李衍翰 LI Yan-han；廖云平 LIAO Yun-ping

（重庆交通大学河海学院，重庆400074）

0 引言

随着我国交通事业的迅速发展，隧道建设也进入了一个新的发展时期。除了城市地铁隧道与海底隧道，绝大多数隧道都是在山体中开挖，山体往往有各种各样的地貌特征，这些地貌特征往往决定山体的初始地应力场。越来越多的学者采用数值模拟的方法来研究隧道开挖过程中的受力与变形，若未考虑山体地貌特征，那么山体的初始地应力场也就不准确，得到的分析结果也一定和工程实际有别。本文主要介绍利用山体的等高线图，建立三维地质模型，并进行开挖分析，得出更符合工程实际的结论。

1 地貌特征

该等山地高线图尺寸横526m；纵500m，最高峰海拔575.9m，最低海拔409.7m，该山地地貌陡峭，地势走向左低右高，山高谷深，地形起伏多变，模型必须考虑地形起伏的影响。

图1 某山地等高线图

2 工程概况

隧道采用三车道大断面设计，隧道断面形式采用三心圆，三心圆参数r1=14m，r2=6.5m。隧道轴线总长500m，隧道平均埋深250m，走向自南向北，隧道开挖形式采用全断面开挖，山体岩性为砂岩，参数见表1。

3 隧道三维地应力场模拟

3.1 地质有限元模型 根据1：1的野外调查数据建立地质模型，将山地地貌等高线图导入Midas GTS地形生成器，生成山体地形。模型尺寸xy=526m×500m，200m＜z＜575.9m，模型边界X，Y方向位移面约束，Z方向底面位移面约束。本构模型选择Drucker-Prager模型。为分析隧道的开挖效应，计算过程中不考虑支护的影响。

表1 岩石力学参数

3.2 模拟计算结果

3.2.1 初始地应力 图2为隧道开挖前山体竖向应力等值线云图，即山体初始地应力云图。

图2 初始地应力等值线图/kPa

地应力明显受地形地貌分布影响，在山谷低凹地带应力值变高，一般在0.66Mpa以上，个别地区可达1.17Mpa（压应力）。在地势较高的地方应力值变低，在山顶地区应力值最低。深层地应力恰恰相反，在地势较高覆盖层下方的地区，地应力变高，最大达到了8.39Mpa，位于山体的东南角下方。

3.2.2 隧道开挖后应力场 隧道开挖后，对隧道围岩产生动态的扰动，造成应力重分布：隧道开挖导致岩体内部应力释放，拱顶岩体下沉，发生洞顶坍塌现象；拱底部岩体发生卸荷回弹，发生拱底底膨现象。

图3为隧道贯通后，隧道进洞口横截面von mises应力等值线图，a为整体视图，b为隧道围岩视图。

图3 von mises应力等值线图/kPa

从图3分析，隧道贯通后，最容易被破坏的还是隧道围岩范围，其中拱腰周围最容易发展成为塑性区；左拱腰处的von mises应力极大值为10.9Mpa，右拱腰处为12.7 Mpa，相差1.8Mpa，地势较高的岩层覆盖区之下的右拱腰受地形的影响，比地势较低的岩层覆盖区之下的左拱腰更容易发生塑性破坏。

4 结语

从模拟结果可以看出，地形对隧道数值模拟产生了很大的影响，我们今后在隧道三维数值仿真中，必须加入地形因素考虑，以达到更理想的数值模拟效果。

三维数值模拟还有更多的因素需要考虑：山体的地质结构与材料的各向异性以及溶洞、采空区等等不良地质结构。更加真实反映工程实际的地质模型将是以后的发展的方向。

[1]张宇，何川，伍晓军.复杂地质条件下隧道三维变形规律分析[J].岩土工程学报，2007，29（18）：1465-1471.

[2]李伟，张献州，吴玉苗.基于Midas GTS的隧道3维变形建模与可视化研究[J].测绘与空间地理信息，2012，35（10）：37-39.

[3]夏保祥，程崇国.三车道大断面公路隧道研究现状综述[J].地下空间，2002，22（4）：360-366.

[4]王明年，关宝树，何川.三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行为研究[J].岩土工程学报，1998，20（1）：51-55.

[5]王薇，王连捷，乔子江等.三维地应力场的有限元模拟及其在隧道设计中的应用[J].地球学报，2004，25（5）：587-591.