鄭英豪 張帥 閆鑫

摘 要：為探究在不同地形偏壓角度下由于隧道開挖而對(duì)圍巖產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，通過數(shù)值模擬建模，計(jì)算并分析了不同偏壓角度對(duì)隧道施工的影響，結(jié)果表明：隧道各控制點(diǎn)處的最大位移絕對(duì)值小于10 mm，表明淺埋隧道開挖時(shí)，地形偏壓對(duì)于隧道周邊收斂值的影響存在一定的影響，但總體上影響較小。不同偏壓角度的沉降變化曲線形態(tài)類似，隨著偏壓角度的增大，左拱腰在開挖初期有隆起的趨勢(shì)，但是在開挖后期，卻出現(xiàn)了下沉，并且下沉量也有加速增大的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：淺埋偏壓隧道；偏壓角度；數(shù)值模擬

Study of the Mechanical Behavior of Shallow Buried Tunnel Excavation

under Different Deflection Angles

Zheng Yinghao Zhang Shuai Yan Xin

（ School of Civil Engineering，Hebei University of Civil Engineering and Architecture，Zhangjiakou，Hebei 075000）

Abstract：In order to investigate the mechanical effect on the surrounding rock due to tunnel excavation under different topographic deflection angles，the effect of different deflection angles on the tunnel construction was calculated and analysed through numerical simulation modelling.The results show that the maximum displacement at each control point of the tunnel is less than 10 mm in absolute value，indicating that there is a certain influence of topographic deflection on the convergence value around the tunnel during shallow buried tunnel excavation，but the overall influence is small.The settlement curves for the different deflection angles have a similar pattern，with the left arch waist tending to bulge at the beginning of the excavation as the deflection angle increases，but at the end of the excavation there is subsidence and an accelerated increase in the amount of subsidence.

Key words：shallow buried deflection tunnel;deflection angle;numerical simulation

隨著我國(guó)公路及鐵路隧道建設(shè)向更偏遠(yuǎn)山區(qū)延伸，當(dāng)前隧道修建也面臨著嚴(yán)峻復(fù)雜的地質(zhì)條件。由于地形、地質(zhì)、施工條件等影響新建隧道線路走向無法完全垂直于地形等高線時(shí)，在隧道橫截面上就會(huì)產(chǎn)生由于地形分布不均勻所導(dǎo)致的偏壓應(yīng)力，同時(shí)在隧道進(jìn)出口段由于上覆土層較薄而形成的淺埋偏壓隧道。［1-2］因此，闡明地形偏壓條件下淺埋隧道力學(xué)特征及其作用規(guī)律有利于更好地針對(duì)其進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而保證隧道施工中隧道的整體穩(wěn)定性及安全性。

偏壓角度是對(duì)地形偏壓的概化，［3］當(dāng)增大偏壓角度時(shí)，隧道斷面兩側(cè)所受不平衡應(yīng)力越大，且在偏壓角度較大時(shí)，偏壓隧道深埋側(cè)所受應(yīng)力會(huì)顯著高于淺埋側(cè)所受應(yīng)力，從而加劇了二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象。［4］相比無偏壓隧道，偏壓地形對(duì)于隧道安全施工有較大影響，地層的穩(wěn)定性難以控制；［5-8］李思以襯砌安全系數(shù)為安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了存在空洞的情況下，偏壓角度對(duì)襯砌安全性的影響；［9］羅晶將偏壓系數(shù)、圍巖安全系數(shù)、襯砌安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出了隨著洞室埋深的增大，隧道襯砌內(nèi)力偏壓效應(yīng)有所減小的規(guī)律；［10］郭一凡針對(duì)某實(shí)際隧道工程，采用有限元分析方法，分析得出偏壓角度大于30°時(shí)，隧道偏壓應(yīng)力和偏壓系數(shù)會(huì)明顯變化，當(dāng)偏壓系數(shù)提高到1.8以上，會(huì)加劇偏壓作用。［11］

由上述文獻(xiàn)可知，偏壓角度的改變會(huì)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性及隧道開挖中的安全性產(chǎn)生較大影響?；诖?，本文通過基于有限差分算法的FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，建立相應(yīng)偏壓隧道模型，分析在隧道開挖過程中，不同偏壓角度下的圍巖應(yīng)力分布及拱周位移變化規(guī)律。

1 偏壓隧道模型建立

1.1 前提假定

由于巖土材料的組成成分繁多且存在節(jié)理、裂隙等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，若對(duì)巖土材料的全部力學(xué)特性進(jìn)行模擬是十分困難的，且對(duì)于本文研究問題來說也是不必要的，因此，在計(jì)算之前進(jìn)行一些前提假定：［12-14］（1） 忽略巖層破碎帶、強(qiáng)富水導(dǎo)致圍巖的不連續(xù)性，采用連續(xù)介質(zhì)模型；（2） 本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)；（3） 初始應(yīng)力忽略構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)，僅考慮重力場(chǎng)影響；（4） 隧道偏壓角度及埋深為均勻變化。

1.2 模型建立

計(jì)算模型綜合運(yùn)用了Midas GTS的前處理功能和FLAC的本構(gòu)模型及計(jì)算功能。采取Midas GTS進(jìn)行前期建模，在可視化界面下進(jìn)行新建偏壓隧道模型的建立。結(jié)合工程實(shí)際情況確定洞室最大跨度處寬度為14 m，矢高為11 m。依據(jù)圣維南原理，確定模型長(zhǎng)（X）為100m，沿隧道開挖方向（Y）為30 m，模型高度（Z）因工況不同有所不同。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分上，地層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格單元尺寸為3 m，襯砌結(jié)構(gòu)尺寸較小，故在網(wǎng)格單元?jiǎng)澐诌m當(dāng)加密，網(wǎng)格單元尺寸為2 m。偏壓隧道模型共12749個(gè)節(jié)點(diǎn)，11360個(gè)單元，新建偏壓隧道模型的網(wǎng)格劃分及控制點(diǎn)布置如圖1所示。

數(shù)值模擬計(jì)算工況為偏壓角度10°～35°，隧道埋深20m，圍巖等級(jí)V級(jí)。在有限元的數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，材料的力學(xué)參數(shù)是否合理將直接影響到偏壓隧道支護(hù)設(shè)計(jì)模擬的準(zhǔn)確性。本模型主要分為三個(gè)部分：偏壓土層、初期支護(hù)、二次襯砌以及錨桿。根據(jù)頭道溝工程勘察報(bào)告，確定工程場(chǎng)地范圍內(nèi)主要地層為V級(jí)圍巖，其主要物理力學(xué)參數(shù)為：重度18.5×103 kN·m2、彈性模量1.5 GPa、泊松比0.35，除錨桿采用Pile結(jié)構(gòu)單元模擬，圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬。圍巖及偏壓隧道物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 偏壓角度因素影響

不同偏壓角度工況下，隧道開挖最大主應(yīng)力云圖如圖2（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示，各控制點(diǎn)總體位移和相對(duì)位移見表2。

分析主應(yīng)力云圖可得：不同偏壓角度下的沉降云圖無明顯差異，圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化呈現(xiàn)非對(duì)稱，深埋側(cè)的變化程度大于淺埋側(cè)。隧道主應(yīng)力敏感區(qū)域?yàn)樽蠊把白笥夜澳_，且隧道左拱腳處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，深埋側(cè)隧道拱腳最大壓應(yīng)力在偏壓角度10°、15°、20°、25°、30°、35°下，分別為0.508 MPa、0.528 MPa、0.488 MPa、0.473 MPa、0.471 MPa、0.461 MPa。最大壓應(yīng)力大小隨著偏壓角度的增加總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這是由于偏壓角度越大，隧道深埋側(cè)上覆圍巖自重越大，使得隧道左右兩側(cè)應(yīng)力分布越不對(duì)稱。

由表2可得，隨著隧道開挖，最大豎向沉降量集中在隧道拱頂上方，且隧道底部出現(xiàn)了隆起的現(xiàn)象。在隧道埋置深度不變的情況下，隨著偏壓角度的增大，偏壓隧道深埋側(cè)各控制點(diǎn)開挖后豎向位移也在不斷增大，并以拱頂處沉降值增幅為最大。特別是隧道角度在30°～35°時(shí)，偏壓隧道拱頂處位移值增長(zhǎng)率最大。隨著偏壓角度的增大，除了拱底處位移，隧道內(nèi)各控制點(diǎn)位移呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其中最大沉降量出現(xiàn)在隧道拱頂上方。同時(shí)可以看出，隧道各控制點(diǎn)處的最大位移絕對(duì)值小于10 mm，表明淺埋隧道開挖時(shí)，地形偏壓對(duì)于隧道周邊收斂值的影響存在一定的影響，但總體上影響較小。其中，偏壓角度在30°～35°之間時(shí)隧道拱肩、拱腰、拱腳收斂變形最為顯著。如偏壓角度從30°增大到35°后，拱肩收斂值從3.2 mm增加至3.6 mm，增幅12.5%。拱腰收斂值從2.2 mm增加至2.4 mm，增幅9%，拱腳收斂值從1.6 mm增加至1.9 mm，增幅18.75%。

為研究隧道各部位在開挖施工中的位移變化值，沿開挖方向在隧道斷面各位置處布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）為不同偏壓角度下隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化曲線。

通過分析圖3不同偏壓角度下Y=15m斷面處隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化曲線可得：

不同偏壓角度的沉降變化曲線形態(tài)類似，隨著偏壓角度的增大，隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值隨隧道開挖掌子面的推進(jìn)不斷增大，從圖中可以看出拱底處在隧道開挖過程中表現(xiàn)為上浮，拱頂處位移表現(xiàn)為下沉，值得注意的是，左拱腰在開挖初期有上浮的趨勢(shì)，但是在開挖后期，卻出現(xiàn)了下沉，并且隨著偏壓角度的增大，下沉量也有加速增大的趨勢(shì)。當(dāng)偏壓角度從10°增大至15°時(shí)，左拱腳和右拱腳處沉降量有較大變化，在偏壓角度為10°、15°時(shí)，左拱腳沉降量分別為-0.8 mm（負(fù)號(hào)表示為隆起）、2.2 mm，變化量為3 mm；右拱腳沉降量分別為0.4 mm、3.1 mm，變化量為2.7 mm。因此可以看出，在偏壓角度較小的情況下，要多注意偏壓隧道左右拱腳處的位移變化，以免拱腳處因偏壓應(yīng)力而造成失穩(wěn)破壞。

3 結(jié)論

（1）隧道開挖完畢后，不同偏壓角度下的沉降云圖無明顯差異，圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化呈現(xiàn)非對(duì)稱，深埋側(cè)的變化程度大于淺埋側(cè)。隧道主應(yīng)力敏感區(qū)域?yàn)樽蠊把白笥夜澳_，且隧道左拱腳處出現(xiàn)最大主應(yīng)力集中，且拱腳處壓應(yīng)力大小隨著偏壓角的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

（2）隧道各控制點(diǎn)處的最大位移絕對(duì)值小于10 mm，表明淺埋隧道開挖時(shí)，地形偏壓對(duì)于隧道周邊收斂值的影響存在一定的影響，但總體上影響較小。

（3）隨著偏壓角度的增大，左拱腰下沉量有加速增大的趨勢(shì)。在偏壓角度較小時(shí)，要多注意偏壓隧道左右拱腳處的位移變化，以免拱腳處因偏壓應(yīng)力而造成失穩(wěn)破壞。

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（責(zé)任編輯 郭曉勇）