开挖方法对隧道围岩应力的影响分析

Journal of Nanjing Institute of Technology ( Natural Science Edition)

南京工程学院学报（自然科学版）

Vol. 15,No. 1 Mar. ,2017

投稿网址:http://xb. njit. edu. cn

doi：10.13960/j. issn. 1672 -2558.2017.01.013

开挖方法对隧道围岩应力的影响分析

张燕清

(三明市交通建设集团有限公司，福建三明365000)

摘要：不同的开挖方法造成围岩应力变化及变形方式不同，因此在制定隧道监控量测方案时，应针对不同的开挖 方法有所侧重地制定相应的方案，以实现围岩应力变化更为准确的预测，依从岩体的弹塑性Mohr-Coulomb屈服准 则，将现场监测数据作为输入参数，建立弹塑性三维有限元分析模型.模型计算结果表明，三种开挖方式对拱腰竖 向应力及最大主应力影响较小，其中，全断面开抱可导致局部区域产生较小的拉应力.所建模型能够兼顾精度和效 率，便于程序实现，能为围岩的应力预测分析提供有效工具.关键词：开挖方法；围岩；应力变形预测；MIDAS/GTS 中图分类号:U451.2

Research into Influences of Excavation Methods

on Surrounding Rock Stress of Tunnels

(Sanming City Traffic Construction Group Co. Ltd. , Sanming 365000, China)

Abstract： Stress and deformation of surrounding rocks are different due to different excavation methods. Therefore,

corresponding plans should be developed for different excavation methods in designing a scheme for measuring tunnel

monitoring. For more accurate predictions of changes in surrounding rock stress of rock mass, elastic-plastic Mohr- Coulomb yield criterion is adopted and in-situ monitoring data is used as input parameters of the model. A 3-dimensional elastic-plastic finite element model for analyses is thus built. The results show that the three excavation methods have little influence on the vertical stress and the maximum principal stress, and that whole section excavation can lead to local small tensile stress of excavation. The model takes into account both accuracy and efficiency, and is easy to realize. It can provide an effective tool for analyzing stress of surrounding rock.

Key words: excavation method; surrounding rock; prediction of stress and deformation; MIDAS/GTS

以地下工程的现场测量结果来判定围岩的稳定性，并结合现场测量结果来对施工做出具体修正与指 导是20世纪50年代后期新奥法问世以后国际上较为通行的方法.近年来，现场测量与工程地质、力学分 析等方法日益紧密的配合，同样为更好地揭示地下工程的动态变化规律提供了一套较为完备的监控设计 原理和方法m.

国内学者针对开挖过程中隧道应力的监控测量已经做了大量研究工作，为现有的工程问题提供了可 靠的借鉴.黄辉平(2011)以重庆一长沙正阳隧道为监测对象，从地下工程的开挖、支护安全预测和地质灾

收稿日期：2017 -02-16;修回日期：2017 -02-22作者简介：张燕清，高级工程师，研究方向为高速公路管理.

ZHANG Yan-qing

E-mail: 402661387@qq.com

引文格式：张燕清.开挖方法对隧道围岩应力的影响分析[J].南京工程学院学报（自然科学版），2017，15(1) :72-77.

第15卷第1期张燕清:开挖方法对隧道围岩应力的影响分析73

害预报等方面进行分析[2];徐林生(2006)以采取新奥法施工的东门关隧道进口浅埋偏压软弱围岩段为对 象，分析了监测数据及其对实践工作的指导情况[3];蒋树屏（2009)在介绍新奥法施工的高速公路隧道内 容与方法的基础上，以扩张卡尔曼滤波有限元法得出围岩内部的剪应变和塑性区分布的变化估计结 果[4];赵占厂(2005)基于浅埋黄土公路隧道衬砌受力的监测数据，不仅获取了其衬砌围岩应力和钢拱架 轴力的相关数据，而且总结了二次衬砌混凝土应变时间变化规律[5];李二兵（2007)以江苏省南京市九华 山隧道为研究对象，结合实际施工监测结果与理论计算间的对比分析，为我国的连拱隧道的结构设计的优 化作出了贡献[6];张旭斌(2013)在对武西高速公路桃花峪隧道进行现场监控测量后，分析了大跨隧道的 变形和结构内力的规律与特性[7];施成华(2004)认为隧道围岩可视为一种随机介质，因此，将随机介质作 为理论依据，并结合由浅埋隧道施工引起的纵向地表移动和变形的计算，最终得出地表下沉、倾斜、水平变 形和地表弯曲率的计算公式[8].

实际工程中存在着诸多因素致使所涉及的岩体地质极其复杂，因此针对实际工程制定的监控测量方 案存在一定的特殊性，难以普及推广.同时，虽然对于隧道施工阶段的应力场变化过程研究已经较为丰富， 但是如何同时考虑施工效应和不同开挖的方法对其产生的影响，制定安全可靠的监控方案，必须通过更深 入的研究来确定.

本文通过采用有限元的数值分析法，并结合实际工程地质状况和隧道结构特性，进行软件模拟计算， 以此来确定不同开挖方法对隧道围岩应力的影响，分析对比不同开挖方法，并将其应用到相似的隧道工程 施工、应力监测和安全管理工作中.

1

工程概况

浦南高速公路的起点位于福建省与浙江省交界处的浦城

县官路乡，一侧旁接浙江省黄衢高速公路，另一侧连接南平延 平区的足福筒速公路，将建瓶、建阳、武夷山整体连为一*线.此 高速公路摇前隧道工况为四级围岩，现场采用全断面的开挖方 式，隧道埋深为1〇〇 m，横截面为三心圆加仰拱的形式，尺寸如 图1所示表示隧道宽> 表示隧道高度.初衬材料采用喷射 混凝土，厚度为0.2 m，支护方式为3.5 m的锚杆，横截面上沿 隧道轴线方向布置11根铺杆，铺杆之间间隔2 m.

2

计算理论及三维有限元模型

隧道开挖的过程一般为:土体分步开挖、支护形式的选择和支护的分步设置等.对应此工况的各个不

同施工阶段，有限单元法的数学表达式为：

i=〇，l，…，L (1)式中:L为施工步数；[幻。为岩体的初始刚度矩阵；[幻“々1)为第i施工阶段岩体和支护结构的总刚 度矩阵；| AF」t为第纟施工阶段开挖边界上释放的荷载等效结点力；| AFJ t为第纟施工阶段增加自重 的等效结点力；I 1为第〖施工阶段的增量荷载的等效结点力；| AW t为第〖施工阶段的结点位移

增量.

分析中主要考虑围岩等级、开挖方法、隧道截面形状、隧道埋深等因素对隧道变形及围岩应力的影响，

[K]l\\A8}l = \\AFr}l + \\AFg}l + \\AFp}l 74南京工程学院学报（自然科学版)2017年3月

为方便计算，建立理想模型，假设地表面水平、隧道不存在偏压现象、仅考虑自重应力.这里将围岩作为岩 性均一和各向同性体的连续介质考虑，其力学参数见表1.模型计算中只考虑自重荷载并且不考虑构造应 力场产生的影响.将

Mohr-Coulomb屈服准则作为岩体弹塑性分析的原理，同时，衬砌和铺杆计算原理采用

线弹性本构关系 .由于弹塑性分析无法模拟真实的时间效应，在进行第二步开挖之后，假定第一步开挖 处的衬砌完成并马上产生作用，这是从偏安全的角度进行的.

对于隧道埋深较大的工况，在不考虑地表沉降的情况下，为减少计算网格，采用等效荷载法，将上部覆 土的自重压力等效为外部压力作用在岩层的上部自由面.

分析预测施工过程中围岩应力发展的趋势必须采用三维计算模型，但是因为三维有限元计算模型网格较多，计算耗时长，且对计算机性能要求高，为.低计算量，在分析隧道围岩应力分布时米用二 隹平面应变模型.计算模型中围岩使用平面四边形单元， 锚杆使用植入式桁架单元，衬砌使用梁单元，参数设置与二维模型相同维模型围岩网格划分如图2所7，并对开挖岩体部分进行网格的局部划分.衬砌及锚杆分布如图3所示.

名称

W

P

i

表1

弹性模量 泊松比

E/GPa各介质力学参数

重度y/粘聚力

(kN • \"3)

K

IV级围岩

锚杆衬砌

mc/MPa

0. 10

//

内摩擦角30//

1.0200200.350.250. 2522

7828

3

开挖方法影响分析

3.1开挖方法

对于公路山岭隧道，因为上部覆盖土层较厚

，一

般情况下采用暗挖法.如果其整个断面一次开挖结束，

称为全断面开挖法;如果其横截面划分为若干部分，然后再分别开挖时，称为分步开挖法.针对IV级围岩中埋 深100 、高宽比为0.69的隧道，分别分析各种不同的开挖方法.由于三维有限元计算量大，耗时多，所以 只对全断面开挖、左右分步开挖法及上下台阶分步开挖法进行三维计算分析，但是对单拱腰导坑开挖法、 双拱腰导坑开挖法以及台阶分步开挖法只进行二维平面应变计算.开挖方式示意图见图4,不同开挖方法 施工步骤见表2.

m

图4 开挖方式示意图

第15卷第1期

张燕清:开挖方法对隧道围岩应力的影响分析75

表2

施工步骤第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步第九步

全断面开挖

隧道开挖施作初衬

不同开挖方法施工步骤

单拱腰导坑开挖

双拱腰导坑开挖开挖土体一施作初衬开挖土体二施作初衬开挖土体三施作拱顶初衬开挖土体四施作初衬

拆除临空部分初衬

台阶分步开挖开挖土体一开挖土体二开挖土体三施作初衬开挖土体四开挖土体五施作仰拱

开挖土体一施作初衬开挖土体二施作初衬开挖土体三施作初衬

拆除临空部分初衬

3.2开挖方法对围岩应力的影响

3.2.1 拱顶围岩应力

在隧道埋深、围岩等级、隧道截面形状相同的情况下，分析开挖方法对拱顶围岩应力的影响，见图5. 左右分步开挖法所产生的应力最大，全断面开挖法略小于左右分布开挖法，而上下台阶分步开挖法产生的 拱顶围岩应力最小.对于掌子面周围的岩体，全断面开挖法引起的应力增量较其余方法较大.

3「 全断面

上下台阶

上下台阶

°0 20 40 60 80

测点至掌子面距离

/m

(d)测点q

图5 不同开挖方法对应拱顶围岩应力变化曲线

3.2.2仰拱围岩应力

在隧道埋深、围岩等级、隧道截面形状相同的情况下，分析开挖方法对仰拱围岩应力的影响，见 图6.全断面开挖法所产生的应力最大;左右分步开挖法所产生的应力较上下台阶分布开挖法相近，但 上下台阶分步开挖法所产生的最小主应力会出现拉应力，监测时应引起足够重视，防止围岩及支护结 构出现拉裂.

76南京工程学院学报（自然科学版)2017年3月

全断面 上下台阶 左右开挖

20 40

()测点

测点至掌子面距离

/m

60 80

bcrxx

•全断面

上下台阶

•上下台阶 ■左右开挖

20 40 60 80

测点至掌子面距离()测点73

/m

dC

图6 不同开挖方法对应仰拱围岩应力变化曲线

3.2.3

拱腰围岩应力

级、隧道截面形状相同的情况下，分析开挖方法对拱腰围岩应力的影响，见图7.

在隧道埋深、围岩等

^方向正应力以全断面开挖方法最小，不过H种开挖方法对其影响不大，开挖方法对最大主应力的影响与 此大致相同.由上下台阶开挖法所产生的％方向正应力最小，左右分步开挖法和全断面开挖法会产生的％ 方向上的正应力，两种方法得出的应力变化趋势大致相同，开挖方法对最小主应力cr3的影响与以上趋势 类似.

全断面 上下台阶 左右开挖

上下台阶

()测点

a

图7 不同开挖方法对应拱腰围岩应力变化曲线

第15卷第1期

张燕清:开挖方法对隧道围岩应力的影响分析77

4

结论

本文针对IV级围岩中埋深100 m、高宽比为0.69的隧道，对各种开挖方法进行了比较分析，主要结

论为：

1)

不同的开挖方法会影响围岩的卸荷过程，在全断面开挖法、左右分步开挖法及上下台阶分步开

法中，左右分步开挖方法产生的拱顶围岩应力最大，其余两种开挖方法较稳定;单步施工对全断面开挖法 影响较大，会产生较大的应力，实际工程中及时支护难度较大;上下台阶分步开挖法中，仰拱出现拉应力可 能性较大，应及时防止拉裂.三种开挖方式对最大主应力和拱腰竖向应力影响较小.

2)

全断面开挖法会对局部围岩产生比较小的拉应力；由于左右分步开挖法的拉应力网格较多较

在所有计算工况中，其产生的最大拉应力约为200 kPa,因此针对实际工程来说，其应力计算应考虑最大拉 应力，防止出现拉裂破坏.

3)

针对拱腰附近的围岩，全断面开挖法易出现高应力区，位置在开挖边界附近，而上下台阶分步开

法的高应力区则离开边界有一定的距离.左右分步开挖法和全断面开挖法相应产生的应力分布趋势接近.

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