基于开挖影响下的隧道围岩变形机理及变形特征研究

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1、基于开挖影响下的隧道围岩变形机理及变形特征研究摘要：为保证隧道开挖施工期间的人员安全，提高隧道工程建设质量，在介绍隧道围岩变形时空效应、变形破坏类型以及围岩变形与支护时机之间关系的基础上，对全断面开挖的双线公路隧道施工过程进行了三维数值模拟，总结归纳了隧道围岩拱顶沉降、洞身收敛以及掌子面挤出值随开挖步进行的变化规律，并对支护结构控制围岩变形的作用进行了分析，发现支护结构对控制围岩变形具有重要作用。中国7/vie　　Abstract：Thepurposeofthisstudyistoensurethesafetyofpersonnelduringtunnelexcava

2、tionandconstructionandimprovethequalityoftunnelconstruction.Basedontheintroductionofthetemporalandspatialeffectsofthesurroundingrockdeformation，thetypeofdeformationandfailure，andtherelationshipbetationandthetimingofthesurroundingrocksupport，thethree-dimensionalnumericalsimulationoftheat

3、ionoftherockdome，theconvergenceofthecavebodyandthechangeofthesqueezevalueofthefaceationofthesurroundingrockisanalyzed.Itisfoundthatthesupportingstructureisimportanttocontrolthedeformationofthesurroundingrockeffect.　　关键词：隧道围岩；变形机理；变形特征　　Keyationmechanism；deformationcharacteristics　　中图分类号

4、：U45文献标识码：A：1006-4311（2017）14-0141-03　　0引言　　随着我国西部大开发战略的深入，我国中西部地区的高速公路建设项目逐渐增多，同时也修建了越来越多的山岭隧道。矿山法隧道具有造价低，开挖断面灵活，适应各种不同的地质条件等特点，因而山岭隧道多采用矿山法施工。[1]初始地应力场往往由于受到隧道的开挖作业，破坏了其初始应力平衡状态，引起隧道周围一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力释放，与此同时也会恶化围岩的物理力学性质，从而使围岩产生变形甚至破坏，这一过程往往具有很��的时间相关性和空间相关性。[2]本文主要通过一个双线公路隧道为实例，

5、计算了在全断面开挖工法的条件下，监测断面拱顶沉降、洞身收敛以及掌子面挤出值随开挖步的变化规律。　　1隧道围岩变形机理　　1.1围岩变形的时空效应　　隧道围岩变形的时空效应是一个综合概念，包括变形空间效应和变形时间效应两个方面。空间效应指的是隧道开挖过程中，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部瞬时弹性位移。这是开挖面推进过程中，由于空间变化所引起的一种围岩变形特性。时间效应则主要表现为围岩变形随时间而改变的性质，这是围岩具有流变性的体现。根据围岩变形速率，隧道围岩变形一般可划分为三个阶段，即急剧变形阶段、稳定变形阶段和流变阶段。其中，急剧变形阶段围

6、岩变形呈现急剧增长的特点。稳定变形阶段围岩变形一般趋于稳定。[3]　　1.2围岩变形与支护的关系　　围岩的变形随掌子面的推进而不断动态变化，在无支护条件下，掌子面到达监测断面前，监测断面约产生总位移值30%的位移。然而，在掌子面后方距离约2D左右隧道围岩位移基本收敛，围岩位移与隧道支护时机之间的关系见图1所示。[4]　　从图1可以看出：在开挖断面距离监测断面1.5D时，围岩开始产生位移，当开挖断面到达监测断面时，位移突然急剧增加。当采取支护手段时，支护时机越早，围岩的位移值越小，且随着支护结构刚度的增加，在一定程度上可以抑制围岩变形。[4]　　2施工过程数值模拟　　2

7、.1工程资料　　某双线公路隧道隧道埋深60m，开挖方法为全断面开挖，开挖进尺2.0m，初期支护参数为喷射混凝土厚度28cm，混凝土标号C25，弹性模量为28GPa，泊松比为0.2，围岩级别为Ⅳ级，对应的主要物理力学参数见表1所示。　　2.2建模计算　　①首先在AutoCAD建立数值分析的二维模型，导入ANSYS中生成相应的三维有限元模型，围岩用SOLID45单元模拟，最后导入FLAC3D中进行计算和后处理分析。[5]为了避免尺寸效应影响计算结果精度，模型中隧道左右及下部各取3～5倍的隧道洞径，确定模型大小为120m×100m×150m（X×Y×Z），