第26卷第2期岩石力学与工程学报V ol.26 No.2 2007年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2007深部软岩隧道施工性态时空效应分析赵旭峰1，王春苗2，孔祥利1(1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 东南大学土木工程学院，江苏南京 210006)摘要：随着我国交通事业的迅速发展，在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少，随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。
主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟，并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。
研究结果表明，计入围岩流变效应，考虑深部软岩隧道时空效应影响，在作业面影响范围内，开挖面空间效应占主导因素，围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放；在此范围外，软弱岩体流变属性得以充分发挥。
通过分析和施工实践证明，对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护，以改善承载环范围内围岩受力，减少扰动，提高围岩自承能力；由于软岩流变效应显著，必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力，限制围岩大变形。
研究成果丰富了地下工程施工力学理论，可应用于工程实践。
关键词：岩石力学；深埋隧道；软弱围岩；施工力学；开挖面效应；时间效应；流变压力中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)02–0404–06 ANALYSIS OF TIME-SPACE EFFECTS OF CONSTRUCTION BEHA VIOROF DEEP SOFT ROCK TUNNELZHAO Xufeng1，WANG Chunmiao2，KONG Xiangli1(1. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2. College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing，Jiangsu210006，China)Abstract：With the rapid development of transportation，it is inevitable to excavate tunnel in the deep rock mass，and the problems of special engineering geology in deep rock mass will be much more distinct. The 3D nonlinear viscoelasticity numerical simulation and analysis are conducted on time-space effect of mechanical behaviors and deformation characteristics of deep soft rock mass during the tunnel construction；and the calculation results are compared with the field data. Considering rheological effect and time-space effect of deep soft rock tunnel，the results of show that the effect of excavation face is primary in the advancing face zone and the stress of surrounding rocks gradually releases from the excavation face. Rheological effect plays a key role out of the influence range of the spatial effect of excavation face. According to the characteristics of deep soft rock tunnel，support structure should be established as soon as possible in order to ameliorate the stress in surrounding rock circle，to reduce disturbance and to improve the self-bearing capability of the surrounding rock. Because of the distinct rheological property of soft and weak rocks，the secondary support structure must be established in time to bear the rheological pressure. Thus，the large displacement could be restricted by the secondary support structure. The present research enriches the theory of construction mechanics of underground structures and has wide application prospects in engineering.Key words：rock mechanics；deep-buried tunnel；soft surrounding rock masses；construction mechanics；effect of excavation face；time effect；rheological pressure收稿日期：2006–03–27；修回日期：2006–04–11作者简介：赵旭峰(1976–)，男，1998年毕业于兰州铁道学院交通土建专业，现为博士研究生，主要从事隧道工程施工控制与数字模拟方面的研究工作。
E-mail：zxuf76@第26卷第2期赵旭峰，等. 深部软岩隧道施工性态时空效应分析 • 405 •1 引言随着我国交通网络的不断发展，在深部岩体中开挖长大隧道已不可避免。
已建成通车的秦岭隧道长18.4 km，刚竣工的乌鞘岭隧道长20.05 km，在建的太行山隧道长27.839 km。
在深部岩体中开挖长大隧道不可避免要遇到许多复杂岩体工程问题，如高地应力引起的岩爆、流变、断层软岩挤入大变形、大量地下涌突水问题以及各种复杂地质环境给施工带来的困难等也随之而出现，这些问题给我国隧道工程界提出了新的挑战。
在岩石地层中开挖隧道，伴随着开挖面向前推进，如何尽可能地减少对岩体初始应力状态的扰动，从而使围岩处于相对稳定状态，是一个非常复杂的问题。
真实地模拟软弱围岩隧道在不同施工作业流程中的力学性态，不仅要考虑软弱围岩介质的复杂属性，以及各种施工作业方式，包括分部开挖步序、支护结构形式和施作时机，而且要计及开挖面推进过程中的空间约束效应。
由于开挖面的空间约束作用，洞室开挖后围岩应力释放不是在瞬间完成，而是受到开挖面的约束影响，应力逐步释放，直到开挖面空间约束效应完全消失，围岩应力才得以全部释放。
在顾及开挖面空间约束效应的同时，还需要考虑深埋软岩流变时效特性，以模拟开挖面向前推进的时空动态过程。
最早对隧道施工力学进行研究的是Wittke教授，随后，F. Pelli等[1]和G. Swobooda等[2]分别采用不同数值方法模拟了开挖面推进过程中的围岩性态。
在国内，于学馥等[3]建议在平面应变法中采用释放系数模拟隧道施工过程，朱维申和何满潮[4]利用洞壁径向位移释放系数反映开挖面径向“虚拟支撑力”的释放，孙钧和朱合华[5]曾采用“广义虚拟支撑力法”模拟开挖面时空效应，进行了二维半黏弹塑性分析。
近年来，G. Swoboda和A. Abu-krisha[6]用三维有限元模拟了TBM推进过程中的地层受力和变形情况，F. I. Shalabi[7]对盾构隧道进行了两种不同黏弹性模型的三维有限元模拟，分析了开挖面空间约束效应，G. Galli等[8]对隧道三维施工过程进行了数值模拟，研究了围岩和衬砌随施工推进的相互作用关系。
金丰年和钱七虎[9]应用黏弹性模型，对全断面开挖隧洞的开挖过程进行了三维有限元模拟，讨论了开挖面和开挖速度的影响，刘建华等[10]利用FLAC3D对小浪底地下厂房进行了三维黏弹性数值模拟，分析了开挖位移和围岩稳定性。
张玉军和刘谊平[11]对锚固正交各项异性层状岩体进行了三维黏弹塑性有限元分析，研究了围岩的流变动态。
模拟隧道开挖过程中围岩与支护结构相互作用的三维计算及施工特性研究已较多[12，13]，但在计算中同时考虑围岩时间效应和开挖空间效应相互影响的三维时空效应研究还不是很多。
本文通过对乌鞘岭隧道岭脊地段F4断层挤入大变形进行三维非线性黏弹性有限元数值模拟，分析开挖面空间约束效应和软弱围岩流变时效的耦合作用，得出了有报导意义的结论。
2 模拟对象及模型建立2.1 模拟对象乌鞘岭隧道位于兰武二线兰州段打菜沟车站与龙沟车站之间，隧道长20.05 km，为我国最长的单线铁路隧道。
隧道所经地层岩性复杂，分布主要受区域断裂构造控制。
岭脊地段(约长7 km)为高地应力、大变形软岩，施工实践表明F4，F5，F6，F7等4条大断层呈挤压型构造带，以泥砾岩为主，围岩破碎、挤压现象明显，次生结构面发育、呈垂直状，有扭曲现象，其他地段也处于千枚岩和板岩等岩带内。
由于隧道埋置深度大，导致地应力相对较高，给隧道设计和施工带来极大的困难。
F4断层破碎带位于乌鞘岭隧道岭南地段，长450 m，埋深约440 m。
断层影响带围岩以碎裂岩为主，断层主带围岩以断层泥砾、角砾为主，岩质软弱，岩体破碎，围岩稳定性差，开挖后，掌子面、拱部及边墙易掉块、塌落，无明显地下水出露，局部有少量渗水，属V级围岩。
2.2 模型建立结合乌鞘岭隧道F4断层破碎带隧道断面形状，建立三维有限元模型。
模型边界取至隧道3倍洞径(3D)范围外，上、下边界分别取距隧道中心50 m；左、右边界取距隧道中心50 m；模型长度取80 m。
考虑隧道结构左右对称，取一半模型进行分析。
计算采用ANSYS中八节点六面体单元。
采用混合边界条件，底部边界采用竖向位移约束，左边界施加水平初始地应力，右边界为对称约束，为防止发生刚体位移，前后边界纵向约束，上边界施加均布竖向应力模拟深部岩体高地应力条件。