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淺埋偏壓隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測分析

文檔作者：高文學(xué)1 孫文龍2 周文旭3 付萍2 鄧洪亮3 張洋洋2 文檔來源： 1. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2. 北京市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 3. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月16日
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48
施工技術(shù)
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2011 年2 月
第40 卷第3 期
淺埋偏壓隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測分析
高文學(xué)1 ，孫文龍2 ，周文旭3 ，付萍2 ，鄧洪亮3 ，張洋洋2
(1. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124;
2. 北京市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100068;3. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124)
［摘要］以密興路改建工程火郎峪隧道為研究對象，利用MIDAS-GTS 軟件建立了淺埋偏壓隧道進(jìn)口段數(shù)值計(jì)算模
型，分析了隧道開挖狀態(tài)下圍巖應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)分布以及淺埋偏壓段反壓回填穩(wěn)定土后的應(yīng)力分布規(guī)律，
并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對比，得出了一些可靠的結(jié)論。
［關(guān)鍵詞］淺埋偏壓隧道;圍巖變形;反壓回填;數(shù)值模擬;施工監(jiān)測
［中圖分類號(hào)］U459. 2 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1002-8498(2011)03-0048-03
Numerical Simulation and Monitoring Analysis for Construction
Process of Shallow Tunnel Under Unsymmetrical Pressure
Gao Wenxue1 ，Sun Wenlong2 ，Zhou Wenxu3 ，F(xiàn)u Ping2 ，Deng Hongliang3 ，Zhang Yangyang2
(1. The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering ，Ministry of Education，
Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;
2. Beijing Roads and Bridges Construction Group Corporation Limited，Beijing 100068，China;
3. The College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)
Abstract:By using the finite element software—MIDAS /GTS，the authors set up the finite element model
of shallow tunnel entrance segment under unsymmetrical pressure in Huolangyu tunnel in Mixing road
reconstruction project，and analyze stress field，displacement field and plastic field distribution of the
surrounding rock under tunnel excavation condition. They also study stress distribution laws of shallow
tunnel under unsymmetrical pressure which be back filled with soil.
Key words: shallow tunnel under unsymmetrical pressure; surrounding rock deformation; back fill;
numerical simulation; construction monitoring
［收稿日期］2010-11-20
［基金項(xiàng)目］國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50638030) ;北京市政路橋
控股( 集團(tuán)) 公司科技開發(fā)項(xiàng)目( LQKJ-2010-B-01)
［作者簡介］高文學(xué)，北京工業(yè)大學(xué)道橋研究所副所長，博士，教授，
北京市朝陽區(qū)平樂園100 號(hào)100124，電話:(010 )67392772，E-mail:
wxgao@ bjut. edu. cn
1 工程概況
密興路改建工程火郎峪隧道設(shè)計(jì)起點(diǎn)為K10 +
215，終點(diǎn)K10 + 833，全長618m，隧道凈空( 寬× 高)
10. 5m × 5m。場地地形起伏較大，隧道進(jìn)出口最低
標(biāo)高約為238. 52m，山脊最高處標(biāo)高約為297. 21m，
相對高差達(dá)58. 7m，為構(gòu)造低山剝蝕地貌。根據(jù)區(qū)
域地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘探揭露，地層比較簡單，隧道洞
口段主要由亞黏土、斜長片麻巖組成，其中亞黏土為
褐黃色碎石、塊石等，洞口段表層厚2. 5m;其下為強(qiáng)
風(fēng)化黑云母，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀，綜合評(píng)
定隧道洞口段為Ⅴ級(jí)圍巖。
火郎峪隧道進(jìn)口段埋深較淺，其輪廓線距地表
最淺處不足4m( 位于隧道右側(cè)起拱線處) ，且存在
偏壓現(xiàn)象。為了確保施工安全，隧道開挖時(shí)在其右
側(cè)采用反壓回填方法進(jìn)行處理，隧道拱部采用42
× 4 超前小導(dǎo)管支護(hù)，導(dǎo)管長3m，環(huán)向間距40cm;
初襯采用鋼格柵，縱向間距50cm，2 榀格柵間用鋼
筋焊接相連;墻部采用25 中空注漿錨桿，長3. 5m，
縱向間距50cm，環(huán)向間距100cm;噴射25cm 厚C20
混凝土，并掛6 鋼筋網(wǎng)。隧道施工按照新奧法組
織實(shí)施，由于隧道埋深較淺且圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，結(jié)合工
程實(shí)際條件，采用上下臺(tái)階法施工。
2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析
2. 1 計(jì)算模型建立與參數(shù)選取
基于MIDAS-GTS 軟件對隧道開挖過程進(jìn)行模
擬，建模時(shí)考慮邊界效應(yīng)影響，模型兩側(cè)及下部分別
取至3 倍洞徑，上部取實(shí)際地表并對其進(jìn)行合理簡
化。模型邊界采用固定支座約束，其中兩側(cè)約束水
平方向，底部約束豎向，上部為自由表面。建模時(shí)將
萬方數(shù)據(jù)
2011 No. 3 高文學(xué)等:淺埋偏壓隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測分析49
拱頂120°、厚0. 5m 范圍內(nèi)圍巖屬性加強(qiáng)以模擬小
導(dǎo)管超前注漿支護(hù)，同時(shí)考慮初襯噴射混凝土( 厚
度為25cm) 及錨桿支護(hù)，鋼格柵以剛度貢獻(xiàn)方式折
合到噴射混凝土中;圍巖采用摩爾庫倫模型;根據(jù)隧
道地勘資料以及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70—
2004，圍巖與支護(hù)材料參數(shù)如表1 所示，計(jì)算模型如
圖1 所示。
表1 模型參數(shù)
Table 1 Model parameters
單元
彈性模
量/MPa
泊松
比
重度/
( kN·m － 3 )
黏聚力/
MPa
內(nèi)摩擦
角/ ( °)
Ⅴ級(jí)圍巖500 0. 4 20 0. 05 25
超前支護(hù)5 000 0. 3 24 0. 20 27
噴射混凝土18 000 0. 2 26 — —
錨桿210 000 0. 3 78 — —
圖1 數(shù)值模擬模型
Fig. 1 Numerical simulation model
模擬隧道施工時(shí)，考慮時(shí)間及空間效應(yīng)，圍巖荷
載釋放系數(shù)取0. 5，0. 25，0. 25，即隧道開挖后釋放
50% 荷載，錨桿施工時(shí)釋放25% 荷載，噴射混凝土
施工時(shí)釋放25% 荷載。采用上下臺(tái)階法施工，施工
順序?yàn)?地表碎石土回填，小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)，上
斷面爆破開挖，初襯支護(hù);下斷面爆破開挖，初襯支
護(hù);全斷面二襯施工。數(shù)值模擬時(shí)，只考慮超前支護(hù)
及初期支護(hù)，二襯作為安全儲(chǔ)備，分析時(shí)不考慮。
2. 2 數(shù)值模擬結(jié)果分析
2. 2. 1 隧道開挖應(yīng)力特征
圖2 為隧道開挖完成后圍巖第一主應(yīng)力和第三
主應(yīng)力變化特征圖(應(yīng)力符號(hào)規(guī)定，拉為正，壓為負(fù))。
從第一主應(yīng)力特征圖來看( 見圖2a)，隧道開挖完成
后在頂部產(chǎn)生了拉應(yīng)力，雖然數(shù)值只有0. 003MPa 左
右，但分布范圍較廣，在隧道頂部形成一拉應(yīng)力帶，隨
著變形的進(jìn)一步發(fā)展，拉應(yīng)力趨于逐漸貫通，施工時(shí)
應(yīng)引起關(guān)注，以免最后發(fā)展到滑移破壞。
第三主應(yīng)力( 見圖2b) 主要表現(xiàn)出以下特征:①
隧道下斷面開挖完成后，由于偏壓作用影響，圍巖應(yīng)
力分布不對稱，主應(yīng)力方向由深埋側(cè)指向淺埋側(cè)，當(dāng)
下斷面開挖后深埋側(cè)拱腰和拱底圍巖應(yīng)力不同程度
釋放，在兩者共同作用下，隧道左側(cè)拱腳( 深埋側(cè)) 產(chǎn)
生應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖然埋深較淺，但其最大壓應(yīng)力仍
圖2 圍巖應(yīng)力
Fig. 2 Stress nephogram of surrounding rock
達(dá)到0. 85MPa;②淺埋側(cè)起拱線部分也產(chǎn)生了部分應(yīng)
力集中，但應(yīng)力值較左側(cè)拱腳小，為0. 45MPa;③由于
偏壓應(yīng)力的作用導(dǎo)致隧道兩側(cè)呈現(xiàn)了明顯的不對稱
壓應(yīng)力區(qū)。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮支護(hù)
結(jié)構(gòu)能夠抵抗偏壓作用引起的不均勻變形。
2. 2. 2 隧道開挖位移特征
圖3 為隧道開挖完成后變形特征圖。從圖3 中
可以看出:由于偏壓作用，盡管進(jìn)行了碎石土回填，
但隧道開挖后仍產(chǎn)生了不對稱變形，拱頂沉降最大
值偏向于深埋側(cè)，達(dá)到6. 7mm;拱底回彈變形最大
值偏向淺埋側(cè)，達(dá)到7. 5mm;隧道側(cè)壁收斂深埋側(cè)
( 左側(cè)收斂最大值為4. 8mm) 大于淺埋側(cè)( 右側(cè)收斂
最大值為3. 8mm) ，且深埋側(cè)拱墻變形范圍大于淺
埋側(cè)。由于隧道埋深較淺，拱頂沉降及深埋側(cè)收斂
影響范圍已延伸至地表，由于采取超前小導(dǎo)管及初
期支護(hù)措施，圍巖保持穩(wěn)定。
圖3 隧道變形
Fig. 3 Tunnel deformation
2. 2. 3 隧道開挖應(yīng)變特征
通過對應(yīng)變分析可以發(fā)現(xiàn)，偏壓應(yīng)力作用下，隧
道深埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大范圍塑性變形，因而容易
引起局部破壞與失穩(wěn)。由于隧道埋深較淺( 回填后
最淺處不足6m) ，右側(cè)拱腰上方( 最淺處) 產(chǎn)生較大
范圍的塑性應(yīng)變，且貫穿至地表。
基于應(yīng)變分析，施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對隧道左側(cè)
拱腳及右側(cè)拱腰上方圍巖變形的監(jiān)測，若出現(xiàn)松動(dòng)
掉塊、擠壓變形等異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)處理，同時(shí)加強(qiáng)
該部位支護(hù)設(shè)計(jì)與施工。對于拱腳部分應(yīng)加強(qiáng)鎖腳
錨桿及混凝土注漿加固等措施提高局部承載能力;
洞口淺埋偏壓段，采用工字鋼代替鋼格柵或增加噴
射混凝土厚度等，以保證隧道施工安全。
萬方數(shù)據(jù)
50 施工技術(shù)第40 卷
2. 2. 4 反壓回填作用分析
為了改善圍巖偏壓現(xiàn)象，保證隧道施工安全，在
隧道地表淺埋側(cè)采用反壓回填碎石土進(jìn)行處理。圖
4 給出了反壓回填數(shù)值模擬效果。
圖4 反壓回填應(yīng)力向量圖( 單位:kN /m2 )
Fig. 4 Stress vector nephogram of fill back ( unit:kN /m2 )
比較有無反壓回填隧道開挖后應(yīng)力矢量圖可以
看出:無碎石土回填情況下，主應(yīng)力方向偏向于深埋
側(cè)巖體，且傾斜角度明顯大于回填后的情況;無回填
穩(wěn)定土情況下拱頂產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力達(dá)到23. 6kN，
回填后拱頂最大拉應(yīng)力僅為5. 4kN，可見反壓回填
穩(wěn)定土后比較明顯地改善了偏壓現(xiàn)象，有利于隧道
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
3 隧道洞口段圍巖應(yīng)力監(jiān)測
隧道進(jìn)口段施工過程中，采用壓力盒和應(yīng)力計(jì)
進(jìn)行斷面應(yīng)力應(yīng)變測量，本文選取與數(shù)值模擬同一
斷面處的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測點(diǎn)布置如圖5 所示，
監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6 所示。
圖5 應(yīng)力測點(diǎn)布置
Fig. 5 Stress monitoring points
從圖6 可以看出，在隧道斷面開挖完成后10d
左右( 洞口段圍巖破碎，每天開挖進(jìn)尺≤1. 5m，10d
開挖15m，即1 ～ 1. 5 倍洞徑) ，圍巖壓力趨于穩(wěn)定，
且隧道深埋側(cè)圍巖壓力明顯大于淺埋側(cè)，其中深埋
側(cè)隧道穩(wěn)定后拱腰處圍巖壓力為0. 985MPa，淺埋側(cè)
為0. 853MPa，拱頂處為0. 607MPa。結(jié)合數(shù)值模擬
結(jié)果，相應(yīng)的深埋側(cè)圍巖壓應(yīng)力為0. 916MPa，淺埋
側(cè)圍巖壓應(yīng)力為0. 710MPa。實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值
模擬結(jié)果規(guī)律一致，且兩者間誤差相當(dāng)接近。
圍巖應(yīng)力監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果表明，由于進(jìn)口
段圍巖的偏壓作用，隧道深埋側(cè)拱腰應(yīng)力集中現(xiàn)象
明顯，且其圍巖壓力明顯大于淺埋側(cè)，故在設(shè)計(jì)和施
工過程中，要充分考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗偏壓作用的能
圖6 進(jìn)口段圍巖應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)
Fig. 6 Monitoring data of surrounding rock stress
力，防止隧道局部發(fā)生破壞或開裂。
4 結(jié)語
應(yīng)用MIDAS-GTS 軟件對密興路改建工程火郎
峪隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了淺埋偏壓隧道圍巖
開挖后的應(yīng)力場、位移場以及反壓回填穩(wěn)定土效果，
并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)論。
1)淺埋偏壓隧道開挖過程中，隧道頂部產(chǎn)生拉應(yīng)
力，隧道深埋側(cè)拱腳和淺埋側(cè)起拱線附近存在不同程
度的壓應(yīng)力集中區(qū)。進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考
慮支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠抵抗偏壓作用引起的不均勻變形。
2) 由于偏壓作用，隧道開挖后產(chǎn)生了不對稱變
形，拱頂沉降最大值偏向于深埋側(cè)，拱底回彈變形最
大值偏向淺埋側(cè);隧道側(cè)壁收斂及其變形范圍，深埋
側(cè)大于淺埋側(cè)。隧道施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對圍巖的
變形監(jiān)測并采取防護(hù)措施，確保隧道施工的安全。
3) 采用反壓回填措施，隧道偏壓和應(yīng)力集中現(xiàn)
象得到一定程度改善，塑性區(qū)分布范圍減小，有利于
隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
4)淺埋偏壓隧道開挖數(shù)值模擬與圍巖應(yīng)力監(jiān)
測結(jié)果基本一致，可被工程接受; 由于偏壓作用影
響，深埋側(cè)圍巖壓力釋放明顯大于淺埋側(cè)且應(yīng)力集
中現(xiàn)象明顯，故在設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)充分考慮支
護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，防止隧道局部開裂或破壞。
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