隧道开挖应力释放数值模拟研究

摘要：随着我国公路交通事业的快速发展,隧道建设也越来越多,同时在隧道施工过程中所遇到的问题也日益显现出来。而数值分析在工程中的广泛应用也日益成为解决各类工程问题的主要技术手段。如何将隧道建设过程与计算机数值模拟进行有效结合将是未来隧道技术发展的重要领域。现代隧道修筑技术是以新奥法为理论基础,理论认为围岩自身具有一定的承载能力,在整个隧道支护体系中,围岩是承载结构的一部分,因此,应充分利用围岩的自身承载力,发挥围岩自稳作用，将对隧道设计有着重要的影响。本文模拟分析了隧道开挖过程中不同开挖方式不同应力释放率的影响及初期支护与二次衬砌的接触压力研究,主要研究以下几方面内容: (1)隧道施工过程中围岩应力逐步释放的特征,分析了不同开挖方式不同应力释放率下,隧道支护结构受力特点和地表沉降分布规律,借助“反转应力法”,并利用ANSYS有限元软件的APDL参数化设计语言,对数值模拟进行了二次开发,编制了“临空面节点力提取,并反向分级施加”命令,实现了应力的逐步释放。

(2)依据雁口山隧道的工程实际,从数值仿真与实际监测出发,分析了隧道初支与二衬接触压力的规律研究。

关键词： 应力释放系数 数值分析 接触压力

中图分类号：U45 文献标识码：A

1.引言

岩石在自然环境中，特别是在深部地层中，常常受到上部地层和重力的影响，由于这些因素的影响在岩体当中二次应力的发展是非常复杂的，难以界定的。隧道开挖过程中，一部分的岩石通常会受到来自隧道洞顶岩石的去除而产生的力——拉应力，有时拉应力会相当高，都会在隧道围岩的周边产生，由于岩石开挖开挖洞周应力的释放会导致周边围岩的变形，从三向应力状态转变为双向应力状态。在隧道施工过程中，架设支护结构的目的是为了提高和维持岩体的自承能力，以最大程度的发挥岩体的承载能力，并且在岩体内产生有利于发展的内应力场。

围岩和支护特征曲线

式中： P1----支护压力；

σr----径向应力；

----径向位移；

r1----隧道半径

Pia、Pil----分别为内、外衬砌的支护抗力；

依托工程概况

雁口山隧道位于共玉公路B5、B6合同段，地处青海省玉树藏族自治州，平均海拔4000米以上，左幅2042米、右幅1986米，系全线控制性工程，其高原冻土公路隧道施工技术更属国内首例。隧址区位于青海省海南自治州和玉树自治州交界处，为青藏高原三江源东部地区。属冰缘水流构造侵蚀中山地貌，地势总体西北高东南低，山体海拔大都在4000m以上，最高峰4970m。隧道地形高程4229.16～4635m，相对高差750m，地形起伏较大，进出口山体坡度36°～47°。大气含氧量为平原的60％，气温为-33.0～24.0℃，平均日照率达50～60％,年平均降水量615.2mm，平均蒸发量1649.2mm，最大积雪深度14cm，最大冻结深度308cm。

实测数据

根据依托工程的监控量测数据，探讨围岩与混凝土之间压力的变化。选取雁口山隧道进口ZK746+357、

ZK746+676、YK746+322断面围岩与混凝土接触压力-时间曲线。

雁口山隧道进口ZK746+676围岩与混凝土接触压力-时间曲线

雁口山隧道进口ZK746+357围岩与混凝土接触压力-时间曲线

雁口山隧道进口YK746+322围岩与混凝土接触压力-时间曲线

开挖前岩体处于初始应力状态；开挖后由于应力重新分布，隧道围岩处于二次应力状态，这种状态受到开挖方式和方法的影响。如果二次应力状态满足隧道稳定性的要求，则可不加任何支护，隧道即可自稳；如果隧道不能自稳则须施加支护措施加以控制，促使其稳定，这就是三次应力状态，显然这种状态与施工方法、支护结构的类型、支护结构的施作时机等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，隧道开挖力学过程至此结束。

由围岩与混凝土接触压力-时间曲线可知，在围岩开挖之后，围岩与混凝土之间压力不稳定，地层应力与支护应力进行相互作用，经过一定时间之后，围岩与支护之间的应力基本趋于稳定。其中拱顶及边墙处压力较大，量测拱腰压力较小。

数值模拟

应力释放法，也称“反转应力法”或“反转应力释放法”，最早是由Duncan和Dunlop（1969年）提出的，当时只限于初始应力场为均匀场的特殊情况，后来，通过有限元法使这一思想在非均匀应力场中也得到了应用。

应力释放法的核心思想就是求得开挖前开挖边界处开挖体对围岩的支撑力（开挖掉开挖体单元后，相应的支撑力随机消失），重建这一支撑力，然后控制其释放的规律。

本算例采用CD工法的开挖方式对隧道围岩进行模拟分析,按照左上部分开挖左上部分支护左下部分开挖左下部分支护右上部分开挖右上部分支护右下部分开挖右下部分支护的顺序进行。开挖时采用50%的应力释放系数，激活初期支护时，应力释放100%。其结果云图如下所示：

1.1 右下台阶支护后Y方向应力云图

1.2 初期支护Y方向应力云图

由应力云图可知，应力最大值位于隧道两侧拱墙处，与实测的数据规律性一致。

应力释放法可定性的模拟隧道开挖后围岩与初期支护之间的压力关系，可以得出一些规律性的研究。但在实际工程中，围岩情况较复杂，数值模拟结果还只是一种对围岩应力规律性的研究。对隧道支护设计来说，尚不足以提供准确清晰的数据来进行支护的安全稳定性研究。