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淺埋隧道圍巖位移及應力變化規(guī)律研究

文檔作者：鄧洪亮１陳鴿１郭洋１王思淼１武勝林２文檔來源：１．北京工業(yè)大學建筑工程學院２．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年11月18日
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上一篇：強夯法在皖江軟土路基處理中的應用

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２０１６ 年４ 月上
第４５ 卷　第７ 期
施　工　技　術(shù)
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ １?。保?
ＤＯＩ：１０?? ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１６０７０１１３
淺埋隧道圍巖位移及應力變化規(guī)律研究?
鄧洪亮１，陳　鴿１，郭　洋１，王思淼１，武勝林２
（１． 北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京?。保埃埃保玻?； ２． 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，北京?。保埃埃埃矗玻?
［摘要］ 采用有限元軟件ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 對黃董坡隧道的開挖過程進行了數(shù)值模擬，分析了淺埋隧道的圍巖變形規(guī)律
和受力情況，同時結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，最后得出圍巖位移最大值和應力最大值分別出現(xiàn)在拱頂部位和拱腰部位的
結(jié)論，因此控制隧道拱頂沉降和緩解拱腰部位的應力集中現(xiàn)象是淺埋隧道施工中的重要環(huán)節(jié)，這就要求進行必要
的超前支護、及時施做初期支護以及密切監(jiān)測危險區(qū)域，確保施工安全。
［關鍵詞］ 地下工程；隧道；淺埋隧道；數(shù)值模擬；圍巖；位移；應力
［中圖分類號］ Ｕ４５６?? ３ ［文獻標識碼］ Ａ　　　?。畚恼戮幪枺?１００２?８４９８（２０１６）０７?０１１３?０５
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ Ｒｕｌｅ ｏｆ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ
Ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｈａｌｌｏｗ Ｂｕｒｉｅｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
Ｄｅｎｇ Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ１， Ｃｈｅｎ Ｇｅ１， Ｇｕｏ Ｙａｎｇ１， Ｗａｎｇ Ｓｉｍｉａｏ１， Ｗｕ Ｓｈｅｎｇｌｉｎ２
（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ?。保埃埃保玻?， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ?。保埃埃埃矗玻?Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ ｔｏ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈｕａｎｇｄｏｎｇｐｏ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ， ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ，
ｆｉｎａｌｌｙ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ
ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｕｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｃｈ ｗａｉｓｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｖａｕｌｔ ａｎｄ ａｌｌｅｖｉａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｃｈ ｗａｉｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅ， ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ａ ｔｉｍｅｌｙ ｍａｎｎｅｒ
ａｎｄ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｎｇｅｒ ｚｏｎｅ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ； ｔｕｎｎｅｌｓ； ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ； ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ； ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；
ｓｔｒｅｓｓ
?國家自然科學基金重點項目（１２００４０１４２０１５０１）；北京市教育委員
會創(chuàng)新平臺項目（ＰＸＭ２０１４?０１４２２５?００００２０） ［作者簡介］ 鄧洪亮，教授級高級工程師， Ｅ?ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｈｏｎｇｌｉａｎｇ＠
ｂｊｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ ［收稿日期］ ２０１５?１０?１２；［修訂日期］ ２０１５?１２?１６
０　引言
隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，高速鐵路發(fā)展
不斷加快，出現(xiàn)了越來越多的淺埋軟弱圍巖地質(zhì)條
件下的隧道。由于淺埋隧道大多埋深淺、巖體風化
比較嚴重，自穩(wěn)能力差及承載力低，并且不能有效
形成塌落拱，這就導致了淺埋隧道在施工過程中巖
體的應力分布情況十分復雜，如若施工操作不當或
者支護參數(shù)選取不當，則極易發(fā)生坍塌等安全事
故，因此，研究淺埋隧道的圍巖變形規(guī)律和受力情
況十分必要。
本文以銅玉鐵路黃董坡隧道為研究對象，采用
有限元軟件ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 對淺埋隧道開挖過程進行
了數(shù)值模擬，研究分析淺埋隧道圍巖位移特征和應
力特征，并將數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對
比分析，以評價圍巖的穩(wěn)定性和驗證數(shù)值模擬模型
的合理性，進而為同類地質(zhì)條件下淺埋隧道的施工
提供科學指導。１　工程概況
黃董坡隧道位于貴州省銅仁市茶店鎮(zhèn)境內(nèi)，中
心里程ＩＤＫ２３ ＋ ３１２， 最大埋深約為３１ｍ， 全長
６６４ｍ。進口ＩＤＫ２２ ＋ ９８０—ＩＤＫ２３ ＋ ３７１?? ９６０２ 段位
于半徑為５ ５００ｍ 的左偏曲線，其余地段為直線，設
計縱坡為９?? ７‰的單面上坡。
隧道區(qū)域?qū)偃芪g構(gòu)造丘陵地貌，巖溶弱～ 中等
發(fā)育， 地形起伏較大， 地面高程６６０?? ０００ ～
１?。保?施工技術(shù) 第４５ 卷
７２６?? ０００ｍ，相對高差６６ｍ，坡度２５° ～ ３０°，隧道通過
梵凈山拗陷褶皺帶，構(gòu)造線多為ＮＥ 向，部分為ＮＷ
向，線路與ＮＥ 向構(gòu)造線方向基本一致，隧道進口出
露基巖產(chǎn)狀Ｎ２８°Ｅ／３２°ＳＥ，出口附近出露巖層產(chǎn)狀
Ｎ２５°Ｅ／２５°ＳＥ，隧道進口發(fā)育節(jié)理產(chǎn)狀Ｎ?Ｓ／５４°Ｗ、
Ｎ７１°Ｅ／９０°，出口發(fā)育節(jié)理產(chǎn)狀Ｎ４５°Ｅ／９０°、Ｎ５０°
Ｗ／９０°，陡傾節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面張開且粗糙，延伸數(shù)
米，有泥質(zhì)充填，區(qū)內(nèi)地下水為第四系松散土層孔
隙水、巖溶水，埋深一般４０ ～４２ｍ，主要接受大氣降
雨及地表水下滲補給，由蒸發(fā)及地表徑流方式向低
洼地帶排泄，隧區(qū)坡面多為坡殘積的紅黏土，坡面
植被一般為灌木林，緩坡地帶為旱地或水田，基巖
為寒武系中統(tǒng)敖溪組上段白云巖，黃董坡隧道典型
斷面橫向地質(zhì)剖面如圖１ 所示。
圖１　典型斷面橫向地質(zhì)剖面（單位：ｍ）
Ｆｉｇ． １　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ（ｕｎｉｔ：ｍ）
２　數(shù)值模擬
表１　圍巖物理力學參數(shù)
Ｔａｂｌｅ １?。校瑁螅椋悖幔?ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ
土層名稱
彈性
模量／ ＧＰａ 泊松比
重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
飽和重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
黏聚力／
ｋＰａ
內(nèi)摩擦角／
（°） Ｋ０
紅黏土０?? ０５ ０?? ４５ １８ １８ ３０ １０ ０?? ５
白云巖Ｗ３ ０?? １ ０?? ４０ ２３ ２３ １００ ２０ １?? ０
白云巖Ｗ２ １ ０?? ３５ ２５ ２５ １５０ ２５ １?? ３
２?? １　基本假定
采用有限元軟件ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 建立淺埋隧道開
挖過程中的計算模型，以此對淺埋隧道的圍巖位移
和應力特征進行分析研究。為簡化分析，做如下基
本假定［１］ 。
１）假定黃董坡隧道是土體和圍巖為各向同性、
連續(xù)、勻質(zhì)的彈塑性體。
２）隧道的力學分析采用平面應變模型，不考慮
地下水的影響。
３）隧道圍巖和土體采用莫爾?庫倫彈塑性模型，
而錨桿、噴射混凝土支護采用彈性模型。
４）隧道為淺埋隧道，故巖體初始應力場只考慮
自重應力，不考慮構(gòu)造應力。
２?? ２　計算模型
根據(jù)黃董坡隧道的現(xiàn)場施工情況，對ＩＤＫ２３ ＋
１２０—ＩＤＫ２３ ＋１８０ 段進行三維有限元數(shù)值模擬。該
段為Ｖ 級圍巖淺埋段，采用復合式襯砌的支護形
式。模型計算范圍向左右和向下選?。?倍和４ 倍洞
徑范圍，而上方地層則是導入實際隧道地形文件生
成。模型的上界面為自由表面，左右側(cè)面為水平方
向位移約束，底部為垂直方向位移約束［２］ 。
在計算模型中，圍巖和土體采用實體單元來模
擬，本構(gòu)模型為Ｍ?Ｃ 彈塑性模型；噴射混凝土通過
板單元來模擬，錨桿則選取桁架單元來模擬，本構(gòu)
模型為彈性模型。
對于有限元模擬而言，合理的網(wǎng)格劃分至關重
要，直接影響著數(shù)值計算的速度和精度，因此，為合
理劃分有限元網(wǎng)格，對隧道開挖影響大的位置即隧
道洞室附近的區(qū)域細化網(wǎng)格，對隧道開挖影響小的
位置則粗化網(wǎng)格［３］ 。網(wǎng)格劃分如圖２ 所示。
圖２　三維有限元模型網(wǎng)格劃分
Ｆｉｇ． ２?。牵颍椋?ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ
２?? ３　計算參數(shù)
黃董坡隧道采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)，為簡化模擬
過程，初期支護中的超前注漿小導管按照等效法提
高圍巖的彈性模量來逼近模擬，鋼筋網(wǎng)和鋼拱架的
作用則通過等效提高噴射混凝土的彈性模量來逼
近模擬，因為二次襯砌通常起著隧道的安全儲備和
美觀的作用，因此本文不考慮二次襯砌的作用［３］ 。
黃董坡隧道的圍巖物理力學參數(shù)如表１ 所示。
初期支護參數(shù)是根據(jù)黃董坡隧道的設計資料確定
的，如表２ 所示?；炷梁湾^桿的物理力學參數(shù)如
表３ 所示。
２０１６ Ｎｏ． ７ 鄧洪亮等：淺埋隧道圍巖位移及應力變化規(guī)律研究 １?。保?
表２　初期支護參數(shù)
Ｔａｂｌｅ ２?。校颍椋恚幔颍?ｓｕｐｐｏｒｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
Ｃ２０ 噴射
混凝土
厚度／ ｃｍ
?２２ 中空注漿錨桿鋼筋網(wǎng)鋼拱架
長度／
ｍ
間距／
（ｍ × ｍ） 型號
間距／
（ｃｍ × ｃｍ） 類型
間距／
（ｍ × ｍ）
２０ ３ １?? ５ ×１?? ５ ?８ ２０ ×２０ Ｉ２０ｂ ０?? ６ ×０?? ６
表３　混凝土與錨桿物理力學參數(shù)
Ｔａｂｌｅ ３?。校瑁螅椋悖幔?ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｎｄ ａｎｃｈｏｒ
材料
類型
彈性
模量／ ＧＰａ
泊松
比
重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
熱膨脹
系數(shù)
噴射混凝土１５ ０?? ２ ２２ １?? ００ ×１０ －５
錨桿　　?。玻埃?０?? ３ ７８５ １?? ２０ ×１０ －５
２?? ４　施工過程模擬
圖４　各施工步豎向位移變化曲線
Ｆｉｇ． ４?。裕瑁?ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｔｅｐ
采用ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 進行淺埋隧道施工過程的有
限元模擬，具體施工步驟如下：①施工步１　開挖上
臺階１；②施工步２　對上臺階１ 拱部進行錨噴支
護，并且對核心土２ 的兩側(cè)進行臨時支護；③施工步
３　開挖核心土２，完成上臺階１ 的臨時支護；④施
工步４　開挖下臺階３；⑤施工步５　對下臺階３ 進
行錨噴支護。其施工步序如圖３ 所示。
圖３　施工步序
Ｆｉｇ． ３?。茫铮睿螅簦颍酰悖簦椋铮?ｐｒｏｃｅｓｓ
３　計算結(jié)果分析
采用有限元軟件Ｍｉｄａｓ／ ＧＴＳ 模擬淺埋隧道開
挖過程，得到不同施工階段淺埋隧道圍巖位移和應
力變化情況，進而研究分析得出圍巖位移和應力變
化規(guī)律，從而為同類地質(zhì)條件下的淺埋隧道的施工
提供借鑒。
３?? １　圍巖位移特征分析
選取黃董坡隧道ＩＤＫ２３ ＋ １６８ 斷面的拱頂、隧
底中心、左右拱腰等特征點各施工步的最大豎向位
移值計算結(jié)果如表４ 所示。根據(jù)表４ 的豎向位移值
計算結(jié)果繪制各特征點的各施工步豎向位移變化
曲線如圖４ 所示。
表４　各施工步特征點最大豎向
位移值計算結(jié)果
Ｔａｂｌｅ ４?。茫幔欤悖酰欤幔簦椋铮?ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ
ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｔｅｐ ｍｍ
位置
施工
步１
施工
步２
施工
步３
施工
步４
施工
步５
拱頂－５?? １２ －６?? ８３ －８?? １９ －９?? ２７ －１０?? ０５
隧底中心２?? ２０ ２?? ６１ ３?? ２６ ４?? ７７ ５?? ５０
左拱腰－０?? ５２ －０?? ９３ －１?? ５２ －２?? ４９ －２?? ９１
右拱腰－０?? ５８ －０?? ９９ －１?? ６０ －２?? ６０ －３?? ０４
根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著淺埋隧道的開
挖，洞周圍巖向隧道洞內(nèi)移動變形，即拱頂部位下
沉、拱腰部位向洞內(nèi)收斂、隧底部位向上隆起。
從表４ 可以看出，圍巖最大豎向位移值出現(xiàn)在
隧道拱頂中央附近，并且隨著淺埋隧道開挖的不斷
進行，隧道的豎向位移累計變形量也在不斷增加，
這是由于圍巖豎向應力主要集中分布在隧道拱頂
范圍內(nèi)造成的。而隧道拱腰部位的豎向位移受開
挖的影響相對來說并不大，左右兩側(cè)的豎向位移值
均在４ｍｍ 以下。從圖４ａ 可以看出，隧道的上臺階
開挖完成后，隧道拱頂最大沉降值為５?? １２ｍｍ，占拱
頂總沉降量的５０?? ９５％，由此可見拱頂下沉主要是
由于隧道上半斷面開挖造成的。上臺階支護后，拱
頂下沉量為６?? ８３ｍｍ，而隧道的核心土開挖完成后，
拱頂下沉量為８?? １９ｍｍ，僅比上臺階支護后的豎向
位移增加了１?? ３６ｍｍ，這是由于上臺階開挖后進行
了及時的初期支護，承擔了圍巖位移的大部分變形
導致的。隧道的下臺階開挖完成后，拱頂沉降量為
１?。保?施工技術(shù) 第４５ 卷
９?? ２７ｍｍ，下臺階開挖后位移量又有所增加，這是由
于隨著開挖斷面的增大，巖體內(nèi)應力重新調(diào)整的結(jié)
果， 但也僅比核心土開挖后的沉降值增加了
１?? ０８ｍｍ，這說明下臺階的開挖對圍巖的豎向位移影
響很小，下臺階支護后沉降值為１０?? ０５ｍｍ，下臺階
支護后沉降基本完成。從圖４ｂ 可以看出，隨著淺埋
隧道開挖的不斷進行，隧底部位出現(xiàn)了不同程度的
隆起，這是由于地應力的作用而產(chǎn)生的向上隆起，
最大隆起量為５?? ５０ｍｍ，位于隧底中心附近。從圖
４ｃ 可以看出，淺埋隧道開挖后，左右拱腰均發(fā)生向
下的豎向位移，二者出現(xiàn)了大致相同的下沉趨勢，
由此可見，左右拱腰處的圍巖豎向受力情況是基本
一致的，同時也說明在相對對稱的地質(zhì)構(gòu)造條件
下，隨著淺埋隧道開挖的不斷進行，圍巖的豎向變
形是相對對稱的。
圖５　圍巖豎向應力云圖
Ｆｉｇ． ５　Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ
就整體來看，淺埋隧道變形值較小，滿足相關
規(guī)范要求。在上臺階開挖完成后的隧道拱頂沉降
量所占隧道拱頂總沉降量的比重最大，因此這是淺
埋隧道施工過程中最不利的施工階段，所以在開挖
上臺階之前應進行必要的超前支護，并在開挖后及
時進行初期支護，以便能有效地控制圍巖變形，進
而保證淺埋隧道施工安全、提高圍巖穩(wěn)定性。
３?? ２　圍巖應力特征分析
分別選取黃董坡隧道在各階段開挖后的圍巖
豎向應力云圖如圖５ 所示，圖中正值為拉應力，負值
為壓應力。
淺埋隧道在開挖過程中破壞了隧道洞周圍巖
原有的應力平衡狀態(tài)，在地應力作用下洞室周圍的
巖體向洞內(nèi)發(fā)生松脹變形，進而使處于初始應力狀
態(tài)下的圍巖內(nèi)部發(fā)生應力重分布，形成新的應力平
衡狀態(tài)。在重分布的應力作用下，洞室周圍的巖體
開始向隧道洞內(nèi)產(chǎn)生變形，為阻止隧道洞周圍巖的
變形，需要對圍巖施做初期支護，施做初期支護后，
圍巖和支護結(jié)構(gòu)將共同變形以達到某種應力平衡
狀態(tài)［５］ 。
由圖５ 可知，圍巖豎向應力總體上呈條帶狀分
布；在淺埋隧道開挖過程中，拱部的圍巖壓應力始
終是最小的，在隧道開挖完成后，整個淺埋隧道洞
周圍巖的豎向應力大致是關于隧道軸線對稱分布
的；該淺埋隧道洞周圍巖應力大多為壓應力，基本
上沒有出現(xiàn)拉應力區(qū)，并且隧道拱部、隧底部位和
拱腰附近的圍巖在淺埋隧道開挖后始終都表現(xiàn)為
壓應力。上臺階開挖完成后，由于拱部圍巖的卸載
作用，拱部圍巖應力由初始壓應力０?? ５７１ １ＭＰａ 降低
到０?? ３６０ ３ＭＰａ；隨著拱頂處錨噴等初期支護措施的
完成， 拱部圍巖壓應力由０?? ３６３ＭＰａ 降到
０?? １２９ＭＰａ；當核心土開挖完成后，由于核心土的開
挖使初始地應力進一步地釋放，拱部圍巖壓應力有
一定程度的回彈增長， 從０?? １２９ ０ＭＰａ 增加到
０?? ２２１ ７ＭＰａ，而且左右拱腰部位出現(xiàn)了小范圍輕微
的應力集中現(xiàn)象，左右拱腰圍巖最大壓應力值分別
為１?? ２０８ ５ＭＰａ 和１?? ２０９ ７ＭＰａ；隨著下臺階的開挖
完成，此時拱部圍巖壓應力增幅很小，僅增加了
０?? ０１５ ４ＭＰａ，說明下臺階的施工對拱部圍巖豎向應
力影響不太大，但是在拱腰部位附近，圍巖應力集
中區(qū)域范圍擴展幅度卻很大，并且該區(qū)域內(nèi)的壓應
力值增幅也比較大，左右拱腰最大壓應力值分別增
加了０?? ２３０ ９ＭＰａ 和０?? ２１６ １ＭＰａ；當下臺階支護完
２０１６ Ｎｏ． ７ 鄧洪亮等：淺埋隧道圍巖位移及應力變化規(guī)律研究 １?。保?
成后，拱部壓應力基本上維持不變，并且拱腰部位
的應力集中現(xiàn)象得到了小幅度的改善，左右拱腰最
大壓應力值分別減小了０?? ０４１ ５ＭＰａ 和０?? ０５４ ２ＭＰａ，
可以看出在對圍巖進行支護后，其壓應力最大值有
所減小，這就說明支護結(jié)構(gòu)發(fā)揮了一定程度的作用。
就整體來看，淺埋隧道開挖對隧道洞周圍巖產(chǎn)
生的應力未超過圍巖可承受的應力范圍，滿足相關
規(guī)范要求。由上述分析可知，在淺埋隧道開挖過程
中，最大壓應力均發(fā)生在拱腰部位，所以拱腰是淺
埋隧道開挖施工中最不利的受力部位，對此應該引
起重視，及時進行初期支護，同時應在現(xiàn)場加強監(jiān)
測拱腰兩側(cè)的應力集中區(qū)域，以確保淺埋隧道施工
的安全性。
３?? ３　現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比與分析
選取黃董坡隧道ＩＤＫ２３ ＋ １６８ 斷面作為典型斷
面來進行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分
析，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制ＩＤＫ２３ ＋ １６８ 斷面拱頂
沉降變化曲線如圖６ａ 所示，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制
ＩＤＫ２３ ＋１６８ 斷面各個施工階段拱頂累計變化曲線
如圖６ｂ 所示。
通過對比圖６ａ 和６ｂ 可以看出現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值
模擬兩者的拱頂沉降變化趨勢大致相同，從而驗證
了數(shù)值模型的合理性。但現(xiàn)場監(jiān)測值要大于數(shù)值
模擬值，推測原因可能是現(xiàn)場施工環(huán)境復雜，開挖
后初期支護未能及時施作從而導致沉降加大以及
爆破開挖會破壞洞周一定范圍內(nèi)的圍巖導致圍巖
松弛進而使得已支護部分的圍巖對其支護結(jié)構(gòu)的
松動壓力增大從而加大了拱頂沉降［６］ 。由于數(shù)值
模擬沒有考慮這些影響因素，因此導致了現(xiàn)場監(jiān)測
與數(shù)值模擬在數(shù)值上的差異。
圖６?。桑模耍玻?＋ １６８ 斷面拱頂沉降變化曲線
Ｆｉｇ． ６　Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｖａｕｌｔ ｏｆ ＩＤＫ２３ ＋ １６８
４　結(jié)語
對于黃董坡隧道，采用有限元軟件Ｍｉｄａｓ／ ＧＴＳ
對該淺埋隧道的施工過程進行數(shù)值模擬，通過對施
工過程中圍巖的變形規(guī)律和受力情況的分析研究，
得出如下結(jié)論。
１）３ 步開挖預留核心土法比較適合于隧道開挖
的下半斷面巖體巖性強于上半斷面巖體巖性的工
程情況，它是通過先開挖承載力比較薄弱的上半斷
面圍巖、暫時保留下半斷面圍巖的方式來提高淺埋
隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的。
２）從總體上看，淺埋隧道位移最大值出現(xiàn)在拱
頂部位，由此可見控制拱頂沉降是淺埋隧道開挖過
程中的重要環(huán)節(jié)，應予以重視。由于上臺階的開挖
引起的隧道拱頂沉降所占比重最大，所以在開挖上
臺階之前應進行必要的超前支護，并且及時施做初
期支護，及時的初期支護能夠很大程度上阻礙圍巖
的變形，防止圍巖產(chǎn)生過大的變形而坍塌，同時還
應密切監(jiān)測拱頂沉降情況，確保淺埋隧道的施工
安全。
３）從總體上看，淺埋隧道應力最大值均發(fā)生在
拱腰部位，由此可見在淺埋隧道開挖施工中應重點
關注拱腰部位，及時施做初期支護，初期支護會阻
礙圍巖的變形，降低巖體內(nèi)部的應力，從而較大程
度上地緩解拱腰部位的應力集中問題，同時還應密
切監(jiān)測該應力集中區(qū)域的應力變化情況，以便出現(xiàn)
問題時能及時有效地采取措施，保證淺埋隧道的施
工安全。
參考文獻：
［ １ ］　鐘原，劉夢瑩，王嬋． 淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道施工力學效應
研究［Ｊ］． 黑龍江交通科技，２０１５（１）：１１２?１１５．
［ ２ ］　陳明奎，申玉生，侯瑞彬． 大跨度巖溶隧道施工工法比選［Ｊ］．
公路工程，２０１４，３９（２）：３１?３６．
［ ３ ］　石效民，鄧洪亮，張宇華，等． 淺埋偏壓隧道施工過程圍巖應
力變化規(guī)律研究［Ｊ］． 施工技術(shù)，２０１１，４０（３）：５７?５９．
［ ４ ］　高速鐵路設計規(guī)范：ＴＢ １０６２１—２０１４［Ｓ］． 北京：中國鐵道出
版社，２０１４．
［ ５ ］　華薇． 公路隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［Ｄ］． 長春：吉
林大學，２００７．
［ ６ ］　邵珠山，李曉照，陳福成，等． 大跨軟巖公路隧道圍巖穩(wěn)定性
分析［Ｊ］． 地下空間與工程學報，２０１２，８（６）：１２２１?１２２７．
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