浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究*(

 邓洪亮1，陈  鸽1，郭  洋1，王思淼1，武胜林2

 （1．北京工业大学建筑工程学院，北京  100124；2．北京工业职业技术学院，北京  100042）

[摘要]采用有限元软件MIDAS/GTS对黄董坡隧道的开挖过程进行了数值模拟，分析了浅埋隧道的围岩变形规律和受力情况，同时结合现场监测数据，最后得出围岩位移最大值和应力最大值分别出现在拱顶部位和拱腰部位的结论，因此控制隧道拱顶沉降和缓解拱腰部位的应力集中现象是浅埋隧道施工中的重要环节，这就要求进行必要的超前支护、及时施做初期支护以及密切监测危险区域，确保施工安全。

[关键词]地下工程；隧道；浅埋隧道；数值模拟；围岩；位移；应力

[中图分类号]U456.3  [文章编号]1002-8498( 2016)07-0113-05

0  引言

 随着我国国民经济的高速发展，高速铁路发展不断加快，出现了越来越多的浅埋软弱围岩地质条件下的隧道。由于浅埋隧道大多埋深浅、岩体风化比较严重，自稳能力差及承载力低，并且不能有效形成塌落拱，这就导致了浅埋隧道在施工过程中岩体的应力分布情况十分复杂，如若施工操作不当或者支护参数选取不当，则极易发生坍塌等安全事故，因此，研究浅埋隧道的围岩变形规律和受力情况十分必要。

 本文以铜玉铁路黄董坡隧道为研究对象，采用有限元软件MIDAS/GTS对浅埋隧道开挖过程进行了数值模拟，研究分析浅埋隧道围岩位移特征和应力特征，并将数值模拟结果和现场监测数据进行对比分析，以评价围岩的稳定性和验证数值模拟模型的合理性，进而为同类地质条件下浅埋隧道的施工提供科学指导。

1  工程概况

 黄董坡隧道位于贵州省铜仁市茶店镇境内，中心里程IDK23+312，最大埋深约为31m，全长664m。进口IDK22+980-IDK23+371. 9602段位于半径为5 500m的左偏曲线，其余地段为直线，设计纵坡为9.7‰的单面上坡。

 隧道区域属溶蚀构造丘陵地貌，岩溶弱~中等发育，地形起伏较大，地面高程660. 000~726. 000m，相对高差66m，坡度250~300，隧道通过梵净山拗陷褶皱带，构造线多为NE向，部分为NW向，线路与NE向构造线方向基本一致，隧道进口出露基岩产状N280E/320SE，出口附近出露岩层产状N250E/25 0SE，隧道进口发育节理产状N-S/540W、N710E/900，出口发育节理产状N45 0 E/900、N500W/900，陡倾节理发育，节理面张开且粗糙，延伸数米，有泥质充填，区内地下水为第四系松散土层孔隙水、岩溶水，埋深一般40~ 42m，主要接受大气降雨及地表水下渗补给，由蒸发及地表径流方式向低洼地带排泄，隧区坡面多为坡残积的红黏土，坡面植被一般为灌木林，缓坡地带为旱地或水田，基岩为寒武系中统敖溪组上段白云岩，黄董坡隧道典型断面横向地质剖面如图1所示。

2数值模拟

2.1基本假定

 采用有限元软件MIDAS/GTS建立浅埋隧道开挖过程中的计算模型，以此对浅埋隧道的围岩位移和应力特征进行分析研究。为简化分析，做如下基本假定。

 1)假定黄董坡隧道是土体和围岩为各向同性、连续、匀质的弹塑性体。

 2)隧道的力学分析采用平面应变模型，不考虑地下水的影响。

 3)隧道围岩和土体采用莫尔-库伦弹塑性模型，而锚杆、喷射混凝土支护采用弹性模型。

 4)隧道为浅埋隧道，故岩体初始应力场只考虑自重应力，不考虑构造应力。

  2.2计算模型

 根据黄董坡隧道的现场施工情况，对IDK23+120-IDK23 +180段进行三维有限元数值模拟。该段为V级围岩浅埋段，采用复合式衬砌的支护形式。模型计算范围向左右和向下选取3倍和4倍洞径范围，而上方地层则是导入实际隧道地形文件生成。模型的上界面为自由表面，左右侧面为水平方向位移约束，底部为垂直方向位移约束。

 在计算模型中，围岩和土体采用实体单元来模拟，本构模型为M-C弹塑性模型；喷射混凝土通过板单元来模拟，锚杆则选取桁架单元来模拟，本构模型为弹性模型。

 对于有限元模拟而言，合理的网格划分至关重要，直接影响着数值计算的速度和精度，因此，为合理划分有限元网格，对隧道开挖影响大的位置即隧道洞室附近的区域细化网格，对隧道开挖影响小的位置则粗化网格。网格划分如图2所示。

2.3计算参数

 黄董坡隧道采用复合式衬砌结构，为简化模拟过程，初期支护中的超前注浆小导管按照等效法提高围岩的弹性模量来逼近模拟，钢筋网和钢拱架的作用则通过等效提高喷射混凝土的弹性模量来逼近模拟，因为二次衬砌通常起着隧道的安全储备和美观的作用，因此本文不考虑二次衬砌的作用。

 黄董坡隧道的围岩物理力学参数如表1所示。初期支护参数是根据黄董坡隧道的设计资料确定的，如表2所示。混凝土和锚杆的物理力学参数如表3所示。

2.4施工过程模拟

 采用MIDAS/GTS进行浅埋隧道施工过程的有限元模拟，具体施工步骤如下：①施工步1  开挖上台阶1；②施工步2  对上台阶1拱部进行锚喷支护，并且对核心土2的两侧进行临时支护；③施工步3开挖核心土2，完成上台阶1的临时支护；④施工步4  开挖下台阶3；⑤施工步5  对下台阶3进行锚喷支护。其施工步序如图3所示。

3计算结果分析

 采用有限元软件Midas/GTS模拟浅埋隧道开挖过程，得到不同施工阶段浅埋隧道围岩位移和应力变化情况，进而研究分析得出围岩位移和应力变化规律，从而为同类地质条件下的浅埋隧道的施工提供借鉴。

3.1  围岩位移特征分析

 选取黄董坡隧道IDK23+168断面的拱顶、隧底中心、左右拱腰等特征点各施工步的最大竖向位移值计算结果如表4所示。根据表4的竖向位移值计算结果绘制各特征点的各施工步竖向位移变化曲线如图4所示。

 根据数值模拟结果可知，随着浅埋隧道的开挖，洞周围岩向隧道洞内移动变形，即拱顶部位下沉、拱腰部位向洞内收敛、隧底部位向上隆起。

 从表4可以看出，围岩最大竖向位移值出现在隧道拱顶中央附近，并且随着浅埋隧道开挖的不断进行，隧道的竖向位移累计变形量也在不断增加，这是由于围岩竖向应力主要集中分布在隧道拱顶范围内造成的。而隧道拱腰部位的竖向位移受开挖的影响相对来说并不大，左右两侧的竖向位移值均在4mm以下。从图4a可以看出，隧道的上台阶开挖完成后，隧道拱顶最大沉降值为5.12mm，占拱顶总沉降量的50.95%，由此可见拱顶下沉主要是由于隧道上半断面开挖造成的。上台阶支护后，拱顶下沉量为6.83mm，而隧道的核心土开挖完成后，拱顶下沉量为8.19mm，仅比上台阶支护后的竖向位移增加了1.36mm，这是由于上台阶开挖后进行了及时的初期支护，承担了围岩位移的大部分变形导致的。隧道的下台阶开挖完成后，拱顶沉降量为9.27mm，下台阶开挖后位移量又有所增加，这是由于随着开挖断面的增大，岩体内应力重新调整的结果，但也仅比核心土开挖后的沉降值增加了1.08mm，这说明下台阶的开挖对围岩的竖向位移影响很小，下台阶支护后沉降值为10.05mm，下台阶支护后沉降基本完成。从图4b可以看出，随着浅埋隧道开挖的不断进行，隧底部位出现了不同程度的隆起，这是由于地应力的作用而产生的向上隆起，最大隆起量为5. 50mm，位于隧底中心附近。从图4c可以看出，浅埋隧道开挖后，左右拱腰均发生向下的竖向位移，二者出现了大致相同的下沉趋势，由此可见，左右拱腰处的围岩竖向受力情况是基本一致的，同时也说明在相对对称的地质构造条件下，随着浅埋隧道开挖的不断进行，围岩的竖向变

形是相对对称的。

 就整体来看，浅埋隧道变形值较小，满足相关规范要求。在上台阶开挖完成后的隧道拱顶沉降量所占隧道拱顶总沉降量的比重最大，因此这是浅埋隧道施工过程中最不利的施工阶段，所以在开挖上台阶之前应进行必要的超前支护，并在开挖后及时进行初期支护，以便能有效地控制围岩变形，进而保证浅埋隧道施工安全、提高围岩稳定性。

3.2  围岩应力特征分析

 分别选取黄董坡隧道在各阶段开挖后的围岩竖向应力云图如图5所示，图中正值为拉应力，负值为压应力。

 浅埋隧道在开挖过程中破坏了隧道洞周围岩原有的应力平衡状态，在地应力作用下洞室周围的岩体向洞内发生松胀变形，进而使处于初始应力状态下的围岩内部发生应力重分布，形成新的应力平衡状态。在重分布的应力作用下，洞室周围的岩体开始向隧道洞内产生变形，为阻止隧道洞周围岩的变形，需要对围岩施做初期支护，施做初期支护后，围岩和支护结构将共同变形以达到某种应力平衡状态。

 由图5可知，围岩竖向应力总体上呈条带状分布；在浅埋隧道开挖过程中，拱部的围岩压应力始终是最小的，在隧道开挖完成后，整个浅埋隧道洞周围岩的竖向应力大致是关于隧道轴线对称分布的；该浅埋隧道洞周围岩应力大多为压应力，基本上没有出现拉应力区，并且隧道拱部、隧底部位和拱腰附近的围岩在浅埋隧道开挖后始终都表现为压应力。上台阶开挖完成后，由于拱部围岩的卸载作用，拱部围岩应力由初始压应力0. 571 1MPa降低到0. 360 3MPa；随着拱顶处锚喷等初期支护措施的完成，拱部围岩压应力由0. 363MPa降到0. 129MPa;当核心土开挖完成后，由于核心土的开挖使初始地应力进一步地释放，拱部围岩压应力有一定程度的回弹增长，从0. 129  0MPa增加到0. 221 7MPa，而且左右拱腰部位出现了小范围轻微的应力集中现象，左右拱腰围岩最大压应力值分别为1. 208 5MPa和1.209 7MPa；随着下台阶的开挖完成，此时拱部围岩压应力增幅很小，仅增加了0. 015 4MPa，说明下台阶的施工对拱部围岩竖向应力影响不太大，但是在拱腰部位附近，围岩应力集中区域范围扩展幅度却很大，并且该区域内的压应力值增幅也比较大，左右拱腰最大压应力值分别增加了0. 230 9MPa和0.216 1MPa；当下台阶支护完成后，拱部压应力基本上维持不变，并且拱腰部位的应力集中现象得到了小幅度的改善，左右拱腰最大压应力值分别减小了0. 041 5MPa和0.054 2MPa，可以看出在对围岩进行支护后，其压应力最大值有所减小，这就说明支护结构发挥了一定程度的作用。

 就整体来看，浅埋隧道开挖对隧道洞周围岩产生的应力未超过围岩可承受的应力范围，满足相关规范要求。由上述分析可知，在浅埋隧道开挖过程中，最大压应力均发生在拱腰部位，所以拱腰是浅埋隧道开挖施工中最不利的受力部位，对此应该引起重视，及时进行初期支护，同时应在现场加强监测拱腰两侧的应力集中区域，以确保浅埋隧道施工的安全性。

3.3  现场监测数据对比与分析

 选取黄董坡隧道IDK23+168断面作为典型断面来进行现场监测数据与数值模拟结果的对比分析，根据现场监测数据绘制IDK23 +168断面拱顶沉降变化曲线如图6a所示，根据数值模拟结果绘制IDK23 +168断面各个施工阶段拱顶累计变化曲线如图6b所示。

 通过对比图6a和6b可以看出现场监测与数值模拟两者的拱顶沉降变化趋势大致相同，从而验证了数值模型的合理性。但现场监测值要大于数值模拟值，推测原因可能是现场施工环境复杂，开挖后初期支护未能及时施作从而导致沉降加大以及爆破开挖会破坏洞周一定范围内的围岩导致围岩松弛进而使得已支护部分的围岩对其支护结构的松动压力增大从而加大了拱顶沉降。由于数值模拟没有考虑这些影响因素，因此导致了现场监测与数值模拟在数值上的差异。

4结语

 对于黄董坡隧道，采用有限元软件Midas/GTS对该浅埋隧道的施工过程进行数值模拟，通过对施工过程中围岩的变形规律和受力情况的分析研究，得出如下结论。

 1)3步开挖预留核心土法比较适合于隧道开挖的下半断面岩体岩性强于上半断面岩体岩性的工程情况，它是通过先开挖承载力比较薄弱的上半断面围岩、暂时保留下半断面围岩的方式来提高浅埋隧道开挖过程中围岩稳定性的。

 2)从总体上看，浅埋隧道位移最大值出现在拱顶部位，由此可见控制拱顶沉降是浅埋隧道开挖过程中的重要环节，应予以重视。由于上台阶的开挖引起的隧道拱顶沉降所占比重最大，所以在开挖上台阶之前应进行必要的超前支护，并且及时施做初期支护，及时的初期支护能够很大程度上阻碍围岩的变形，防止围岩产生过大的变形而坍塌，同时还应密切监测拱顶沉降情况，确保浅埋隧道的施工安全。

 3)从总体上看，浅埋隧道应力最大值均发生在拱腰部位，由此可见在浅埋隧道开挖施工中应重点关注拱腰部位，及时施做初期支护，初期支护会阻碍围岩的变形，降低岩体内部的应力，从而较大程度上地缓解拱腰部位的应力集中问题，同时还应密切监测该应力集中区域的应力变化情况，以便出现问题时能及时有效地采取措施，保证浅埋隧道的施工安全。