基于開挖影響下的隧道圍巖變形機(jī)理及變形特征研究

劉國(guó)

摘要： 為保證隧道開挖施工期間的人員安全，提高隧道工程建設(shè)質(zhì)量，在介紹隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)、變形破壞類型以及圍巖變形與支護(hù)時(shí)機(jī)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)全斷面開挖的雙線公路隧道施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，總結(jié)歸納了隧道圍巖拱頂沉降、洞身收斂以及掌子面擠出值隨開挖步進(jìn)行的變化規(guī)律，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)控制圍巖變形的作用進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)控制圍巖變形具有重要作用。

Abstract： The purpose of this study is to ensure the safety of personnel during tunnel excavation and construction and improve the quality of tunnel construction. Based on the introduction of the temporal and spatial effects of the surrounding rock deformation， the type of deformation and failure， and the relationship between surrounding rock deformation and the timing of the surrounding rock support， the three-dimensional numerical simulation of the whole-section excavation of the double-lane highway tunnel is carried out. The deformation of the rock dome， the convergence of the cave body and the change of the squeeze value of the face with the excavation step are carried out， and the effect of the support structure on the deformation of the surrounding rock is analyzed. It is found that the supporting structure is important to control the deformation of the surrounding rock effect.

關(guān)鍵詞： 隧道圍巖；變形機(jī)理；變形特征

Key words： tunnel surrounding rock；deformation mechanism；deformation characteristics

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0141-03

0 引言

隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入，我國(guó)中西部地區(qū)的高速公路建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，同時(shí)也修建了越來越多的山嶺隧道。礦山法隧道具有造價(jià)低，開挖斷面靈活，適應(yīng)各種不同的地質(zhì)條件等特點(diǎn)，因而山嶺隧道多采用礦山法施工。[1]初始地應(yīng)力場(chǎng)往往由于受到隧道的開挖作業(yè)，破壞了其初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起隧道周圍一定范圍內(nèi)的應(yīng)力重新分布和局部地殼殘余應(yīng)力釋放，與此同時(shí)也會(huì)惡化圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，從而使圍巖產(chǎn)生變形甚至破壞，這一過程往往具有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性。[2]本文主要通過一個(gè)雙線公路隧道為實(shí)例，計(jì)算了在全斷面開挖工法的條件下，監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降、洞身收斂以及掌子面擠出值隨開挖步的變化規(guī)律。

1 隧道圍巖變形機(jī)理

1.1 圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)

隧道圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)是一個(gè)綜合概念，包括變形空間效應(yīng)和變形時(shí)間效應(yīng)兩個(gè)方面?？臻g效應(yīng)指的是隧道開挖過程中，由于受到開挖面的約束，使開挖面附近的圍巖不能立即釋放其全部瞬時(shí)彈性位移。這是開挖面推進(jìn)過程中，由于空間變化所引起的一種圍巖變形特性。時(shí)間效應(yīng)則主要表現(xiàn)為圍巖變形隨時(shí)間而改變的性質(zhì)，這是圍巖具有流變性的體現(xiàn)。根據(jù)圍巖變形速率，隧道圍巖變形一般可劃分為三個(gè)階段，即急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段和流變階段。其中，急劇變形階段圍巖變形呈現(xiàn)急劇增長(zhǎng)的特點(diǎn)。穩(wěn)定變形階段圍巖變形一般趨于穩(wěn)定。[3]

1.2 圍巖變形與支護(hù)的關(guān)系

圍巖的變形隨掌子面的推進(jìn)而不斷動(dòng)態(tài)變化，在無支護(hù)條件下，掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前，監(jiān)測(cè)斷面約產(chǎn)生總位移值30%的位移。然而，在掌子面后方距離約2D左右隧道圍巖位移基本收斂，圍巖位移與隧道支護(hù)時(shí)機(jī)之間的關(guān)系見圖1所示。[4]

從圖1可以看出：在開挖斷面距離監(jiān)測(cè)斷面1.5D時(shí)，圍巖開始產(chǎn)生位移，當(dāng)開挖斷面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，位移突然急劇增加。當(dāng)采取支護(hù)手段時(shí)，支護(hù)時(shí)機(jī)越早，圍巖的位移值越小，且隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增加，在一定程度上可以抑制圍巖變形。[4]

2 施工過程數(shù)值模擬

2.1 工程資料

某雙線公路隧道隧道埋深60m，開挖方法為全斷面開挖，開挖進(jìn)尺2.0 m，初期支護(hù)參數(shù)為噴射混凝土厚度28cm，混凝土標(biāo)號(hào)C25，彈性模量為28GPa，泊松比為0.2，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，對(duì)應(yīng)的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

2.2 建模計(jì)算

①首先在AutoCAD建立數(shù)值分析的二維模型，導(dǎo)入ANSYS中生成相應(yīng)的三維有限元模型，圍巖用SOLID45單元模擬，最后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算和后處理分析。[5]為了避免尺寸效應(yīng)影響計(jì)算結(jié)果精度，模型中隧道左右及下部各取3～5倍的隧道洞徑，確定模型大小為120 m×100 m×150 m（X×Y×Z），建立的隧道開挖有限元模型如圖2所示。

3 圍巖變形特征研究

3.1 拱頂沉降變化趨勢(shì)

通過采用有限差分軟件FLAC3D計(jì)算，將監(jiān)測(cè)斷面中拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)C隨開挖步沉降的變化趨勢(shì)整理如圖3所示。

從圖3中可以得出如下隧道拱頂沉降變形規(guī)律：在隧道未開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)C已經(jīng)開始產(chǎn)生豎向沉降，只是變化趨勢(shì)相對(duì)比較穩(wěn)定，且數(shù)值不大。隨著掌子面不斷逼近監(jiān)測(cè)斷面，大約在1.0倍隧道洞徑時(shí)，隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處沉降開始急劇增大。直至掌子面經(jīng)過監(jiān)測(cè)斷面約0.5倍隧道洞徑時(shí)，隨著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，封閉了周圍的圍巖，抑制了圍巖變形的擴(kuò)張，拱頂沉降的變化趨勢(shì)才逐漸趨于穩(wěn)定，最終沉降值約-8.9 mm。

3.2 洞身收斂變化趨勢(shì)

將監(jiān)測(cè)斷面中邊墻測(cè)線A、B隨開挖步收斂的變化趨勢(shì)整理如圖4所示。

從圖4中可以得出如下隧道洞身測(cè)線收斂變形規(guī)律：在隧道未開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面中的測(cè)線AB已經(jīng)有向隧道內(nèi)部收斂的趨勢(shì)，只是變化趨勢(shì)相對(duì)比較穩(wěn)定，且數(shù)值較小。隨著掌子面不斷逼近監(jiān)測(cè)斷面，大約在1.0倍隧道洞徑時(shí)，隧道洞身測(cè)線AB處收斂值開始急劇增大。直至掌子面經(jīng)過監(jiān)測(cè)斷面約0.5倍隧道洞徑時(shí)，隨著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，封閉了周圍的圍巖，抑制了圍巖變形的擴(kuò)張，隧道洞身收斂的變化趨勢(shì)才逐漸趨于穩(wěn)定，最終洞身收斂大小約為-4.2 mm。

3.3 掌子面擠出變化趨勢(shì)

將監(jiān)測(cè)斷面中掌子面O點(diǎn)隨開挖步收斂的變化趨勢(shì)整理如圖5所示。

從圖5中可知，隧道未開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，掌子面O點(diǎn)擠出值相對(duì)較小，且變化趨勢(shì)保持穩(wěn)定。直至開挖斷面距離監(jiān)測(cè)斷面1.0倍的隧道洞徑時(shí)，掌子面O點(diǎn)的擠出值突然急劇增加，直至隧道開挖通過該監(jiān)測(cè)斷面，最終擠出值約為-5.9 mm。[7]

4 結(jié)論

①隧道圍巖變形具有較強(qiáng)時(shí)空效應(yīng)，根據(jù)圍巖的變形速率，一般將圍巖變形可劃分為三個(gè)階段，即急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段以及流變階段，且圍巖的變形與支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)強(qiáng)度具有很大的關(guān)系；

②隨著隧道的開挖的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)斷面圍巖拱頂沉降、洞身收斂在開挖斷面距離監(jiān)測(cè)斷面1倍洞徑時(shí)開始急劇變化，直至掌子面經(jīng)過監(jiān)測(cè)斷面0.5倍洞徑時(shí)開始逐漸趨于穩(wěn)定。掌子面擠出值在開挖斷面距離監(jiān)測(cè)斷面1倍洞徑時(shí)開始急劇變化，直至開挖斷面達(dá)到掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

③隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于控制圍巖變形具有重要作用，可以明顯降低隧道變形大小，但對(duì)于控制掌子面擠出值的大小作用不明顯。

參考文獻(xiàn)：

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[3]孫元春，尚彥軍.巖石隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008（02）.

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