隧道围岩力学特性的敏感性分析

蠕变模型进行有限元分析。Bui T 等[5]针
[12]
特性，考虑掌子面推进因素，给出了深埋
长明等 考虑到传统西原模型难以描述
到计算的时效性，将地层进行简化处理，
圆形洞室应力和位移的时效解析公式。
蠕变第三阶段的缺点以及蠕变参数会随
数值计算模型中将地层视为各向同性地
Boukharov 等[7] 在采用有限元软件对采
程，针对西原模型求得时间与粘滞系数
2
之间的关系，并以此建立非线性蠕变模
2.1工程概况
数值模拟
型。朱合华等[10]考虑了隧道开挖后渗流
某隧道工程是位于中国湖南省的重
对岩石蠕变特性的影响，以凝灰岩作为
要隧道工程，全长 1552m，隧洞总体方
试验对象，分别进行干燥岩石蠕变试验
向呈东偏北弧形布置。隧洞穿越地段最
成正比，R 值越大代表参数敏感性越大，
究的深埋软岩隧洞各测点沉降值而言，
结果分析
土体的体积模量、G 为岩土体的剪切模
2.4试验方案
平均极差 R 值的大小与参数敏感性
平均极差计算结果可知，对于本文所研
泊松比、E S 为岩土体的压缩模量、K 为岩
所示。
岩土工程与地基基础
安徽建筑
方向向右，y 轴正方向为沿隧洞轴线方
隧道围岩力学特性的敏感性分析
江
勇
（安庆市诚风工程质量检测有限责任公司，安徽
摘
岩土工程与地基基础
安徽建筑
作者简介：
江勇（1974-），男，安徽东至人，毕业于安徽建
筑工程学院工业和民用建筑专业，大专，高级
工程师。专业方向：土木工程 、工程结构检
测。
246000）
要：在深埋软岩引水隧洞工程中，为掌握隧洞施工期围岩变形特征，开展对隧洞支
合流，以减少对徽州大道主线车量的影
[3]
响。
置定向匝道，方兴大道与深圳路、徽州大
缺点：南→西、北→东为环形匝道，
交通工程研究与应用
安徽建筑
通过功能、经济、实用等各方面的综
图6
互通立交方案二
地情况、交通量、造价、美观等各方面因
素综合考虑，并且对现场存在障碍做全
合比选，最终确定采用方案一——半苜
面调查，从而确定最安全、经济、合理的
护时机的研究，需要确定准确的岩石力学参数以反映真实的围岩力学特性。文章依托
实际隧道工程，借助有限差分软件FLAC3D建立反映隧洞开挖支护工序以及蠕变过程的
三维数值仿真计算模型，采用极差法研究隧洞围岩基本力学参数对围岩变形的影响，并
确定待反演参数；基于正交试验设计构建25组待反演参数组合，代入到数值模型中进行
认为弹塑性模型能够比较准确地反映岩
岩土体参数
试验编号
极差计算结果
弹性模量/GPa
泊松比
粘聚力/MPa
内摩擦角/°
k1
6.193
4.172
4.858
4.755
k2
3.402
3.700
4.106
4.063
k3
2.361
3.783
3.892
3.858
用 Mohr-Coulomb 弹塑性模型，当材料
R
3.732
第 j 次试验沉降计算值。
聚力和泊松比，对每个因素划分三个水
平，三个水平分别为各参数取值范围内
的最大值、最小值和中间值，试验工况及
位移数据如表 2 所示。
3
常用的正交检验方法有极差分析法
和方差分析法，本文选用极差分析法对
力、内摩擦角、泊松比。
3.2位移分析
参数敏感性进行正交检验分析。对表 2
分析，通过式（1）计算得到各个因素的平
弹性状态；而当材料的应力状态满足曲
拱顶沉降/
mm
服准则后，材料屈服，应变增加，应力保
持不变。
2.3土体参数
FLAC3D 进行数值模拟计算时涉及
右肩沉降/
mm
到的岩土体参数有体积模量 K、剪切模
量 G、粘聚力 c、内摩擦角等。因此，依据
某大桥工程现场地勘报告钻孔的地质参
数并结合相关文献得到数值模拟需要的
及下部边界取距隧洞断面轴线 50m，隧
隧道围岩及支护结构的安全性造成影
洞顶部取至地表面，洞长沿轴线方向取
响。在对岩石力学参数和隧道围岩以及
100m，定义 x 轴正方向为垂直隧洞轴线
表1
向向内，z 轴正方向为垂直向上，建立的
隧洞三维数值计算模型如图 1 所示，模
型共划分网格单元 75412 个。
图1
文章编号：1007-7359（2024）3-0160-03
DOI:10.16330/ki.1007-7359.2024.3.058
1
引言
蠕变是指在一定的温度和湿度条件
下，在受到恒定荷载作用时，其变形随时
间不断增长的现象。目前关于蠕变的研
究已经从最早期的金属蠕变拓展到多个
领域。在上世纪 30 年代，国内外学者才
计算，得到监测断面各测点位移值。研究结果表明，隧洞围岩参数敏感性大小排序为：
弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比。在隧洞施工过程中，掌子面附近围岩变形受开挖
扰动影响明显，随着时间的延后，位移不断增大但位移速率逐渐减小至一稳定值。
中图分类号：U456.3+1
文献标识码：A
关键词：蠕变；有限元；敏感性；位移
[9]
刘帆,杨洋 . 城市互通立交选型要点及对
[S] ．
道、包河大道形成快速路网系统。
大，造价比方案一高。
CJJ 152-2010,城市道路交叉口设计规
程[S] ．
优点：该立交方案东→南、西→北设
通行效率相对稍低。立交体量相对较
CJJ 37-2012,城市道路工程设计规范
（2016 年版）[S] ．
机的预测方法。Yoshida 等[4] 在对椭圆
2.2有限元模型及本构模型
式，并应用于龙口海峡隧道施工过程研
先是通过有限元软件 ANSYS 利用
形洞室长期稳定性进行研究时，采用了
究中，得到在相邻爆破施工扰动下的隧
命令流进行参数化三维建模和建立网
道围岩应力场变化规律。刘钦等[14]基于
格，然后将模型导入 FLAC3D 有限差分
ki = Ki =
---3-----
∑x
j=1
i,j
,i = 1,2,3。
（1）
式中：K i 为各个因素第 i 个水平下的
围岩沉降计算值之和；k i 为 K i 的平均值；
图2
各参数对左拱肩沉降位移的影响图
（下转第172页）
161
[S].
向交通。设置独立集散车道，控制分合
[2]
流点间距，让转向车辆在集散车道上分
土体压缩模量等力学参数，再将压缩模
量 E S 转化为变形模量 E 0，公式如下。
2μ
E 0 = (1 )E 。
(1)
1-μ S
在此基础上将岩土体的变形模量转
化为体积模量与剪切模量。
E0
K=
。
3(1 - 2μ )
E0
G=
。
2 (1 + μ )
（2）
（3）
式中：E 0 为岩土体的变形模量、μ 为
R
2.918
对锦屏二级水电站辅洞的长期稳定性进
岩石具有较强的硬度和稳定性。该地区
并借助有限元或有限差分等方法，实现
行分析。刘建忠等 采用五参数西原模
对隧道工程稳定性裂带、
型对于时间因素相关的蠕变模型进行了
褶皱等地质构造，需要进行详细地勘察
研究，其结果与煤岩三阶段蠕变试验规
对深埋隧道周围岩体的粘塑性特点，提
室内三轴蠕变试验成果，以炭质页岩为
软件中。综合考虑隧洞围岩工程地质情
出在不同时期不同阶段进行分析的观
研究对象，分析其岩石蠕变特性，提出反
点 。 Tranmanh H 等[6] 考 虑 了 岩 石 力 学
况及施工进程，建立隧洞数值模型并划
映炭质页岩蠕变全过程的粘弹塑性蠕变
蓿叶+半定向型 3.5 层互通立交。
互通立交形式。
6
[4]
CJJ 193-2012,城市道路路线设计规范
[5]
GB 50647-2011,城市道路交叉口规划
[6]
孙家驷 . 道路勘测设计[M]. 北京:人民交
[7]
梁富权,郭祖辛 . 道路工程[M]. 北京:人民
[8]
李旭,王昌衡 . 城市互通式立交选型探讨
结语
参考文献
互通立交选型应结合规划、周边用
[1]
规范[S] ．
通出版社,2005.
交通出版社,1996.
[J]. 公路与汽运,2009(05):41-44,55.
策 研 究 [J]. 城 市 道 桥 与 防 洪 , 2022(04):
CJJ 129-2009, 城 市 快 速 路 设 计 规 程
5-9.
开始关注岩石蠕变特性。岩石蠕变是一
种集弹性、塑性、粘塑性和粘弹性变形共
存的非常复杂的过程。
关于隧道围岩蠕变的研究多是在蠕
变试验的基础上，提出非线性蠕变模型，
虽然起步较晚，但在理论研究、蠕变试验
支护结构进行研究时，岩石蠕变特性都
以及工程应用等方面都取得了不少成
是不可忽视的重要影响因素。
[9]
果。如曹树刚等 为完整描述蠕变全过
3.31
2.74
5
1.5
0.32
0.35
22
3.67
3.93
3.33
6
1.5
0.33
0.25
27
3.81
4.14
3.45
7
2.5
0.31
0.35
27
2.41
2.79
2.20
8
2.5
0.32
0.25
32
2.48
2.89
2.27
9
2.5
0.33
0.45
22
2.49
2.88
2.27
表3
大量学者及研究人员经过长久地研讨，
0.272
1.167
1.037
的应力状态处于屈服面内时，材料处于
k1
5.774
4.294
5.005
4.869
k2
3.691
3.756
4.171
4.133
k3
2.756
3.871
3.944
3.938
土材料的非线性及弹塑性等特点。此模
型现如今已在岩土工程领域广泛使用，
左肩沉降/
mm
本次模拟对根式沉井基础周围岩土体选

和饱水岩石蠕变试验，分析了岩石蠕变
大山顶高程 2207m，位于隧洞中段，隧
参数与岩石含水率间的相关关系。朱杰
洞 埋 深 一 般 在 150～200m，最 大 埋 深
兵等[11] 考虑在高地应力条件下，卸荷时
252m。南岳山地区多为花岗岩地质，其
的瞬时力学效应对围岩蠕变的影响，并
中包括酸性花岗岩、细粒花岗岩等，这种
和分析。隧洞沿线通常会有断层和岩溶
律相吻合。王波等[13]考虑到开挖爆破等
现象，断层的存在可能会对隧道施工和
因素对岩石蠕变特性的影响，基于室内
稳定性产生一定的影响，其他洞段穿越
蠕变试验和扰动试验成果，提出考虑扰
部位地层以微风化或新鲜岩体为主。
岩石蠕变特性，提出了一种围岩支护时
动变形与扰动次数的蠕变第三阶段关系
分网格。本文按照实际断面尺寸建立数
性能退化特征，研究了深埋隧道的蠕变
模型，并应用于隧道稳定性的研究。刘
值计算模型，并检测断面的位移。考虑
如 Drozdo 等[1] 基于粘弹性理论，研究了
圆形洞室的稳定性。Sulem 等[2] 基于岩
石蠕变特性，给出了圆形洞室开挖变形
的解析公式。Nguyen V M 等[3] 考虑了
量。根据现场地勘报告结果，进行岩土
均极差 R 即平均效果 k i 的最大值与最小
体参数的选取，相关岩土体参数见表 1
值之差。
敏感性分析，以隧洞拱顶以及左、右拱肩
反之则代表参数敏感性越小。由表 3 的
各参数平均极值排序为：弹性模量、粘聚
3.1极差分析
中的正交试验计算结果采用极差法进行
本文主要对围岩基本力学参数进行
表2
试验工况
试验
编号
弹性模量
/GPa
泊松比
粘聚力/
MPa
内摩擦
角/°
左肩沉降
/mm
拱顶沉降
/mm
右肩沉降
/mm
1
0.5
0.31
0.25
22
7.68
7.38
7.09
2
0.5
0.32
0.35
27
5.55
5.05
4.95
3
0.5
0.33
0.45
32
5.64
5.19
5.03
4
1.5
0.31
0.45
32
3.03
Yang F 等[8] 基于 CVISC 模型，对绿泥石
数劣化的改进蠕变模型，并对模型进行
发生在 5～6 倍洞径以内的区域。本文
片岩隧道开挖支护过程进行数值模拟研
了验证。
数值计算模型范围取 5 倍洞径，即左右
究，评估了支护结构运行期的长期稳定
性。
160
安庆
国内学者对于隧道围岩蠕变的研究
[15]
在实际工程中，软弱围岩蠕变会对
应力发生劣化的情况，以海棠山隧道为
层，同时不考虑节理、裂隙等其他因素影
矿巷道稳定性和支护结构作用进行研究
研究对象进行室内蠕变试验，分析围岩
响。根据圣维南原理，地下洞室结构围
时 ，考 虑 了 软 弱 底 板 粘 塑 性 的 影 响 。
蠕变应力应变时效性，提出考虑蠕变参
岩体应力重分布范围有限，一般认为仅
有限元模型
岩土体的本构关系十分复杂，一般
将岩土体设置为弹塑性体，相较于弹性
体来说，此类材料通常具有非线性、各向
异性等特点，受力特性相对比较复杂。
密度/
围岩
级别
Kg/m
IV
2500
3
弹性模量/
GPa
泊松比
粘聚力/
MPa
内摩擦角/
°
侧压力
系数
0.5～2.5
0.25～0.31
0.30～0.40
32～42
1.4
0.338
1.260
1.071
k1
5.591
3.811
4.470
4.369
k2
3.073
3.316
3.719
3.675
k3
2.144
3.381
3.519
3.484
R
3.346
0.296
1.151
1.025
沉降计算值为指标，判断参数敏感性水
x i,j 为第 i 个水平下各参数对应的某测点
平。试验因素为弹性模量、内摩擦角、粘