铁５８ 道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１２）０８．００５８—０３ 隧道围岩变形特征及其影响因素的数值模拟 左清军 ，吴 立 ，张良刚 ，陆中功 ， （１．岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北武汉４３００７４；２．中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉４３００７４） 摘要：运用数值模拟手段，对宜万铁路堡镇隧道围岩在高地应力条件下的变形特征及其影响因素进行了 模拟分析。模拟结果表明：隧道开挖后，在隧道的周边出现应力集中，洞壁最易发生破坏，隧道围岩位移 的模拟值与实际测量值较为接近，且隧道围岩的变形量与隧道洞径、围岩的侧压系数、隧道埋深和围岩 的力学参数密切相关。 关键词：围岩 变形特征 影响因素 数值模拟 中图分类号：Ｕ４５１ ．２文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３．１９９５．２０１２．０８．１７ 宜万铁路（湖北宜昌一重庆万州）堡镇隧道位于 湖北阳县的贺家坪镇和榔坪镇之间，采用左右两 进行网格划分，为了保证计算的精度隧道洞周１０ ｍ范 围内网格较密，而后网格的间距逐渐增大。采用生死 单线方案，左线长１１ ５６３ ｍ，右线长１１ ５９５ ｍ。其围岩 较破碎，主要为志留系的砂质页岩和粉砂质页岩，岩层 单元（Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｂｉｒｔｈ／Ｄｅａｔｈ）模拟岩体的开挖和支护过 程。为了计算的方便，假定隧道为圆形。 １．２计算参数的选取 选取左线隧道ＤＫ７７＋２２８．５断面作为研究对象， 该处隧道半径为５ ｍ，埋深为４５０ ｍ，根据计算点的地 质资料，选取如表１所示的计算参数。 表１计算参数 强度低。隧道洞身段最大水平主应力约为１６．０ ＭＰａ， 隧道横断面内的最大初始应力 …约１４．７５ ＭＰａ，岩 石的单轴抗压强度 为６．５～１３．１ ＭＰａ。Ｒ ／Ｏｒ…均 ＜４，根据国标《工程岩体分级标准》（ＧＢ５０２１８—９４），该 区属极高应力区，将产生较大的位移和变形。 本文结合堡镇隧道围岩的工程地质特点，应用 ＡＤＩＮＡ软件模拟研究了隧道的围岩变形特征及其影 响因素。 １ 变形特征的数值模拟 １．１计算模型 １．３，计算结果及分析 根据计算模型，按照ＡＤＩＮＡ计算的基本步骤对网 为了保证计算的可靠性，ＡＤＩＮＡ数值解析区域取 隧道洞径的１０倍左右，即取边界均大于开挖后围岩应 格中的单元和节点进行了反复计算，根据能量收敛准 则，当内能的增量减小到允许值后，可认为位移与应力 趋向稳定。图１显示了隧道拱顶位移随步时增加的变 力重分布的影响范围。其中， 轴沿洞纵轴线方向，ｙ 轴沿水平向右，ｚ轴沿铅直方向。 化规律。从图１可以看出，隧道开挖后，由于隧道通过 自身应力、应变和能量的调整，随着计算步时的增加， 计算模型为轴对称模型，模型左右两侧采用水平 位移约束，模型的下面采用固定约束。模型的最上面 施加初始应力，其大小为上覆岩体产生的自重应力 （１５ ＭＰａ），左右两侧对边界施加水平应力。围岩体采 用莫尔一库仑（Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ）材料，２Ｄ－Ｓｏｌｉｄ单元。 采用ＡＤＩＮＡ的Ｒｕｌｅ．Ｂａｓｅｄ方式，４节点低阶单元 拱顶位移趋于稳定。 １．３．１ 隧道围岩的应力状态 图２为隧道开挖后洞周的最大主应力云图。岩体 点单元的最大主应力是决定单元应力状态的最主要因 素。由于将岩体视为弹塑性体，根据莫尔一库仑强度 准则，当岩体单元的最大主应力和最小主应力的组合 达到一定值时，单元将发生塑性破坏，并将不平衡力传 给相邻的岩体质点，导致相邻岩体质点的应力增加；如 果塑性破坏点沿洞周连成塑性破坏面，并最终形成塑 性圈 。 。由图２可以看出隧道开挖后大部分区域 收稿日期：２０１２—０１．２０；修回日期：２０１２．０４．１８ 基金项目：国家自然科学基金青年项目（５１１０８４３４）；武汉市科技局社会 发展科技攻关计划项目（２Ｏｌ１６０８２３２６８） 作者简介：左清军（１９８３一），男，湖北宜昌人，博士研究生。 ６０ 铁道建筑 由于地应力场的不稳定，故本文分别取Ａ＜１，Ａ＝ １，Ａ＞１三种情况进行讨论。相应地取埋深为４５０ ｒｎ， 表３不同弹性模量下拱顶拱腰最大变形量计算结果 洞径为５ ｍ时，Ａ值分别取０．７５，１，１．５。 图６为不同的Ａ值时隧道围岩的塑性区计算 结果。 ■～一一 图６不同Ａ值时隧道围岩的塑性区 由图６中可以看出：Ａ＝０．７５时，塑性区在隧道两 侧半径较大，并呈弓形；对于Ａ＜１的圆形隧道，变形 首先出现有隧道两侧的中间部位。当Ａ＝１时，塑性 区围绕开挖隧道呈环形分布；对于Ａ＝１时的圆形隧 道，变形是在拱顶、边墙和拱底同时发生。当Ａ＝１．５ 时，塑性区在隧道上下两侧半径较大，并呈弓形分布；一～ 对于Ａ＞１的圆形隧道，变形首先出现在隧道的拱顶 和拱底。此外，围岩塑性区范围在其它条件相同的情 况下，随着Ａ的增大呈不同的形状。也就是说，在垂 直应力等条件相同的情况下，洞室围岩的塑性区范围， 随侧压系数Ａ的不同，表现出明显的差异。 ２．３隧道埋深的影响 一般地说，隧道埋深越大，上覆岩体对隧道的围压 就越大。堡镇隧道的最大埋深约为６３０ ｍ，但隧道 ９０％部分埋深在２００～５００ ｍ的范围内。现固定Ａ＝ １，洞径为５ ｍ，埋深分别取２５０ ｍ，３５０ ｍ，４００ ｒｎ，５００ ｍ，利用ＡＤＩＮＡ计算出的最大径向位移分别为５１．８０ ｍｍ，６６．６１ ｍｍ，７４．６５ ｍｍ，９６．３１ ｍｍ。 ２．４地层弹性模量的影响 根据地质资料，堡镇隧道工程区域地层的弹性模 量在１．０～１．４ ＧＰａ之间。－计算时，取侧压力系数Ａ为 １，埋深为４００ ｍ，隧道半径为５ ｍ，弹性模量为０．８～ １．６ ＧＰａ。计算结果列于表３。 从表３可以看出，隧道拱顶和拱腰的最大变形量 随弹性模量的增大而减小，变形量与弹性模量呈幂函 数关系 ，其拟合曲线为 拱顶：Ｙ＝７．４６９ｘ （２） 拱腰：Ｙ＝５．０６８ ７ｘ ” （３） 式中，Ｙ为变形量，ｃｍ； 为弹性模量，ＧＰａ。 其它条件相同的情况下，通过式（２）和式（３）对拱 顶和拱腰的最大变形量进行预测。 ３ 结论 １）隧道开挖后大部分区域最大主应力为压应力， 这些区域基本是稳定的；剪应力云图呈“蝶形”分布， 在隧道的周边出现应力集中。隧道的最大沉降出现在 拱顶，最大回弹值出现在隧道的拱底，隧道的最大水平 收敛出现在隧道的拱腰处。 ２）隧道围岩变形量与洞径、侧压系数Ａ、埋深及力 学参数密切相关。在其它条件相同时，洞径越大，变形 量越大；沿铅直压力一定时，侧压系数Ａ越大，塑性区 的范围越大，并且在Ａ＜１，Ａ＝１，Ａ＞１时，塑性区分别 呈不同的形状；在其它条件相同时，埋深越大径向位移 量越大；弹性模量与拱顶、拱腰的变形量呈幂函数 关系。 参 考 文 献 ［１］赵瑜，李晓红，顾义磊，等．高应力区隧道围岩变形破坏的数 值模拟及物理模拟研究［Ｊ］．岩土力学，２００７，２８（增）：３９３—３９７． ［２］严涛，金学松，王维嘉．老鸭岭隧道Ⅳ级围岩开挖方法三维 数值分析比选［Ｊ］．铁道建筑，２０１０（８）：６６—６９． ［３］张爽，刘庆新，胡力耀，等．广巴高速某隧道不同岩性围岩变 形特征分析［Ｊ］．现代隧道技术，２０１１，４８（１）：１７—２１． ［４］张照太，陈竹，马鹏辉．大伙房引水隧洞不良地质洞段围岩 变形监测及支护措施分析［Ｊ］．现代隧道技术，２００７，４４（５）：６８・ ７１． ［５］张志强，关宝树．软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规 律研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０００，２２（６）：６９６—７００． ［６］张志强，郑鸿泰．高地应力条件下隧道大变形的数值模拟分 析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００，１９（增）：９５７—９６０． （责任审编孟庆伶）
