道開挖時，圍巖的天然應力重新分布。本文將對隧道圍巖應力和位移進行分析。

3.1 Ⅳ級圍巖隧道施工力學行為研究

3.1.1 循環進尺1.2 m時不同臺階長度

圖2給出循環進尺為1.2 m，臺階長度取6 m、12 m、18 m三種情況下，目標圍巖截面的豎向位移、水平位移及剪應力分布。

隧道的拱頂沉降是評價圍巖穩定性的重要參數。如圖2所示，圍巖的豎向收斂位移較小。當臺階長度分別為6.0 m、12.0 m和18.0 m時，拱頂最大沉降量分別9.5 mm、1.08 mm和11.75 mm。而仰拱隆起基本為5.5 mm左右，位移均在圍巖規范允許的變形范圍內?？梢?，相同的臺階長度時，拱頂的沉降位移要明顯大于拱底的隆起位移。水平位移的影響規律與豎向位移基本一致。當臺階長度分別為6.0 m、12.0 m和18.0 m時，拱腰處的水平位移最大，水平位移分別收斂于2.06 mm、2.35 mm和2.57 mm，且均向隧道內側收斂。可見，水平位移也會很小的。圍巖的剪應力基本為反對稱分布。由剪力云圖分析可知，最大剪應力集中在拱肩和拱腳處。當臺階長度分別為6.0 m、12.0 m和18.0 m時，其最大剪應力值分別為0.29 MPa，0.30 MPa，0.29 MPa?？梢?，當進尺長度為1.2 m時，臺階長度對剪應力的影響并不敏感，剪應力的大小基本不變。

3.1.2 循環進尺1.6 m時不同臺階長度

循環進尺為1.6 m，臺階長度取6 m、12 m、18 m三種情況下，目標圍巖截面計算分析結果如圖3所示。

由豎向變形位移圖可知，在進尺為1.6 m且臺階長度為6 m，12 m，18 m，拱頂沉降分別為12.0 mm，12.0 mm，12.8 mm，仰拱隆起5.7 mm，位移均在規范允許的變形范圍內。同樣，由水平位移變形圖可知，在臺階長度為6 m，12 m，18 m水平位移基本在為2.4 mm上下，均向隧道內側收斂，說明表明開挖后適時支護可對圍巖拱頂的變形起到很好的控制效果。由剪力云圖看出，無論臺階長度為多少，最大剪應力集中在拱肩和拱腳處。隨著隧道的開挖，圍巖壓力發生明顯變化。當臺階長度的從6.0 m增大到18.0 m，其剪應力最大值從0.287 MPa增加到0.482 MPa。說明采用臺階法開挖，臺階長度越大，隧道局部最大剪應力會增大，易對初次襯砌結構形成剪切裂縫。

3.1.3 循環進尺2 m時不同臺階長度

在研究不同臺階長度情況下工對隧道圍巖穩定性影響時，采用臺階法開挖方式，循環進尺為2 m，臺階長度取6 m、12 m、18 m三種情況進行計算分析，目標圍巖截面室溫結果分析如圖4所示。

當臺階長度為6 m，12 m，18 m，其拱頂沉降分別為12.7 mm、14.0 mm和15.0 mm；仰拱隆起分別為5.5 mm，5.4 mm，5.6 mm，其水平位移分別為2.0 mm、2.3 mm和2.7 mm。圍巖沉降和位移均在圍巖允許的變形范圍內，表明開挖后適時支護對圍巖拱頂的變形有很好的控制效果。該地質條件隧道的水平位移影響較小。

圖5顯示了不同循環進尺（1.2 m、1.6 m和2.0 m）和不同臺階長度（6 m、12 m 和 18 m）情況下，拱頂豎向位移、拱底豎向位移和拱腰水平位移曲線的比較圖。

如圖5所示，相較于最大拱底隆起位移和水平位移，開挖后隧道圍巖拱頂的位移要大得多。當循環進尺一定時，在一定范圍內隨著臺階長度的增加，拱頂的沉降、拱底的隆起和拱腰的收斂值均增加。但是相對于拱腰的收斂，拱頂的沉降和拱底的隆起為主要的影響。當循環進尺一定時，在一定范圍內隨著臺階長度的增加，拱底的隆起值增幅較小，臺階法施工，拱底位移受臺階長度的影響相對于拱頂沉降值小。

4 結論

（1）基于場地參數和巖石物理力學參數的ABAQUS模型可以較好地模擬隧道開挖造成的圍巖變形和應力重新分布。隧道開挖施工后，圍巖的最大變形發生在拱頂處，最大剪應力出現在拱肩和拱腳處。隨著開挖的進行，應力和沉降呈現出逐漸增大的趨勢。

（2）采用臺階法開挖過程中，拱頂沉降將趨于收斂，而圍巖變形將趨于穩定。當循環進尺一定時，在一定范圍內隨著臺階長度的增加，拱頂的沉降、拱底的隆起和拱腰的收斂值均增加。但是相對于拱腰的收斂，拱頂的沉降和拱底的隆起為主要的影響。

（3）臺階法施工，錨噴支護緊跟且拱底襯砌及時封閉的施工方法能夠有效控制拱頂沉降、拱底的隆起和拱腰的收斂，這些數值都小于JTGF60-2009《公路隧道施工技術規范》規定的允許變形量。這說明這三種開挖方法可以保證施工安全。

（4）當循環進尺一定時，在一定范圍內隨著臺階長度的增加，拱底的隆起值增幅較小，臺階法施工，拱底位移受臺階長度的影響相對于拱頂沉降值小。

（5）在保證支護結構安全和工作面穩定的前提下，臺階和進尺參數應綜合考慮施工條件的可能性、安全性和經濟效率，以此來確定合適的循環進尺和臺階長度。

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