隧道围岩变形影响因素分析

【摘 要】岩体的工程开挖，会对岩体中保持的平衡造成破坏，改变其应力场，引起岩体应力重分布，在应力重分布过程中，可能会造成岩体变形或破坏等情况。结合某隧道工程实例，应用有限元模拟法，证明了隧道施工会对围岩变形产生较大影响。围岩变形主要分为急剧变形、缓慢增长与基本稳定三个阶段。在隧道施工中，其开挖方法、支护结构的选择、施工工序的安排等，对围岩变形影响较大。通过研究隧道围岩变形影响因素，合理安排施工工艺，保证隧道施工进度及综合效益。

【关键词】隧道工程；围岩变形；影响因素

1 工程概况

某隧道工程属于长大双线隧道，其上行线单洞长度为4030m，下行线单洞长度为4070m。隧道走向为南北方向，隧道开挖段面积为92m2，最大埋深超过了500m。隧道工程穿越的主要地层为河口群上岩组，穿越不良地质体较多，地质环境十分复杂，施工难度较大。该隧道工程在施工中，根据围岩条件，采取了不同的施工方法，在Ⅴ、Ⅵ级围岩中，围岩应用的是台阶法，在Ⅲ、Ⅳ级围岩中，应用的是全断面法。围岩初期支护为喷锚支护。在围岩软弱地带中，搭设钢拱架，围岩二次支护方式为复合式衬砌。

2 应用有限元模拟法分析隧道围岩力学特征

2.1 隧道工程施工中围岩塑性区变化分析

选择隧道工程下行线K106+700断面作为隧道围岩力学特征试验的研究对象，研究方法主要为有限元模拟法，通过有限元法对围岩物理力学指标进行数值模拟，最终获得不同岩石弹性模量、容重、内摩擦角、泊松比等力学指标数值。通过数值模拟与有限元网格分析，可以获得模拟计算结果，结果证明，在进行隧道开挖的初期阶段，因对围岩平衡造成破坏，受应力重分布的影响，围岩力学条件出现快速恶化，其中在塑性区，围岩变化程度最大。围岩变形突变的发生，让围岩处于一种不稳定状态。在采取喷锚支护措施后，围岩力学条件发生改善，其塑性区变化范围缩小，围岩变形逐渐趋于稳定，如下图1，为隧道工程二次衬砌后为围岩塑性区示意图：

图1 隧道工程二次衬砌后为围岩塑性区示意图

2.2 隧道施工过程中围岩变形

通知研究与数据测量发现，在隧道工程施工过程中，可以将围岩变形分为三个不同的阶段，分别为急剧变化阶段、缓慢增长阶段与基本稳定阶段。在该隧道工程施工过程中，急剧变化阶段主要发生在断面开挖之后的10d之内，在距离开挖面20m范围内，采取爆破方式进行掌子面爆破开挖，导致围岩发生急剧变形，在急剧变形阶段，其围岩变形量占围岩总变形量的一半以上。且在此阶段中，工程围岩喷射混凝土强度没有达到一定强度，且受开挖影响，对围岩原本的平衡造成破坏，存在着应力重分布效应。在施工工序影响下，围岩变形表现十分剧烈，主要表现为振荡加速趋势。随着喷射混凝土强度逐渐增加，混凝土硬化与初期支护系统作用发挥，对围岩变形进行了限制，围岩变形进入到缓慢增长阶段，其变形逐渐变小。在围岩基本稳定阶段时，开挖面与断面距离一般已经超过了两倍洞径，隧道开挖中的空间效应影响基本消失，围岩变形速度逐渐趋于平稳，最终获得再平衡。

3 隧道施工影响围岩变形的因素分析

3.1 隧道开挖方式与方法对围岩变形的影响

在进行隧道工程施工时，隧道开挖后会对围岩原本的平衡造成破坏，应力场的改变，导致其应力重新分布，寻求再平衡。由此，隧道工程的开挖方式是选择非爆破技术与爆破技术，隧道工程开挖方法是选择分部开挖法或全断面开挖，对围岩的应力状态都存在着直接影响，其影响的主要表现为位移场的变化。在本工程Ⅴ、Ⅵ级围岩中开挖方式采取的是台阶法，在台阶法开挖过程中，上半断面在收敛变形后，逐渐趋于稳定，而下半断面开挖，会造成在上半断面扰动，并会伴随着收敛出现变形突变，变形突变幅度大小与断面瞬间所出现的收敛突变存接近，但其数值并不大。在隧道工程开挖过程中，针对同一类型的围岩，采取台阶法与全断面开挖方法对围岩变形的影响程度不同，围岩中全断面开挖较之台阶法所引起的变形相对较小。采取台阶法进行隧道开挖，在开挖过程中，上台阶围岩会受到两次扰动。

3.2 支护结构对围岩变形的影响

采取支护措施，支护结构发挥作用，可以减小塑性圈范围。隧道工程支护结构建立，对围岩的应力与变形存在着直接影响。通过支护系统，限制隧道开挖围岩变形，减少围岩变形。

3.3 邻近施工对围岩变形的影响

在隧道初期支护之后，围岩变形逐渐趋于稳定，此时的围岩处于一种相对稳定状态。在隧道后期施工过程中，如进行隧道侧壁开挖等作业，会对围岩变形造成影响，围岩变形的特征主要表现为小幅震荡。

3.4 施工工序对围岩变形的影响

隧道工程施工工序是影响围岩变形的主要因素。在隧道施工中，其主要工序包括隧道开挖、初期支护、仰拱设置、隧道二次衬砌等。通过研究发现，在隧道开挖过程中，围岩变形已经产生，其变形幅度约占总体变形量的30%，在初期支护施工后，虽然对围岩变形发挥了一定的抑制作用，但围岩仍存在着40%左右的变形。通过设置仰拱，缩小隧道变形，此时，围岩变形量约为20%，经过隧道二次衬砌施工后，围岩变形逐渐稳定，变形量低于10%。在隧道施工之后，围岩重新进行稳定状态。

4 结语

在隧道工程施工过程中，岩体开挖，会对围岩平衡状态造成破坏，应力场的变化会引起岩体应力重新分布，从而出现围岩变形等问题。本文结合工程实例，通过有限元模拟法证明了隧道施工会对围岩变形造成较大影响。影响隧道围岩变形的主要因素包括开挖方法、支护结构的选择、邻近施工与施工工序等。在进行隧道施工中，需要根据其地质情况，分析围岩变化程度，从而采取对应措施，保证隧道工程施工的综合效益。

参考文献：

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[2]范恒.上官隧道围岩变形监测与时空效应分析[D].华中科技大学，2011.

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