作者簡介：

林博文（1988—），工程師，主要從事公路橋梁施工監(jiān)理工作。

在隧道工程中，隧道圍巖的穩(wěn)定性至關重要，影響著隧道勘察、設計和施工的整個階段。為了保證隧道建設過程中的安全、經(jīng)濟及其他問題，研究圍巖的穩(wěn)定性有著重要的工程意義。文章以廣西某地隧道工程為依托，運用MIDAS/GTS軟件，基于應力應變假設條件，對開挖后隧道三維及襯砌二維受力和位移進行分析，得出隧道圍巖穩(wěn)定性計算值與實測值的差異性及原因，并提出對應措施進行有限元結(jié)果的論證。分析結(jié)果表明：圍巖主應力較大，使得拱頂出現(xiàn)較大下沉，拱底區(qū)域出現(xiàn)隆起，最大隆起值為3.7 mm。

隧道工程;圍巖穩(wěn)定性;有限元分析;位移

U451+.2A491754

0 引言

隧道圍巖是指隧道體開挖后隧洞周圍一定范圍的土（巖）體，其對隧道的穩(wěn)定性有影響。它是主要的承載單元，是圍巖穩(wěn)定性的研究對象，對隧道工程的安全起著重要作用。由于地質(zhì)災害、隱患工程危害等原因，隧道坍塌事故時有發(fā)生。目前，國內(nèi)外大量學者對圍巖穩(wěn)定性研究做了很多探索。

周光裕[1]等基于最小安全穩(wěn)定系數(shù)的方法對整個隧道體內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)進行整體穩(wěn)定性測量分析，基于隨機力學理論，考慮第二主應力對整個隧道體內(nèi)圍巖整體穩(wěn)定性的直接影響，得出在內(nèi)摩擦角發(fā)生變化時，其產(chǎn)生失效角的概率也是發(fā)生變化的，即隧道圍巖體的穩(wěn)定性也是發(fā)生變化的。王建宗[2]等基于博弈的理論-隧道可行性拓云評價模型，得出該評價模型中的評價結(jié)果與隧道工程實際情況相當，考慮了在傳統(tǒng)隧道經(jīng)典域中各項評價指標的模糊性與時間隨機性，避免了指標隸屬于但同時已登記的各種弊端，并通過計算得出不同隧道等級的綜合概率從而準確評價整個隧道群的穩(wěn)定性。對于軟弱泥巖基于隧道塑性圍巖的流動穩(wěn)定性，武亞遵[3]等基于圍巖強度計算折減法，得出三四級臺階臨時開挖仰角傾拱法對其穩(wěn)定性的影響系數(shù)較大，塑性圍巖區(qū)流動面積較小，為最安全適宜的隧道開挖仰拱方法，穩(wěn)定性最好。本文主要結(jié)合筆者和前人研究報告內(nèi)容及實驗結(jié)果，結(jié)合應用有限元分析軟件MIDAS/GTS對我國隧道基層圍巖工程穩(wěn)定性指標進行統(tǒng)計分析，為我國相關隧道工程的規(guī)劃設計以及施工管理提供重要參考。

1 施工方案

本文隧道工程施工方案采用新奧法施工。新奧法的優(yōu)點在于可以進行隧道的全斷面開挖以及及時的“噴混+錨桿”支護，使得隧道圍巖能快速地與支護結(jié)構(gòu)形成一個穩(wěn)定整體，提高結(jié)構(gòu)強度，使施工過程更安全，效率更高[4]。

2 應力狀態(tài)和參數(shù)

隧道工程開挖后的整體應力作用狀態(tài)，一般可以分為兩種基本情況：一種情況是指在開挖后內(nèi)壁隧道的二次工程應力處理狀態(tài)下具有一定彈性，在這種二次應力處理狀態(tài)的情況下，除因山體爆破、地質(zhì)活動原因和隧道施工處理方法等其他自然因素的干擾下所帶來的隧道圍巖破裂掉塊，圍巖還必須具備一定的整體性，僅需要采用高壓噴射墻體混凝土施工即可;另一種是內(nèi)壁隧道的二次工程應力處理狀態(tài)下只存在一個塑性支護區(qū)，施作隧道襯砌后，襯砌不能起到阻止隧道圍巖內(nèi)施作適當高度變形的保護作用，反而可能會對隧道襯砌內(nèi)的受力不利，隧道二次應力重塑性分布的過程伴隨隧道圍巖的變形不斷發(fā)展，產(chǎn)生向構(gòu)成隧道外的內(nèi)壁圍巖移動的應力趨勢就會造成內(nèi)壁隧道洞徑減小，使得隧道圍巖內(nèi)的塑性支護區(qū)位移范圍逐漸變大，而必需的塑性支護區(qū)間阻力越小。由于隧道塑性支護區(qū)位移范圍與構(gòu)成隧道內(nèi)壁圍巖洞徑位移高度有關，因而隧道支護區(qū)的阻力也必然與圍巖位移有關[5-6]。

3 建立模型

3.1 計算假定

建立模型時，采用以下計算假定：

（1）巖體變形是各向同性的。

（2）巖體參數(shù)及襯砌認為是彈塑性的。

（3）應變受力和適應變形一般認為受力是指在平面上的應變能力問題。

（4）不考慮構(gòu)造應力場，僅考慮自身自重應力場。

3.2 有限元建模

本文以廣西地區(qū)某高速公路路段一側(cè)的隧道開掘為主要研究對象。隧道最大道路橫斷面深度開挖寬度為12.5 m，最大隧道豎向深度開挖深度設計為7.5 m。選取符合幾何力學模型的隧道尺寸設計為：隧道橫向開挖長度設計為90 m，縱向開挖長度設計為20 m，豎向高度為60 m，采用每根錨桿連接長度設計為4 m，共13根，每根采用錨桿之間的連接弧長為1.8 m。圍巖與巖土支護隧道結(jié)構(gòu)模型材料設計參數(shù)見表1及表2，隧道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其屬性材料參數(shù)見表3，建立的隧道有限元結(jié)構(gòu)模型中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示[7-8]。

4 數(shù)值分析

根據(jù)有限元模型得出的隧道位移及變形圖，為更加準確地研究隧道圍巖的穩(wěn)定性，特對隧道橫斷面取關鍵控制點，控制點位置如圖2所示。

4.1 圍巖應力分析

由圖3可知，在環(huán)繞隧道主體輪廓的左側(cè)拱腳處再次出現(xiàn)最大應力云的集中移動現(xiàn)象，在右側(cè)側(cè)拱的主腳拱底處再次出現(xiàn)最大主應力大約為1.4 MPa，在左側(cè)拱底處再次出現(xiàn)最小主應力大約為0.13 MPa。在隧道施工管理過程中，當發(fā)現(xiàn)隧道圍巖掌子面支護施工尚未完成時，及時施作隧道噴混及砂漿錨桿應力支護，可減少墻壁應力減小帶來的隧道圍巖向斜及隧道內(nèi)墻壁變形等問題。同時，伴隨著隧道圍巖與錨桿支護主體結(jié)構(gòu)的變形成拱結(jié)合效應，隧道的墻壁應力也會逐漸減小。

4.2 圍巖位移分析

圖4為隧道的位移云圖。

由圖4可知，在拱頂出現(xiàn)最大沉降值3.5 mm，在拱底區(qū)域發(fā)生隆起，最大隆起值為3.7 mm。隨著隧道土體的開挖，由于隧道頂部圍巖的脫空，造成一定的變形，而隨著噴混及錨桿支護的施作，位移逐漸減小，最終伴隨著成拱效應，隧道圍巖逐漸穩(wěn)定。

當一次開挖工作完成后，在二次開挖時斷面頂部和底部均會出現(xiàn)基層應力強度集中狀態(tài)現(xiàn)象，隨著基層噴射鋼筋混凝土及沖壓鋼筋網(wǎng)等襯砌支護施作措施的陸續(xù)完成，頂部的應力強度集中狀態(tài)現(xiàn)象也將得到有效的緩解。當整個開挖斷面的二次凝土襯砌支護施作進行完畢后，除底部區(qū)域應力較為明顯外，其他部分區(qū)域均仍然處于低強度應力集中狀態(tài)，如圖5～6所示。

通過對大量實測隧道的變形值進行分析，如圖7～8，可知隧道有限元分析的變形值大于實測值，大致有以下幾點原因：

（1）測量滯后的影響，一般情況下，隧道施工過程中，由于現(xiàn)場測量的必要性，往往在隧道掌子面開挖完成后才能進行數(shù)據(jù)量測工作，這就會導致測量結(jié)果與實際結(jié)果有所差距;

（2）參數(shù)的選取，強度準則的確定對于圍巖參數(shù)的選擇有很大的影響，不同的準則帶來的參數(shù)的不同會得出不同的分析結(jié)果，影響結(jié)果的準確性。

根據(jù)對塌方隧道的大量觀測實踐理論研究，為有效減小二者觀測誤差，使觀測理論與實際經(jīng)驗能夠有較好地吻合，可提供下述幾點參考意見：

（1）在觀測隧道塌方圍巖的重點區(qū)段落石處，應及時趕到現(xiàn)場，及時進行量化觀測;

（2）及時查看隧道掌子面塌方圍巖變形狀況，適當調(diào)整變形參數(shù)值并進行多次材料模擬后的分析與統(tǒng)計比較;

（3）一般由于未準確計入塌方圍巖的隧道開挖初始值的變形參數(shù)值，等效值的彈性模量較大，該變形值可直接參照開挖終測時的相反模量分析觀測值;

（4）對于一些隧道塌方圍巖觀測級別較差的地段，由于隧道塌方后的落石隨時都有可能重復出現(xiàn)，及時調(diào)整測量落石點有困難，在進行有限元材料模擬時，觀察隧道圍巖巖層破碎或同時加入淤泥后的夾渣落石情況以及超前觀測預報落石情況，可根據(jù)實際經(jīng)驗適當調(diào)整選取相關參數(shù)。

5 結(jié)語

（1）運用MIDAS/GTS軟件，基于應力應變假設條件，對開挖后隧道三維及襯砌二維受力和位移進行分析，得出隧道圍巖穩(wěn)定性計算值與實測值的差異性并闡述原因，提出對應措施得到有限元結(jié)果的論證，為類似隧道工程的設計施工提供參考。

（2）在顯示隧道拱底輪廓的左側(cè)拱腳處底部出現(xiàn)最大應力值的集中隆起現(xiàn)象，在右側(cè)主拱的柱腳中央處底部出現(xiàn)最大主應力，在隧道拱底中央?yún)^(qū)域底部發(fā)生輕度隆起，最大發(fā)生隆起應力值為3.7 mm?？稍谀壳八淼绹鷰r掌子面澆筑施工尚未完成時，及時開始施作隧道噴混及其他錨桿結(jié)合支護，減少墻壁應力減小帶來的隧道圍巖向斜及隧道內(nèi)墻壁變形等問題。同時，伴隨著隧道圍巖與錨桿支護主體結(jié)構(gòu)的變形成拱結(jié)合效應，隧道的墻壁應力也可能會逐漸減小。隨著當時隧道頂部土體的持續(xù)開挖，由于隧道頂部整體圍巖的持續(xù)脫空，造成一定的位移變形，隨著隧道噴混及隧道錨桿整體支護的持續(xù)施作，位移逐漸會減小，最終還是伴隨著土體的成拱效應，隧道頂部圍巖逐漸穩(wěn)定。

[1]周光裕，謝小魚，陳秋南，等.基于最小安全系數(shù)法對隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2018，33（3）：54-58.

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