高地應力深埋隧道施工過程中圍巖應力分布規(guī)律數值模擬分析

張巖

摘? 要：為研究某深埋隧道在開挖過程中的應力和位移分布規(guī)律，利用ABAQUS有限元軟件并結合摩爾庫倫理論建立隧道二維有限元模型，通過生死單元法模擬了隧道上下臺階法施工過程，分析了隧道在開挖過程中的應力和位移的變化規(guī)律，并預估可能發(fā)生的工程危害。研究結果表明：隧道拱頂、拱腳處受力比較大，易發(fā)生開裂破壞;隧道拱頂及拱腰處塑性應變較大，該處圍巖易發(fā)生屈服破壞;隧道拱頂處的變形最大，襯砌在施工過程中容易發(fā)生失穩(wěn)、塌陷等破壞;隧道拱腳出現明顯的塑性損傷現象。通過上述分析，以期對深埋隧道開挖施工具有一定的指導價值。

關鍵詞：深埋隧道;數值模擬;摩爾庫倫;生死單元;應力;位移

Abstract： In order to study the stress and displacement distribution of a deep-buried tunnel during excavation， a two-dimensional finite element model of the tunnel was established using ABAQUS finite element software and Mohr Coulomb Theory. The construction process of the tunnel up and down steps was simulated by the method of element birth and death. The analysis of the stress and displacement changes of the tunnel during the excavation process， and the possible engineering hazards were estimated. The research results show that the tunnel vault and arch foot are relatively stressed， which is prone to cracking and failure; the tunnel vault and arch waist are subject to large plastic strain， where the surrounding rock is prone to yield failure; and the tunnel vault has the largest deformation. During the construction process， the lining is prone to instability， collapse and other damage; the tunnel arch foot has obvious plastic damage. Through the above analysis， it is expected to have a certain guiding value for the excavation and construction of deep buried tunnels.

引言

我國是一個多山的國家，隨著公路工程的大力建設，越來越多的公路需要穿越山區(qū)，經常會遇到一些深埋長大隧道的建設，這些隧道具有其“長、大、深、群”的特點，由于工程規(guī)模大、埋深大，地應力水平高以及地質條件復雜等因素，給隧道設計和施工均帶來了難度。深埋長大隧道工程由于埋置位置較深，其高地應力場所引發(fā)的圍巖失穩(wěn)地質災害是深埋長大隧道工程中最為突出的問題之一。[1-2]

我國在這方面的研究則起步較晚，直到20世紀90年代的中后期才陸續(xù)興建一些深埋公路隧道。近年來，通過引進國外先進的施工工藝和方法，在這方面也有了一些成功的工程范例。目前，我國軟巖隧道的開挖主要以臺階法和分部開挖法為主。[3-9]

文獻[4]采用三維有限差分方法模擬3種不同施工方法的深埋隧道開挖，對圍巖應力、位移與塑性區(qū)狀況及支護結構受力進行分析，確定不同施工方法對隧道圍巖及支護的影響。文獻[5][6]通過FLAC3D軟件對深埋隧道進行了數值模擬，研究了深埋隧道三臺階施工方法的力學行為特征。文獻[7]采用數值有限元法，模擬分析了隧道深埋段IV類圍巖采用雙側壁導坑法、CD工法和上下臺階法的隧道變形與受力特點，對比分析了不同開挖工法的優(yōu)缺點，為該隧道施工方案的比選提供了依據。研究結果顯示：隧道深埋段IV類圍巖條件下選擇上下臺階法施工，不僅可保證隧道施工安全，而且可提高施工速度、降低施工成本。

基于上述分析，本文利用ABAQUS有限元軟件中的生死單元法來模擬隧道上下臺階法開挖過程，研究分析隧道圍巖在開挖過程中的受力分布規(guī)律及變形規(guī)律，預測深埋隧道開挖過程中可能存在的危害，并及時提供可靠的方案。

1 隧道概況及圍巖本構模型概述

1.1 隧道概況介紹

該隧道埋深800m，屬于高地應力的深埋隧道，傳統的長臺階開挖方法不能適用于深埋隧道，需要采用更加有利于圍巖穩(wěn)定的開挖方案。上下臺階法中的短臺階法可縮短支護結構閉合的時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制隧道收斂速度和量值。

短臺階法是將隧道分成上下兩個斷面進行開挖，兩個斷面相距較近，一般情況下上臺階長度不能超過5倍洞跨，且兩臺階不能全部平行作業(yè)，需要嚴格控制其施工工序。

如圖1所示，隧道施工工序為：Ⅰ-上臺階圍巖開挖;①-上臺階初襯及錨桿布置;Ⅱ-下臺階圍巖開挖;②-下臺階初襯及錨桿布置。

1.2 摩爾庫倫（Mohr-Colomb）塑性模型本構

隧道圍巖材料服從Mohr-Colomb屈服準則，Mohr-Colomb模型屈服面如圖2所示，屈服面函數表達式為[8]：

2 隧道開挖有限元模型建立

本文運用ABAQUS有限元軟件模擬我國某公路隧道，其二維平面有限元模型尺寸為：100m×120m，隧道斷面面積為82.16m2，隧道模擬埋深800m。采用四邊形平面應變單元，并對隧道6m范圍內的圍巖網格進行局部細化處理，共4402個單元。隧道模型及網格劃分情況如圖3所示。

模型邊界條件及荷載：限制模型左右兩側水平位移（即X=0），約束模型底部水平和豎向位移（即X=Y=0）;對模型整體施加重力荷載，在模型頂面施加均布的重力荷載來模擬隧道埋深，側壓力系數取為1.2。

本文有限元數值模擬僅考慮隧洞的開挖，不考慮初襯支護的影響，因此圍巖開挖和初襯支護及錨桿設置同步進行。隧道圍巖為Ⅳ級圍巖，圍巖和襯砌均服從Mohr-Colomb屈服準則，圍巖剪漲角取25°，隧道各結構材料參數詳見表1。

上下臺階法隧道分步開挖模擬：第一步，施加重力荷載及模型頂部均布土壓力，進行地應力平衡;第二步，通過ABAQUS中的生死單元法[8]殺死上臺階部分圍巖單元，模擬上臺階開挖，并同時施加初襯及錨桿;第三步，利用生死單元法殺死下臺階部分圍巖單元，模擬下臺階開挖，同時施加初襯及錨桿。

3 計算結果分析

3.1 隧道圍巖應力分布規(guī)律

如圖4-圖6所示為隧道開挖過程中圍巖應力分布情況，從圖中可以發(fā)現：隧道上臺階圍巖開挖后，S.Mises等效應力最大值分布在圍巖距洞壁0～5m的范圍內，隧道拱腳處的等效應力最大，約為28.2MPa;在洞壁周邊及拱底部位產生較小的拉應力區(qū)，最大拉應力約為0.004MPa;隧道最大壓應力主要分布在洞壁周邊0～4m范圍，最大壓應力約為41.7MPa。

隧道下臺階圍巖開挖后，最大等效應力分布在圍巖距洞壁0～6m的范圍內，拱腳處應力最大，約為28.7MPa;洞壁周邊最大主應力均為負值，表明并未出現拉應力區(qū)域;隧道最大壓應力主要分布在拱腳處，最大值約為43.0MPa，說明開挖完成后隧道拱腳和拱頂處容易發(fā)生失穩(wěn)、開裂、塌陷等突發(fā)狀況。

3.2 隧道圍巖塑性破壞區(qū)域分析

圖7反映了隧道上臺階和下臺階開挖后圍巖塑性破壞區(qū)的分布與變化規(guī)律。從圖中可以發(fā)現：隧道上臺階開挖后完成，在洞壁周圍0～5m范圍內出現了較大的塑性屈服區(qū)域;下臺階開挖后，隧道洞壁周圍塑性區(qū)范圍并未出現明顯的變化，最大塑性應變主要出現在拱頂和拱腰位置，開挖完成后拱頂和拱腰部位容易發(fā)生失穩(wěn)、開裂等破壞。

3.3 隧道圍巖位移分布規(guī)律

為方便分析隧道洞壁各位置位移分布規(guī)律，故在隧道洞壁周圍設置了10個位移檢測點，測點編號為：①～⑩，監(jiān)測點分布如圖8所示。

圖9-圖11反映了隧道開挖完成后洞壁周圍變形分布規(guī)律。隧道開挖完成后，最大位移主要分布在拱頂和拱底中部區(qū)域，拱頂（測點①）最大位移約為20.8cm，拱底（測點②）最大位移約為12.5cm;隧道洞壁水平最大位移分布于拱腰處（即測點⑦和⑧），約為6.5cm;隧道洞壁豎向位移由隧道拱頂向兩側逐漸變小，拱頂的豎向位移最大，約為20.5cm

3.4 隧道襯砌受力分析

如圖11所示，深埋軟巖隧道由于其圍巖強度低、地應力高，在襯砌的拱腳位置往往出現了較為明顯的應力（彎矩）集中，拱腳處彎矩達到了348.7kN·m。此外，隧道的仰拱處也有彎矩集中現象（彎矩為186.7kN·m），導致仰拱在構造應力作用下出現明顯的底鼓變形現象，最終影響行車舒適及安全性。

由圖12可以看出，在隧道襯砌周圍形成了明顯的蠕變損傷區(qū)域，而拱腳處受損最為嚴重，究其原因為，在高地應力作用下襯砌拱腳處出現了明顯的應力集中現象。

4 結束語

基于ABAQUS有限元軟件建立了深埋軟巖隧道二維有限元模型，計算并分析了隧道圍巖及洞壁周圍應力和位移的分布規(guī)律，以期對深埋軟巖隧道具有一定的指導意義。主要結論如下：

（1）在高地應力作用下，深埋軟巖隧道在開挖過程中拱腳處和拱頂區(qū)域出現了明顯的應力集中現象，說明開挖過程中拱腳和拱頂處易發(fā)生失穩(wěn)、開裂、塌陷等突發(fā)災害，宜做早期加固處理。

（2）隧道開挖過程中，在其洞壁周圍0～5m范圍內出現了較大的塑性屈服區(qū)域，且最大塑性應變主要出現在拱頂和拱腰位置，因此拱頂和拱腰部位軟巖容易發(fā)生屈服，容易造成隧道洞壁開裂。

（3）隧道開挖完成后，最大位移主要分布在拱頂，達到了20.8cm;隧道洞壁水平最大位移分布于拱腰處，達到了6.5cm;洞壁豎向位移由隧道拱頂向兩側逐漸變小。

（4）開挖完成后，隧道襯砌拱腳處出現了明顯的應力集中和受損區(qū)域;仰拱處由于構造應力的作用出現了底鼓變形現象，施工時需注意拱腳和仰拱部位的支護。

參考文獻：

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