岩溶、节理发育地段隧道进洞三维数值模拟分析

岩溶、节理发育地段隧道进洞三维数值模拟分析
钟华;刘巍;谭耿;钱海洋
【摘要】文章以崇水高速陇禁隧道为工程背景,综合考虑节理、岩溶等不良地质因素,采用有限元软件FLAC3D建立三维数值模型,分析隧道进洞施工过程中围岩的受力特性及变形情况.结果表明:模型计算结果与现场实测数据吻合,采用FLAC3D有限元软件建模具有一定的可靠性;隧道穿越节理、岩溶地段,隧道拱顶围岩沉降变形达8.8 mm,拱脚出现应力集中现象,且整个开挖面塑性区面积较大;喷锚初期支护可有效抑制隧道围岩竖向位移,考虑岩体蠕变特性,建议施工过程应及时施作初期支护.【期刊名称】《西部交通科技》
【年(卷),期】2018(000)007
【总页数】6页(P101-105,123)
【关键词】FLAC3D软件;隧道进洞;喷锚支护;数值模拟
【作者】钟华;刘巍;谭耿;钱海洋
【作者单位】广西路桥工程集团有限公司,广西南宁530011;广西路桥工程集团有限公司,广西南宁530011;广西路桥工程集团有限公司,广西南宁530011;广西路桥工程集团有限公司,广西南宁530011
【正文语种】中文
【中图分类】U455.7
0 引言
在我国“一带一路”国家战略推动下，广西作为我国与东盟国家连接枢纽，其基础设施建设迎来大发展，交通运输网不断扩张与加密，目前广西高速公路网规划为“6横7纵8支线”(详见图1)。

公路建设不可避免地穿越高山、险峰等障碍物，
因
此，隧道工程在建设过程中成为关键控制性工程。

隧道施工涉及的岩土属性具有明显的地域性、隐蔽性和复杂性，在实际施工过程中很难综合、准确地分析围岩体与隧道结构相互作用。

同时，岩土工程理论又严重滞后于施工，这显著增加了复杂地质条件下隧道施工的安全风险。

图1 广西高速公路规划图
随着隧道开挖、支护形式的增多，国内外学者对隧道施工技术的研究不断深入，并在理论、数值模拟等方面都取得了巨大成果。

杨臻[1]研究了极限分析法在节理裂
隙隧洞的应用效果，提出强度折减法计算隧道穿越节理岩体施工的安全系数；马海萍[2]基于断裂破坏理论，结合单轴、双轴压缩试验结果，提出侧压力系数和节理
裂隙的角度对隧道开挖过程的影响很明显，建议施工过程中加强破碎岩体预支护；史世雍[3]统计了我国数十个岩溶隧道的变形规律，提出溶洞会诱发隧道围岩大变形；吴梦军[4]借助有限元方法分析了溶洞尺寸等对朝东岩石隧道施工围岩稳定性
的影响。

目前，针对复杂地质条件对隧道稳定性研究，仅考虑了单因素作用的影响，综合考虑节理、岩溶对隧道进洞围岩受力变形的研究极少。

1 工程概况
1.1 地质条件
陇禁隧道位于崇左市龙州县上金乡两岸村陇禁屯北侧。

隧址处属岩溶峰丛洼地地貌，地形起伏较大，山体连绵起伏。

隧道主要穿越中风化白云质灰岩和微风化白云质灰岩等地层，洞身埋深较深，进出口段山体斜坡自然坡角约55°～80°。

隧道进口端
局部节理裂隙发育，岩体破碎，节理贯通性较差，裂隙面平直粗糙，无充填，裂隙
密度达为3～4条。

1.2 结构概况
隧道设计为高速公路双洞单向交通行车两车道分离式小间距隧道，左右线全长分别为351 m和330 m。

汽车荷载设计等级为公路-Ⅰ级，设计行车速度为100 km/h。

隧道设计尺寸为13.25 m×5.0 m，纵坡均为单向坡，纵坡坡率均为0.5%。

隧道
开挖支护形式为整体采用复合式衬砌，初支采用钢拱架+喷锚支护，二衬为模筑钢筋混凝土(见图2)。

图2 陇禁隧道设计图
2 三维数值模型建立
2.1 模型尺寸及边界条件确定
陇禁隧道设计宽为16.20 m，设计高为11.39 m，每次开挖进尺5 m，洞口正立
面如图3所示。

采用数值有限元软件FLAC3D建立隧道进口段整体有限元模型，
仿真模拟节理、溶洞对隧道进洞施工围岩稳定性的影响。

图3 陇禁隧道洞口断面简图
众所周知，模型边界是影响模拟结果的重要因素。

三维模型边界应根据工程实际情况添加位移边界条件，当隧道开挖轮廓线与模型边界距离较小，位移边界会影响隧道结构受力和变形，使计算结果与隧道实际受力变形值相差较大。

研究表明[5-7]，隧道开挖引起地表沉降变形范围约1～3倍隧道直径，当隧道开挖边界线与模型边界线的距离大于5倍隧道直径时，隧道开挖施工对周边环境影响可忽略不计。

因此，选取X方向3倍设计宽度，Y方向4倍开挖进尺，Z方向3倍开挖高度为
模型区域，模型尺寸为(X方向、Y方向、Z方向)120 m×20 m×70 m。

通过有限元软件ANSYS对模型进行前处理得到数值模型如图4所示。

图4 ANSYS数值模型图
有限元软件ANSYS软件后处理速度慢且精度较差，通过ANSYS-FLAC3D转换程
序，将已赋予材料属性的整体模型导入FLAC3D软件，得到含节理、溶洞的整体
三维模型网格如图5所示。

图5 FLAC3D整体三维模型网格图
2.2 模型计算参数赋值
陇禁隧道左右线洞身围岩级别主要为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，其分布及比例见表1。

洞口段为Ⅴ级围岩，岩体较破碎，整个垂直岩面存在横纵相交节理，自稳能力差。

左洞口上方存在直径为6 m的溶洞和不稳定孤石，溶洞走向沿小桩号发展，洞内无填充物。

表1 岩体力学参数表围岩等级弹性模量(GPa)泊松比粘聚力(MPa)摩擦角(度)抗拉
强度(MPa)密度(kg/m3)体积模量(GPa)剪切模量(GPa)Ⅳ级
50.30.5300.52301.9114.342Ⅴ级20.350.3231.52020.8243.312
根据设计文件及现场实际施工条件，为保证围岩稳定和限制地表沉降位移，洞口及洞身均采用三台阶法开挖，洞口采用大管棚+钢拱架+喷锚+二次衬砌等复合支护
形式。

大管棚直径为108 mm，钢拱架间距为700 mm，初期支护混凝土厚度为240 mm。

其中，围岩体为实体单元，采用摩尔库伦本构模型模拟；锚杆、管棚材料为植入式梁单元，采用弹性模型模拟；初期支护采用壳单元模拟。

岩体计算参数如表1所示。

初期支护中包含大管棚、钢拱架、锚杆和混凝土材料，各材料属性均不同，则初支结构的力学参数不能单独用混凝土或钢拱架参数代替。

模型计算过程中，应采用等效刚度原理计算初期支护的力学参数。

陇禁隧道初支及二衬力学参数详见表2。

表2 陇禁隧道初支、二衬力学参数表材料弹性模量(GPa)泊松比密度(kg/m3)体积
模量(GPa)剪切模量(GPa)初期支护210.27.811.415.272二次衬砌
290.2220012.516.667
2.3 施工阶段划分
根据陇禁隧道实际开挖、支护方式，仿真模拟隧道左右线各施工阶段。

结合三台阶
法施工顺序，单个进尺施工阶段划分如下：
(1)建立模型网格单元。

(2)自重应力场分析/初始应力场分析，位移清零。

(3)施作大管棚或超前小导管，对围岩进行预加固处理。

(4)开挖上台阶部分岩体计算、初期支护施加计算。

(5)开挖中台阶部分岩体计算、初期支护施加计算。

(6)开挖下台阶部分岩体计算、初期支护施加计算。

(7)开挖仰拱部分岩体计算、初期支护施加计算。

(8)二次衬砌施加计算。

3 计算结果分析
3.1 初始应力分析
根据隧道初始条件及实际施工情况，模拟陇禁隧道场地初始应力状态，计算结果云图如图6所示。

通过对隧址初始应力阶段的竖向位移、竖向应力和水平应力云图分析，可知：
(1)岩体上表面应力和位移基本为0，初始地应力为0，表明模型自平衡效果较好。

(2)模型竖向应力从上至下逐渐增加，下表面应力为1.6 MPa。

由于上部岩体自重，下部岩体自重应力随着岩体厚度增加而增加，模型下表面自重应力最大。

3.2 陇禁隧道左线进洞分析
陇禁隧道左线洞口采用三台阶开挖，上、中、下台阶高度均为=11.39 m)。

岩体开挖前处于平衡状态，即初始应力平衡。

左洞上台阶开挖，该部分岩体应力释放，打破原有平衡状态，迫使应力重分布，随着开挖过程的不断推进，岩体受力及变形逐渐增加。

随着时间推移，围岩不断趋向稳定，模拟中、下台阶开挖施工时，假定围岩体已完成应力重分布，并形成新的平衡状态。

图7和图8分别为陇禁左线进洞阶段累计
竖向位移云图及累计竖向应力云图。

(a)竖向位移云图
(b)竖向应力云图图6 初始应力阶段云图
图7 左洞进洞竖向位移云图
图8 左洞进洞竖向应力云图
由陇禁隧道进洞过程的累计竖向位移、竖向应力云图可得：
(1)下台阶开挖过程，拱顶沉降变形及开挖水平面附近累计位移分别为6.3 mm和6.1 mm，两者变化量均为0。

可能原因为该部分岩体完整性较好，基本不存在纵横节理，围岩自稳能力较强。

(2)围岩拱顶及开挖面附近累计竖向应力约为2.4×104 Pa，模型下表面累计竖向应力约为-1.7×106 Pa，围岩应力增量基本为0，围岩处于安全稳定状态。

(3)塑性区面积沿开挖轮廓线向拱脚不断延伸，但总影响范围处于可控状态。

初期支护结构拱脚位移最大，累计竖向位移为3 mm。

3.3 陇禁隧道右线进洞分析
陇禁隧道右线洞口岩面存在纵横相交的节理，节理间隙及密度较大，洞口右上角存在直径为6 m的溶洞，洞内无填充物。

模拟隧道右洞进洞施工，模型计算结果如图9～10所示。

图9 右洞进洞竖向位移云图
图10 右洞进洞竖向应力云图
由右洞进洞的竖向位移、竖向应力云图可得：
(1)拱顶沉降变形及开挖水平面附近累计位移量分别为8.4 mm和5.6 mm，右洞围岩变形明显比同阶段左洞围岩变形大，拱顶沉降变形差值约1.9 mm。

(2)围岩拱顶及开挖面附近累计竖向应力约为2.5×105 Pa，模型下表面累计竖向应力约为-1.7×106 Pa，围岩应力变化较小，围岩处于安全稳定状态。

右洞拱顶围岩
总应力明显比同阶段左洞拱顶围岩应力大，拱顶最大应力差为0.1×104 Pa。

4 监控量测分析
陇禁隧道开挖后，在拱顶位置设置相应位移监控点，洞口20 m范围设置5个拱顶测点，分别为1#、2#、3#、4#、5#测点，每个测点间距为4 m。

由于隧道光线较暗，将反光片贴在初期支护结构上作为观测点。

隧道右洞口位移监测点的正立面图见图11。

图11 隧道洞口监测点正立面图
根据设计文件及相关规范要求，隧道围岩竖向位移监控周频率为每天一次，随着开挖深度的增加，可减小洞口监测测频率，隧道进口竖向位移前6期观测数据如表3所示。

表3 各测点竖向位移表(mm)监控测点累计竖向位移第一期第二期第三期第四期第五期第六期
1#1.52.84.35.05.35.42#1.84.17.17.57.77.83#1.65.810.411.011.211.34#1.34.7 8.78.99.39.25#0.92.54.24.74.95.0
由表3可知，随着隧道开挖深度增加，各测点竖向位移逐渐增加，增加速率逐渐减小，最后保持不变；拱顶最大沉降量为11.3 mm，远小于其预警值8 cm，隧道基本处于稳定状态。

但是，隧道左右洞口为陡坡、陡壁，且基岩完全裸露，斜坡地表存在崩积岩堆，陡崖岩体被高角度的节理裂隙切割，左洞存在危岩体且围岩风化卸荷强烈，围岩稳定性非常差，施工过程偶有落石和掉块现象发生，为保证现场施工人员安全，应增加该区域岩体的位移监测，清除表面危岩体，并加强防护。

5 结语
本文以崇水高速公路的陇禁隧道为工程背景，采用有限元软件ANSYS和FLAC3D 建立以隧道左右洞口、溶洞和节理裂隙为对象的整体三维模型，综合分析节理、溶洞隧道进洞施工对围岩受力变形特性的影响，可得：
(1)隧道开挖会使围岩体受力和变形发生改变，拱顶最大位移为8.8 mm，随着开
挖过程的不断推进，拱顶应力和沉降变形不断增加。

隧道开挖的影响范围较小，模型下表面应力及位移基本不发生改变。

(2)隧道右洞施工诱发围岩累计变形普遍大于同阶段左洞围岩位移，表明岩溶对隧
道进洞围岩的稳定性影响较大，但总应力及累计变形均在可控范围内，不危及隧道结构安全。

(3)隧道洞口虽为Ⅴ级围岩，但总应力处于较低水平，围岩最大累计位移约1 cm，远小于预警值，洞口三台阶开挖及复合支护形式能满足隧道围岩变形及稳定性要求。

参考文献
【相关文献】
[1]杨臻，郑颖人，王谦源，等.极限分析有限元法在节理裂隙隧洞中的应用[J].青岛理工大学学报，2010，31(5)：18-22.
[2]马海萍.不同产状节理对岩体特性的影响及工程应用[D].济南：山东大学，2012.
[3]吴梦军，张永兴，刘新荣.公路隧道病害处治技术研究[J].地下空间与工程学报，2007(5)：967-971.
[4]史世雍，梅世龙，杨志刚.隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分析[J].地下空间与工程学报，
2005(5)：698-702，716.
[5]吴梦军，陈彰贵，许锡宾，等.公路隧道围岩稳定性研究现状与展望[J].重庆交通学院学报，
2003(2)：24-28.
[6]蒋华春.隧道数值模拟计算边界范围研究[J].公路工程，2013，38(3)：132-136.
[7]肖欣欣，李夕兵，宫凤强.隧道开挖及爆破对地表高压铁塔影响的Flac～(3d)分析[J].地下空间与
工程学报，2013，9(6)：1401-1405.。