重庆丰盛场区域山体变形对隧道开挖响应特性研究

李飘 LI Piao；廖云平 LIAO Yun-ping

（重庆交通大学岩体研究所，重庆400074）

0 引言

地下工程建设引起的应力场及变形场变化是地下工程地质环境问题产生的重要原因之一，为尽量减少隧道工程开挖对地表产生的不良影响，必须对地表沉降和变形进行深入研究和有效预计，从而合理控制隧道开挖引起的地表沉降和变形[1-2]。

国内外众多学者通过大量工程实践的研究，总结经验并提出了多种计算隧道开挖引起地表沉降的方法，如经验公式法、理论解析法、物理模型法、数值模拟法等[3-5]。本文针对重庆丰盛一矿隧道开挖工程，运用大型通用有限元软件MIDAS／GTS，建立隧道断面开挖施工模型，进行施工过程模拟；计算隧道开挖引起的拱顶和地表沉降，通过分析、研究，总结出不同的结构、岩性和埋深状况下隧道开挖对地层和地表的沉降影响，并以此判断最佳开挖位置。

1 工程概况

丰盛一矿矿道位于重庆市长阳县的丰盛镇和双河口镇之间，贯穿丰盛场勘查区全部的丰盛场背斜。丰盛场背斜轴向为近于南北向延伸的不对称背斜，轴面东倾，倾角70～75°。其东翼较缓，倾角 22～50°（轴部较平缓），西翼较陡，倾角50～70°（局部倒转）。主、副斜井石门穿一条走向逆断层，为一高角度的走向逆断层，走向近南北，断层面东倾，倾角为70～75°。本区地层以发育沉积岩为其特征，未发现岩浆岩踪迹。

本文结合丰盛一矿隧道围岩的工程地质特点，应用Midas/GTS软件模拟研究了隧道的开挖对周围环境的影响及其影响因素。

2 模型的建立及参数的确定

本文在进行隧道开挖模拟时采用大型通用有限元软件MIDAS/GTS建模并计算。

2.1 基本模型的建立 ①模型尺寸：模型尺寸为6000m×5500m×820m；②地层划分：按图1所示地层情况进行划分（方向为左西右东）；③洞口断面形态：见图2；④约束条件：模型底部边界约束Z方向（固定约束），两侧边界约束X方向（水平约束），前后边界约束Y方向（水平约束）；⑤荷载条件：自重应力荷载；⑥通过单元的激活和删除来模拟隧道的开挖；⑦采用全断面开挖法。

图1 地质剖面图（带模拟隧道位置）

2.2 计算模型的建立 以隧道埋深每增加50m，建立一个计算模型，一共10个模型，即埋深从50m到500m。隧道断面，洞口半径 R1=6.5m，R2=6m，倾角 A1=60°，A2=55°。开挖方向为由西向东，即西段为入口段，东段为出口段。

2.3 本构方程的确立 模拟涉及的岩土体采用德鲁克-普拉格模型，即d-p模型。运用d-p准则来判断岩土体是否发生破坏。Drucker-Prager(DP)准则应用于颗粒状材料，如土壤、岩石和混凝土。

2.4 岩土物理力学参数 模型模拟采用的岩土材料参数如表1。

表1 岩体参数表

3 计算及结果分析

3.1 模拟结果判断 由隧道开挖后周围区域最大主应力和最大剪应力分布，可以判断此时洞壁最易发生破坏的区域，以及是否出现应力集中。由隧道的横向和竖向位移，可以判断隧道是否坍塌以及其范围。

3.2 变形影响因素研究

3.2.1 隧道埋深 ①一般地说，隧道埋深越大，上覆岩体对隧道的围压就越大。张素敏[6]等通过分析发现，各级围岩随着埋深的增大，围岩变形值明显增大：拱部围岩特征曲线的形态也由直线型向发散的曲线型发展。从图中可以看出，随着埋深增加，其拱顶沉降量整体也是增加的，这和张素敏等的研究结果基本一致。②随着埋深的增加，对周围岩体扰动及地表沉降的影响趋势基本一致。图2为不同埋深下隧道开挖时地表沉降的变化曲线图。从图2中可知，隧道的进出口两端的开挖会造成地面土体较大的沉降变形，其具体数值随埋深的变化而变化。此两段由于隧道穿过地层较多，岩性较复杂，而且多为岩性不同的两地层交界处，在岩性相差较大的两个相邻地层间进行的开挖，导致地表沉降量较大，容易出现塌陷等灾害。

图2 不同埋深下隧道开挖地表沉降的变化

图3表示不同埋深下隧道开挖时拱顶竖向变形的变化曲线图。从图中可知，隧道开挖对顶部岩体的位移影响也存在一个总体规律，即在隧道的进出口两端的开挖会造成较大的沉降变形。

不同埋深的隧道对地下和地表环境的位移影响有较大差异。随着埋深的逐步增加，沉降量出现规律性变化。如图2所示，其值随着埋深的增加而逐渐增大。

同样，如图3所示，各埋深的拱顶竖向位移变化规律基本一致，其值随埋深的增加而增大。从图3中可知，东段的数值相对较大，变化较剧烈。从以上分析可以得出结论：随着埋深的增加，隧道开挖对地表沉降量先减小，之后增大。而隧道拱顶竖向位移则逐渐增大。综合比较，隧道埋深在150m至200m之间，无支护条件下时，开挖对地表和地下环境的扰动较小，发生灾害的可能较小。

图3 不同埋深下隧道开挖拱顶沉降的变化

3.2.2 地层的影响 如图2和图3所示，在地层交界处开挖隧道，其受到的影响最大，容易出现较大变形，或破坏。反观之，在模型中段虽然也有好几处地层交界处，但是由于这些地层的岩性都为灰岩或泥灰岩，强度差异不大，所以没有出现大的位移变化。

通过观察比较中可以发现，随着埋深的变化，拱顶和地表沉降变化都是从两端向中段逐渐趋于平缓，但是其开始变缓的具体位置各有不同。

结论：隧道开挖主要在岩性较差、强度较弱的岩层如泥岩和泥灰岩区域，对周围岩体和地面的扰动影响较大，而在挖掘进入强度相对较大的岩体内时，由于围岩稳定性较好，开挖对周围岩体影响很小。

4 结论

①在不同岩性的地层交界处进行隧道的开挖，容易引起周围岩体的扰动，进而出现大的变形或破坏；但如果交界的两个地层岩性相同或相近，则变形较小或不会出现类似的问题。

②隧道埋深对围岩破坏程度有重要影响，随着埋深的增大，围岩破坏程度渐进扩大趋势，同时地表沉降量先减小后增大。

③通过使用有限元软件MIDAS/GTS分析不同埋深隧道的开挖，基本符合围岩和地表变化的规律，证明可以用此软件对整体模型进行更进一步的分析。

[1]中华人民共和国交通部.JTGD70-2004，公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]中华人民共和国交通部.JTJ042-2004，公路隧道施工规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]RB Peck.Deep excavations and tunneling in soft ground.State of Art Report Proc.7th Int.Conf.SMFE.Mexico：Mexico University Press，1969：225-290.

[4]陈利杰,张晓平等.城市浅埋软岩隧道施工沉降分析及对策[J].工程地质学报，2010，18(2)：281-288.

[5]刘宝琛,张家生.近地表开挖引起的地表沉降的随机介质方法[J].岩石力学与工程学报，1995，14(4)：289-296.

[6]张素敏,宋玉香,朱永全.隧道围岩特性曲线数值模拟与分析[J].岩土力学,2004,25(3)：455-458.