基于FLAC 3D的高地应力软岩隧道变形特征研究

摘要：为研究高地应力软岩隧道变形特性，文章依托某实际工程，运用FLAC 3D软件模拟围岩力学参数不变化、围岩仅受围压强化、围岩仅受应变软化、围岩受围压强化和应变软化耦合作用四种工况，并深入研究了隧道埋深和侧压力系数的影响，得到如下结论：（1）考虑隧道围岩受到围岩强化和应变软化耦合作用更符合实际工程中高地应力软岩的力学规律，且数值计算结果合理，可用于数值模拟；（2）增大隧道埋深会增大围岩变形，但对塑性区形状无影响；（3）侧压力系数对隧道变形有较大影响，过大或过小都会导致隧道变形增大；不同的侧压力系数时，隧道塑性区形状也不同。

关键词：隧道；高地应力；软岩；FLAC 3D；应变软化

0引言

随着我国西部地区的不断开发，隧道修建不可避免地要经过地应力较高的软岩地区，其大变形灾害问题是目前面临的一大难题，诸多学者曾对此进行研究。汪波等［1］认为支护可以有效缓解高地应力软岩隧道的变形灾害，并通过资料调研总结常见支护模式，对其有效性进行了深入分析。富志鹏等［2］探索适用于高地应力条件下的软岩隧道大变形控制技术，提出两种支护方案，并通过现场试验对比分析其加固效果。杨鑫等［3］依托中老铁路某隧道，研究了在开挖过程中隧道围岩及初支结构的变形破坏特性，并提出了相应的控制措施。王哲等［4］通过资料调研，总结归纳了软岩隧道大变形的机理，并基于弹塑性理论和回归分析提出相应的预测办法。马栋等［5］将现场监测数据与数值模拟相结合，分析了高地应力软岩隧道的大变形规律，并对其二次衬砌的时机进行了探讨。

学者们多采用传统弹塑性理论分析高地应力软岩隧道，但传统方法忽略了此类隧道特殊的力学特性和工程特性，所得结果与工程实际偏差过大。本文依托某实际工程隧道，根据资料调研对围岩设置不同的力学参数，采用FLAC 3D软件对围岩力学参数不变化、围岩仅受围压强化、围岩仅受应变软化、围岩受围压强化和应变软化耦合作用这4种工况进行模拟，并在此基础上进一步研究了隧道埋深和侧压力系数对其围岩变形的影响。

1 工程概况

依托工程为一单洞双线隧道，其最大埋深高达952 m。该隧道围岩多为Ⅳ级和Ⅴ级，其断层部分主要为泥岩和碎裂岩，节理发育，涌水风险大；其他部分主要以千枚岩为主，具有大变形现象，工程地质条件差，施工风险较大。

2 围岩稳定性分析

2.1 工况设置

根据资料调研，千枚岩对围压变化较为敏感，当围压较小时，为弹脆塑性模型，随着围压的不断增大，逐渐转变为应变软化模型。因此，在进行数值仿真计算时，需要注意千枚岩隧道围岩的应力-应变关系，特别是应力峰值之后的变化规律。根据应变软化模型，可将隧道开挖后的应力场分为弹性区、塑性区和残余区3个部分，将围岩的参与强度与峰值强度之比视为应变软化系数，将从塑性区变为残余区时的塑性剪切应变视为残余应变。此外，隧道围岩处于三维应力场，其径向应力又会对围岩有强化作用。为更准确地分析该工程隧道围岩变形特征，现设置如下4种工况：围岩力学参数不变化、围岩仅受围压强化、围岩仅受应变软化、围岩受围压强化和应变软化耦合作用，其参数变化如下页表1所示。其中，σ表示应力，ε表示应变。围岩重度为2 400 kg·m-3。

2.2 计算模型

根据依托工程实际情况，在ANSYS软件中取隧道的一半建立三维模型，其长宽高分别为50 m、20 m和100 m。将模型导入FLAC 3D软件中，设置前、后、左边界为法向约束，设置上、下、右边界为应力约束，模拟三台阶法循环开挖，其进度为1 m。模型如图1所示。

2.3 结果分析

隧道开挖结束后，4种工况下隧道径向应力随着深度的变化情况如下页图2所示。由图2可知，因4种工况均未设置隧道初支，故其初始应力均为0，最终应力与初始地应力一致，约为20 MPa。但是由于设置了不同的围岩参数变化规律，其径向应力的变化路径也不相同。相较而言，在围岩力学参数不变化的工况下，径向应力增长速度最快，扰动范围最小；当围岩仅受应变软化时，径向应力增长速度最慢，扰动范围最大。围岩受围压强化和应变软化耦合作用下的径向应力增长速度稍强于围岩仅受应变软化的工况，主要原因是围岩受到三向压缩作用，使其力学参数有一定的强化。

该数值仿真计算模型总体积为1×105 m3，四种工况下塑性区体积分别3.39×103 m3、4.16×103 m3、1.33×104 m3、1.21×104 m3，分別占总体积的3.39%、4.16%、13.3%、12.1%，且其分布形式均为圆形。

为分析隧道拱顶、拱肩、拱腰等特征点位移随开挖步数的变化情况，取隧道深度为10 m处的断面进行监测，得到相应的变化规律如图3所示。由图3（a）可知，4种工况下的拱顶沉降最大值分别为7.23 cm、3.59 cm、37.07 cm、12.24 cm。其中，当围岩仅受应变软化影响时，拱顶沉降值最大，是围岩力学参数不变化的5.13倍；当围岩仅受围压强化影响时，拱顶沉降最小，是围岩力学参数不变化的0.50倍；当围岩受围压强化和应变软化耦合作用时，其拱顶沉降是围岩力学参数不变化的1.69倍。

由图3（b）可知，4种工况下拱肩水平收敛最大值分别为4.80 cm、3.04 cm、18.34 cm、8.01 cm。其中，当围岩仅受应变软化影响时，拱肩水平收敛值最大，是围岩力学参数不变化的3.82倍；当围岩仅受围压强化影响时，拱肩水平收敛最小，是围岩力学参数不变化的0.63倍；当围岩受围压强化和应变软化耦合作用时，其拱肩水平收敛是围岩力学参数不变化的1.67倍。

由图3（c）可知，4种工况下拱腰水平收敛最大值分别为7.19 cm、4.21 cm、23.76 cm、10.39 cm。其中，当围岩仅受应变软化影响时，拱腰水平收敛值最大，是围岩力学参数不变化的3.30倍；当围岩仅受围压强化影响时，拱肩水平收敛最小，是围岩力学参数不变化的0.59倍；当围岩受围压强化和应变软化耦合作用时，其拱腰水平收敛是围岩力学参数不变化的1.45倍。

通过上述仿真分析计算可知，工况4（围岩受围压强化和应变软化耦合作用）考虑全面，符合该工程围岩力学规律且计算结果合理，可将其用于高地应力软岩隧道开挖施工的数值仿真计算。

3 影响因素分析

3.1 埋深对隧道围岩的影响

设置模型围岩受围压强化和应变软化耦合作用，采用实体单元模拟隧道初支，初支距掌子面1 m，为C25喷射混凝土，厚度为30 cm，泊松比为0.2，重度为2 200 kg瘙簚m-3。考虑到隧道埋深的增加會改变模型的自重应力和隧道围岩的力学特性，故设置8种不同埋深的工况，取隧道深度为10 m处的断面进行监测，则其拱顶沉降、拱肩水平收敛、拱腰水平收敛以及拱底隆起最终值如表2所示。由表2可知，随着隧道埋深的增加，隧道各个监测点的位移值也不断增大。

如图4所示为8种不同埋深工况下隧道围岩塑性区的体积变化情况，其形状均为圆形，故可知隧道埋深不会改变塑性区形状。在8种不同埋深工况下，塑性区体积分别占总体积的4.45%、8.68%、11.41%、13.05%、13.12%、13.027%、13.31%、13.45%。即当隧道埋深＜1 000 m，塑性区体积随着埋深有明显增大；当隧道埋深＞1 000 m，塑性区体积随埋深变化较小。

同时，不同隧道埋深工况下掌子面的最大挤出变形量分别为17.77 cm、53.55 cm、92.83 cm、127.09 cm、126.5 cm、146.57 cm、162.62 cm、210.91 cm，其位置均位于上台阶中心处，相较于其他位置，台阶中心处的挤出变形更为明显，且随着隧道埋深的增大，隧道掌子面挤出变形有明显增大。故当隧道埋深增加时，应当采取一定的措施支护掌子面。

3.2 侧压力系数对隧道围岩的影响

侧压力系数是指水平地应力与竖向地应力之比，一般为0.5～5.0［6］。上文所有工况均取侧压力系数为1进行仿真计算。为进一步研究侧压力系数对隧道围岩的影响，选取隧道埋深为750 m，分别设置7种不同的压力系数，取隧道深度为10 m处的断面进行监测，则其拱顶沉降、拱肩水平收敛、拱腰水平收敛以及拱底隆起最终值如表3所示。由表3可知，一般而言，随着侧压力系数的增加，隧道各个监测点的位移值也不断增大，但当侧压力系数过小时，监测点位移也会增大。

如后页图5所示为7种不同侧压力系数工况下隧道围岩塑性区的体积变化情况。由图5可知，当侧压力系数为0.5时，塑性区形状为上下窄中间宽；当侧压力系数为0.75、1、1.25时，其形状近似为圆形；当侧压力系数继续增大后，塑性区形状为上下宽中间窄。7种不同侧压力系数工况下，塑性区体积分别占总体积的28.7%、10.18%、11.41%、11.24%、14.78%、23.3%、32.41%。即当侧压力系数为0.75、1、1.25时，其塑性区体积较为接近；侧压力系数过大或过小，都会造成塑性区体积增大。

不同侧压力系数工况下掌子面的最大挤出变形量分别为86.31 cm、73.95 cm、92.83 cm、112.12 cm、137.34 cm、168.5 cm、216.5 cm，其位置均位于上台阶中心处。相较于其他位置，台阶中心处的挤出变形更为明显。随着侧压力系数的增大，隧道掌子面挤出变形有明显增大。当侧压力系数过小时，其隧道掌子面挤出变形也有所增大。

4 结语

为研究高地应力的软岩隧道的变形特性，本文依托某实际工程隧道，根据资料调研对围岩设置不同的力学参数，采用FLAC 3D软件对围岩力学参数不变化、围岩仅受围压强化、围岩仅受应变软化、围岩受围压强化和应变软化耦合作用这4种工况进行模拟，在此基础上进一步研究了隧道埋深和侧压力系数对其围岩变形的影响，得到如下结论：

（1）考虑隧道围岩受围压强化和应变软化耦合作用，更全面地考虑了高地应力软岩隧道实际工程特性，符合围岩力学规律且计算结果合理，故认为可将其用于高地应力软岩隧道开挖施工的数值仿真计算。

（2）在考虑围岩受围压强化及应变软化耦合作用的情况下，隧道埋深越大，则其各监测点位移越大，掌子面变形量越大；不同埋深情况下，隧道塑性区均为圆形；当隧道埋深＜1 000 m，塑性区体积随着埋深明显增大；当隧道埋深＞1 000 m，塑性区体积随埋深变化较小。

（3）在考虑围岩受围压强化及应变软化耦合作用的情况下，当侧压力系数分别为0.75、1、1.25时，隧道变形特征较为相似；侧压力系数过小或过大，都会造成隧道监测点位移、塑性区面积及掌子面变形量的增大；改变侧压力系数会改变塑性区形状，当系数过小时，为上下窄中间宽，当系数过大时，为上下宽中间窄。

参考文献：

［1］汪 波，喻 炜，訾 信，等.软岩大变形隧道不同支护模式的合理性探讨——以木寨岭公路隧道为例［J］.隧道建设（中英文），2023，43（1）：36-47.

［2］富志鹏，李博融，徐 晨，等.高地应力软岩隧道大变形控制方案现场试验［J］.长安大学学报（自然科学版），2023，43（1）：133-142.

［3］杨 鑫，王建军，周 波，等.中老铁路沙嫩山隧道施工变形特征及控制技术［J］.人民长江，2022，53（S2）：109-112.

［4］王 哲，刘 钦，刘 磊，等.软岩隧道大变形研究现状及控制对策［J］.铁道建筑，2022，62（12）：138-142.

［5］马 栋，晋刘杰，王武现，等.基于数值模拟与实测数据拟合的高地应力软岩隧道二次衬砌施作时机探讨［J］.现代隧道技术，2022，59（4）：137-146.

［6］沈明荣，陈建峰.岩体力学［M］.上海：同济大学出版社，2006.

作者简介：周小喜（1975—），高级工程师，主要从事公路工程施工管理工作。