浅埋偏压隧道围岩稳定性数值分析研究★

刘天宇

(中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010)

0 引言

工程中偏压隧道一般是指受偏压荷载(不对称压力)的隧道。产生偏压的主要原因有地形原因和地质原因。地形上原因是洞顶覆盖较薄，地面横坡显著倾斜，多见于洞口浅埋地段及傍山浅埋地段[1]。地质上，若围岩为倾斜层状结构，层间粘结力差、伴随有害节理裂隙切割时，或洞身有倾角较陡的软弱结构面，围岩一部分较软、一部分较硬时，或存在软弱夹层断裂带时容易发生偏压。另外，施工期间因各种原因造成的一侧塌方，也易形成显著偏压[2]。

对于浅埋偏压隧道，在力学形态分析上，一般可采用“荷载—结构”模型[3]，但其荷载及结构分析方法具有特殊性;在围岩变形上由于荷载的不对称，而造成变形的不对称，在设计时应采用不同的支护方式;在开挖施工时也应对断面采用不同的开挖顺序[4]。对此本文将以西气东输三线西段红石沟隧道工程为依托，利用有限元软件(FlAC3D)对浅埋偏压隧道围岩的受力特性和变形特性进行分析。

1 工程概况

拟建红石沟隧道位于宁夏回族自治区中卫市迎水桥镇孟家湾村，隧道自西向东方向穿越红石沟山脉，地形高低起伏大，切割深，山谷陡峻、纵横交错，通视条件较好。从大的地貌上看隧址区东西两侧高程相当，进洞口(西侧)地形起伏较大，自然坡角在40°～80°，坡高约60 m;洞口上方无植被覆盖，表层基岩裸露，局部位置堆积有层厚约0.5 m的由砂岩风化坡残积而成的碎石，呈松散状。岩体以砂岩为主，较为完整。但是，隧址区附近地区断裂构造较为发育，地质构造复杂，新构造运动较为活跃。隧道K0+124 m位置附近发现有一处小型断裂:该断层为正断层，带宽约为1.5 m，断层产状 50°∠70°。

隧道入洞口全貌见图1。

图1 红石沟隧道进洞口地形地貌

2 数值模拟及结果分析

2.1 计算模型建立及计算参数

本文依据红石沟隧道入口处现场实际地质概况建立了如图2所示的三维计算模型，计算坐标系X轴沿隧道轴线方向，Y轴为水平方向，Z轴竖直向上。计算范围为:X方向长度为250 m，Y方向长度100 m，Z方向最大厚度约129 m。模型共有50.1万个单元，8.7万个节点。材料屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。边界条件设置为四个侧面和一个底面施加法向位移约束，顶面为自由面。

图2 数值计算模型

根据红石沟隧道的地质报告和现场实地勘察发现，隧道洞口处的围岩为砂岩，隧道入口一直到隧道掌子面区间的岩体为泥岩与砂岩的胶结物，而且其强度较低，通过室内试验对岩体参数进行了测试，获得计算参数见表1。

表1 岩体计算参数

图3 隧道进洞口不同断面围岩变形云图

2.2 数值计算结果分析

1)位移场分析。

从三维数值计算的结果看，受山体偏压影响，隧道进洞围岩变形场非完全对称，而且不同洞段围岩的变形量也不完全一样，但变形矢量都指向临空面。开挖完成后，由于应力释放，围岩变形表现为底板以竖向位移为主，拱部以水平位移为主，拱顶水平位移稍大于竖向位移(见图3)。

图4 隧道轴线位移剖面云图

图5 不同断面围岩最大位移

从图4可以看出，围岩的最大位移主要集中在位移拱顶的偏右侧以及底板位置，通过观察记录点位移，发现右侧边墙位移要明显大于左侧边墙位移。各断面最大位移量如图5所示。由此可见，对于处在浅埋偏压地段且岩性较弱的洞口，应及时施作仰拱，以尽早形成封闭受力环，以增强围岩整体稳定性。此外，通过隧道轴线剖面图可以看出，在断层位置，围岩的变形会产生一个突变，因此建议在断层区域开挖时可以采用减小进尺，以避免隧道出现大变形或者垮落现象。

2)应力场分析。

由隧道剖面的计算结果可知，隧道开挖对围岩产生扰动，使得围岩应力发生二次重分布，隧道周围径向应力释放，环向应力增加，使得围岩不同部位出现应力松弛和应力集中。应力要集中在右侧拱肩和左侧墙脚处，不同断面最大压应力值依次约为0.25 MPa，0.35 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，同时，在距洞口 20 m 和30 m时，右侧拱部及底板小范围内出现拉应力，但量值较小。同时数值计算结果还表明隧道开挖对上覆边坡岩体应力场具有一定程度的影响(见图6，图7)。

图6 隧道进洞口不同断面最小主应力云图

3)塑性区分析。

从三维数值计算的结果看，受强风化和较低的岩体力学强度制约，隧道开挖引起围岩的破损，导致不同部位围岩的屈服和塑性变形。从塑性区计算结果来看，在隧道拱部、两侧边墙及墙角位置产生了塑性区，同时，在断层处也出现了塑性区集中。此外地表也出现了少量的塑性区，表明隧道开挖对上覆边坡岩体产生了一定的影响。上述塑性区主要以岩体的剪切破坏为主，因此极有可能诱发隧道入口与断层处岩体的失稳现象(见图8，图9)。因此，在隧道入口及断层处需要对围岩进行加强支护。

图7 隧道进洞口不同断面最大主应力云图

图8 隧道轴线剖面图

图9 隧道进洞口不同断面塑性区分布图

4)塌陷区范围。

图10 隧道进洞口不同断面变形分布云图

通过数值计算发现，隧道开挖后在开挖断面上侧形成一个漏斗形的沉降区域，一直延伸到地表面，并且在地表面形成一定的沉降区(见图10)。在隧道顶部地表设置观测点，记录沉降量如图11所示。可以发现在距洞口30 m的地表沉降量最大，约为0.6 mm。

由计算变形分布云图可以看出，距进洞口的距离越大(埋深越深)，隧道引起的地表塌陷范围越大，沉降值越大。塌陷范围分别约为3.45 m，6.58 m，8.16 m，9.64 m。

图11 地表位移变化

3 结语

本文应用FLAC3D软件对红石沟隧道进洞口进行了数值模拟，分析了浅埋偏压隧道围岩开挖后的应力场、变形区、塑性区以及塌陷区的变化特征，得到如下结论:1)从模拟结果可以看出，由于偏压作用，隧道开挖后产生了不对称变形。拱顶处的沉降变化比较严重，并且形成地表的沉降，且深埋侧大于浅埋侧，这对地表的一些建筑物很不利，可以通过增设超前支护和对开挖断面及时支护的方式减小拱顶的沉降，同时应加强对围岩的变形监测并采取防护措施，确保隧道施工的安全。2)浅埋偏压隧道开挖过程中，隧道右侧拱部和底板产生了小范围的拉应力集中，量值较小。隧道深埋侧拱脚和拱部存在不同程度的压应力集中区。进行支护结构设计时，要充分考虑支护结构能够抵抗偏压作用引起的不均匀变形。3)塑性区主要产生在隧道两侧边墙及拱部，在隧道施工时，应注意及时采取喷锚等措施，防止隧道洞周裂隙进一步扩展，从而减小塑性区范围。此外，断层穿过处产生了较多的塑性区并且围岩变形在此处产生了突变，施工时应减小进尺并加强支护。

[1] 铁道部第二设计院.铁路工程设计技术手册[M].北京:中国铁道出版社，1976.

[2] 王叔刚，李术才，王 刚，等.浅埋偏压隧道洞口施工技术及稳定性分析研究[J].岩土力学，2006(27):364-368.

[3] 立 敏，刘小兵.交通隧道工程[M].长沙:中南大学出版社，2003.

[4] 李海威，李德武，常卫锋.浅埋偏压隧道围岩力学与变形研究[J].兰州交通大学学报，2012，31(1):43-51.