肖拥军，肖 慧，雷隆贤

(1.湖南科技大学土木工程学院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室， 湖南湘潭市 411201)

隧道开挖支护过程围岩变形机理的数值分析

肖拥军1，2，肖 慧1，雷隆贤1

(1.湖南科技大学土木工程学院， 湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室， 湖南湘潭市 411201)

对育王岭隧道出口段建立了三维工程地质模型，选取工程岩体力学参数，利用FLAC3D软件分析了四级围岩随着开挖及支护过程应力场、位移场的变化特征，模拟结果表明围岩的分步支护过程对围岩应力应变产生了调节作用，其中二次衬砌和仰拱施工对于围岩应力调整作用明显，施工后隧洞底部围岩由受拉状态转变为受压状态，最大拉应力分布区域转移到了仰拱处，有利于隧道稳定。

隧道支护；围岩；变形机理；数值模拟

0 引 言

隧道建设场地有比较复杂的工程地质条件，隧道施工的安全性问题从而越显关键。但隧道施工过程难以用室内试验来模拟，因此运用数值模拟的手段来研究隧道施工成为重要方法。张勇针对金坪引水隧洞围岩变形稳定性问题，对隧洞在大埋深环境下的围岩应力分布特征进行了数值模拟分析[1]；宿文姬等应用二维弹塑性有限元分析方法对阿娜隧道小净距隧道稳定性进行分析研究[2]；张敏等通过数值模拟分析研究了浅埋偏压隧道出口变形机理[3]；韩健等对石龙山隧道洞口软弱泥岩围岩段动态开挖过程进行了数值模拟研究[4]；唐剑等以忠垫高速公路明月山隧道为例，对公路隧道开挖与支护过程中的下围岩塑性区的分布进行了研究[5]；石坚等应用ANSYS软件对安徽省六潜隧道的开挖进行了数值模拟，得到了分步开挖下围岩的位移、应力场变化规律，支护衬砌结构的变形、应力分布及内力值分布情况[6]；左清军运用数值模拟手段对宜万铁路堡镇隧道围岩在高地应力条件下的变形特征及其影响因素进行了分析[7]；邵珠山等运用ABAQUS软件，结合实际隧道工艺建立了三维有限元模型，数值分析了隧道开挖后拱顶及周边位移的变化趋势，研究了围岩力学性能参数对隧道变形以及围岩稳定性的影响[8]；张王杰对关虎冲隧道工程施工过程进行了数值模拟研究，着重分析了隧道开挖过程中的围岩变形状态[9]；侯俊敏等以贵州省晴隆-兴义高速公路登攀隧道为工程依托，对洞口段围岩变形展开研究，研究结果表明隧道开挖引起围岩变形具有明显的时间效应和空间效应[10]。本文以宁波育王岭隧道出口段为例，应用数值模拟方法，研究了隧道开挖后支护过程围岩应力应变的变化特征。

1 工程概况

育王岭隧道是宁波第一条采用新奥法施工的轻轨隧道，连接北仑区和鄞州区，隧道进口里程为右K30＋730.000，出口里程为K32＋110.000，隧道全长1380 m，其中进出口各20 m明洞，暗洞1340 m。跨度11 m，高度9.5 m。隧道出口段围岩主要有中风化流纹斑岩及中风化熔结凝灰岩。隧道最大埋深为137 m，隧道衬砌结构按新奥法原理设计，采用超前支护和复合式衬砌结构，钻爆法施工，实际施工时采用了全断面开挖。在隧道爆破出渣通风后，立即采用锚喷和喷射混凝土，Ⅳ级围岩还需铺设钢拱架和钢筋网等，对围岩作初期支护。

2 隧道建模

论文选取育王岭隧道出口段80 m(K32＋40～K32＋120)进行建模分析，勘察资料表明K32＋40～K32＋075段围岩级别为Ⅳ级，主要由中风化流纹岩组成；K32＋075～K32＋110段围岩级别为Ⅴ级，主要由中风化熔结凝灰岩组成；K32＋110～K32＋120为隧洞出口外10 m。为保证计算消除边界效应的影响，隧道地质模型以隧道为中心各向左右50 m，宽到80 m，模型底部平面高程为零。模型长宽高分别为80，100，70 m，模型底面设置为固定支座，模型竖向四周限制为对应方向的限制铰支座。

本文运用AutoCAD，Sufer等软件对出口段附近建立三维模型[11]，根据围岩等级及隧道施工工序利用ANSYS软件进行工程岩组划分(见图1)，分为四级围岩、五级围岩、加固后四级围岩、加固后五级围岩、初期支护、二衬支护、仰拱等体单元。差分后导入FLAC3D软件中进行计算分析。

图1 育王岭隧道出口段三维工程模型

3 隧道开挖支护过程围岩变形机理

在三维模型中施加重力得到天然应力场后，开挖隧道空间得到围岩应力应变场；根据设计对围岩锚喷加固并初期支护后分析得到围岩应力应变场的变化；下一步在二衬及仰拱施工后，也模拟分析得到了围岩应力应变场特征，四级围岩选择K32＋50断面进行分析。

3.1 应力场变化特征

四级围岩开挖未进行支护时，模拟得到断面最大主应力云图(见图2)，表明在隧洞底部和顶部的一部分形成由应力释放产生的拉应力集中区，而在隧洞的两侧下部出现了最大压应力集中区。拉应力集中区、压应力集中区并不完全对称，这与隧道地表地形变化有关。

图2 四级围岩支护前最大主应力云图

在进行围岩锚喷加固及初期支护后，隧洞周围的应力场发生了变化(见图3)，在隧道开挖后顶部产生的拉应力区消失了，隧洞两侧下部最大压应力集中区分布有所缩小，隧洞周围的应力变化相对均匀，说明初期支护工程对围岩应力场分布起了调节作用。在初期支护过后，可以发现虽然拉应力和压应力有一定程度上的降低，但在底部的压应力集中区并未得到解决，说明需要进一步支护。

图3 四级围岩初期支护后最大主应力云图

在模拟完成二次衬砌和仰拱之后可以发现，四级围岩应力集中的现象大大减少(见图4)，原本在两侧底部的压应力集中现象得到缓解，整体上围岩所受的最大压应力值得到了减小，隧洞底部围岩处由受拉状态转变为受压状态，同时可以发现最大拉应力分布区域转移到了仰拱处。

图4 四级围岩二衬及仰拱后最大主应力云图

3.2 位移场变化特征

模拟分析结果表明，四级围岩开挖后隧道变形以垂直方向为主，在隧道开挖后未进行支护时拱顶处竖向最大位移可以到达0.65 mm，在底部产生的底鼓最大位移将达到0.87 mm。在经过初期支护以后可以发现在四级围岩处拱顶最大变形发生了增长，达到了1.12 mm，但产生较大变形的区域相对未进行初期支护时减少了，在底部发现虽然变形区域并未发生改变，但是最大位移减小到0.78 mm，说明初期支护后围岩应力分布发生了调整，变形集中到了拱顶处。在经过二次衬砌和添加仰拱之后，可以发现拱顶的位移大大减小到只有0.34 mm，而在底部的底鼓现象也减弱。由应力图发现仰拱承担了较大的应力作用，但是由于其强度高抵抗变形能力强，因此最终产生的变形相对较小。模拟分析得到的变形数据与实际监测数据基本一致。

4 结 论

本文利用AutoCAD、Sufer、ANSYS、FLAC3D软件对育王岭隧道出口段建立了三维工程地质模型，模拟隧道开挖支护过程，并分析了围岩应力应变状态的变化特征。结果表明四级围岩开挖未进行支护时，围岩中分布有拉应力集中区、压应力集中区。初期支护工程对围岩应力场分布起了调节作用。在完成二次衬砌和仰拱之后，四级围岩应力集中的现象大大减少，隧洞底部围岩处由受拉状态转变为受压状态，同时可以发现最大拉应力集中转移到了仰拱处，研究结果对隧道施工有一定的指导意义。

[1]张 勇，聂德新.金坪引水隧洞围岩变形稳定性评价[J].工程地质学报，2005，13(4):461-464.

[2]宿文姬，朱仙华，潘 健.小净距公路隧道稳定性数值模拟分析[J].工程地质学报，2006，14(2):253-256.

[3]张 敏，黄润秋，巨能攀.浅埋偏压隧道出口变形机理及稳定性分析[J].工程地质学报，2008，16(4):482-488.

[4]韩 健，刘山洪，常彬彬.石龙山隧道洞口施工过程的数值模拟研究[J].公路隧道，2008(1):14-17.

[5]唐 剑，付 洵，莫阳春.明月山隧道施工力学响应FLAC3D数值模拟[J].路基工程，2008(2):86-88.

[6]石 坚，丁 伟，赵 宝.隧道开挖过程的数值模拟与分析[J].铁道建筑，2010(02):21-24.

[7]左清军，吴 立，张良刚，等.隧道围岩变形特征及其影响因素的数值模拟[J].铁道建筑，2012(8):58-60.

[8]邵珠山，李晓照，陈福成，等.大跨软岩公路隧道围岩稳定性分析[J].地下空间与工程学报，2012，8(6):1221-1227.

[9]张王杰.关虎冲隧道施工过程数值模拟与分析[J].采矿技术，2014，14(1):82-84.

[10]侯俊敏，董 辉.山岭隧道洞口段围岩变形特征分析[J].地下空间与工程学报，2014，10(4):818-822.

[11]杨昌才，肖拥军，邓 敏.基于放样和切割的FLAC3D复杂滑坡建模[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2012，27(4): 49-54.

[12]中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范(JDG D70-2014)[S].北京:人民交通出版社，2014.

[13]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)[S].北京:中国建设工业出版社，2011.

2016-03-11)

肖拥军(1974-)，男，湖南祁东人，博士，副教授，主要从事工程地质教学科研工作，Email:yongjunxiao2002@ 126.com。