第２９卷第１期 ２０１２年３月 土木工程与管理学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．１
Ｍａｒ．２０１２
公路隧道应力释放率对软弱围岩稳定性影响 张 娟 ， 余舜 ， 申俊敏 ， 郑俊杰 （１．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉４３００７４； ２．ａ．山西省交通科学研究院；ｂ．黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原０３０００６）
摘要：近年来，由于新奥法广泛地运用于地下工程的施工过程中，围岩与支护结构之间的相互作用以及支护 时机受到越来越多的关注。中条山隧道洞口段软弱围岩开挖步序多、工序及应力变化复杂，尤其是核心土解除 后和二衬施工前安全风险大。本文采用有限差分软件对该隧道洞口段施工过程进行三维数值模拟，研究了洞 周位移及支护结构在不同应力释放率下的力学响应，重点分析了典型断面处洞周围岩及支护结构的位移和受 力情况，以及洞周位移随施工过程的动态变化规律。研究结果表明：对于软弱围岩公路隧道，应力释放率越大， 围岩的塑性区发展范围越大，洞周位移越大；开挖过程中，拱顶沉降受到的持续性扰动较大；待二次衬砌施作 后，仰拱隆起和收敛位移趋于稳定。 关键词：公路隧道； 软弱围岩； 围岩稳定性；应力释放率 中图分类号：Ｕ４５５．４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－０９８５（２０１２）Ｏ１－００３５－０５
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｒａｔｅ ｏｎ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｆｔ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｏｃｋ ｉｎ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌｓ ＺＨＡＮＧ Ｊｕａｎ ，ＹＵ Ｓｈｕｎ ，ＳＨＥＮ Ｊｕｎ—ｍｉｎ ，ＺＨＥＮＧ Ｊｕｎ－ｆｉｅ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ａ．Ｓｈａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ； ｂ．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｌｏｅｓｓ Ｒｅｇｉｏｎ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ＮＡＴＭ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｕｐｐｏ￣ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｔｅｐｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｚｈｏｎｇｔｉａｏｓｈａｎ ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ，ｈｉｇｈ ｒｉｓｋ ｅｘｉｓｔｓ ａｆｔｅｒ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｃｏｒｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｐｒｉｏｒ ｔｏ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｏ￣ａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｐｒｏｇｒａｍ ＦＬＡＣ３Ｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｅａｓｅ ｒａｔｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ．ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｅａｓｅ ｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｏｆｔ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ．Ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｖａｕｈ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅｌｙ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｈｅａｖｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎｖｅｒｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｉｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｔｅｎｄ ｔｏ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｉｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｏｆｔ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ；ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｅａｓｅ ｒａｔｅ
在隧道的开挖过程中，常用应力释放法来模 拟其空间效应，即通过在开挖面上施加相应比例
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的应力荷载来释放部分围岩应力。应力释放率对 围岩稳定性、支护结构受力及支护时机判断的影
２０１ｌ一１１．１５修回日期：２０１１—１２—１０ 张娟（１９８７一），女，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为隧道数值分析（Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｕａｎ１９８７０７０３＠１２６．ｃｏｒｎ） 郑俊杰（１９６７．），男，湖北武汉人，教授，博士，研究方向为岩土工程中的数值方法（Ｅｍａｉｌ：ｚｈｅｎ￣ｊ＠ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．Ｃｌ１） 山西省交通建设科技项目（１０－２—１３） ・３６・ 土木工程与管理学报 ２０１２年 响显著。因此，对于实际工程而言，研究应力释放 率是相当必要的。 国内外很多学者对围岩的应力释放率进行了 研究。Ｓ＇ａｔｏ等 对新近纪沉积岩的矿井做了现场 实验，分析了由机械开挖引起的扰动区域的偏应 力和应变能。丁春林等＿２ 采用弹塑性有限元法 分析了地应力释放对盾构隧道围岩强度和变形以 及地表沉降变形的影响。夏永旭等 对Ⅱ类围 岩双联拱隧道不同施工环节围岩压力释放率进行 了研究。李俊鹏等 针对各典型类别围岩参数， 确定了洞室围岩塑性区和松动区随应力释放的发 展情况，并根据相应的量化准则从空间上确定了 最佳支护时机。潘岳等 分别通过静水压力和 围岩压力与巷壁位移曲线所围面积的几何形式， 表示围岩偏应力能、围岩弹性能释放量随巷壁位 移变化的情况。李俊鹏等 根据掌子面的推进 位置与围岩位移释放系数、围岩应力释放系数与 位移释放系数间的关系得出各类典型围岩的应力 释放系数与掌子面推进位置间的对应关系。杨树 新等［ 研究了高地应力环境下硐室掘进引起的 围岩应力时空变化规律。郭瑞等 分析了隧道 开挖过程中应力释放与位移释放问的关系，指出 采用开挖体积损失率来描述洞周位移的释放更为 全面。 由于软岩隧道具有可塑性、膨胀性、分散性、 流变性和触变性等特性 ｊ，在其施工过程中，更 易发生支护结构变形过大和围岩失稳等现象。因 此对软岩隧道进行应力释放率的研究非常重要。 正在修建的中条山隧道，全长约９６７０ １Ｔｌ，最 大埋深６８１ ｍ，属深埋特长公路隧道。本文主要 依托其中进口Ｋ５＋６８０～Ｋ５＋７７０段的施工环 境，采用数值模拟方法，通过分析隧道在不同的应 力释放率下围岩与支护结构的位移及受力变化规 律，得出应力释放率对围岩稳定性的影响，该研究 结果对确定支护时机具有一定的指导意义。 １ 工程概况 中条山隧道小净距进口Ｋ５＋６８０一Ｉ（５＋７７０ 段，围岩类别为Ｖ类，主要由涑水群杂岩及其上 覆的薄层马兰组黄土组成，隧道最大埋深３５ ｍ， 最小埋深１～３ ｒｎ；该段位于山边斜坡上，坡体上 披挂少量第四系马兰黄土和坡积碎石土，厚约１ —３ ｍ，下覆基岩为强风化的涑水群杂岩，隧道进 口段位于中条山山前断裂破碎带内，受构造和风 化影响，岩体极其破碎，呈碎块状，碎石之间粘结 力极差，隧道开挖易引起仰坡失稳。同时由于出 露地表时间较长，风化严重，风化带厚，工程地质 条件极差。 隧道进口段衬砌按新奥法原理设计，断面形 式为复合式衬砌，隧道左、右线净距为１６—２２ ｍ， 采用预留核心土环形开挖法施工，施工的主要步 骤为：（１）上台阶环形开挖；（２）上台阶拱部初期 支护；（３）上台阶核心土开挖；（４）下台阶左、右侧 壁导坑交错开挖；（５）下台阶左、右侧壁导坑交错 初期支护；（６）下台阶核心土开挖；（７）仰拱初期 支护、仰拱二次衬砌、仰拱填充；（８）全断面二次 衬砌。 施工中待左洞开挖完毕后再开挖右洞，这样 既有利于围岩稳定，又可保证施工安全，在数值模 拟分析中按左、右洞同时开挖，隧道净距Ｌ＝１６ ｒｎ 的最不利情况进行考虑。
２数值模拟 ２．１数值模型建立 根据中条山隧道洞口段的地质情况，采用有 限差分软件ＦＬＡＣ３Ｄ建立三维模型。图１为计算 模型的局部网格图。该段隧道最大开挖跨度 １２．３８ ｍ，高１０ ｍ，隧道埋深３０ ｍ；计算模型上部 取自然表面，下部取至隧道底面以下３０ ｍ，左右 各取４５ ｍ，即 、Ｙ、ｚ各方向的长度分别为１３０ ｒｎ、 ４０ ｍ、７０ ｍ。 模型的上表面为自由边界，底部为固定边界， 四周为法向位移约束边界。模型共１５１８３个节 点，１３７６０个单元，２４７９２个结构单元节点，１９１ １８ 个结构单元（其中ｃａｂｌｅ单元１３６６２个、ｐｉｌｅ单元 ３１６８个、ｓｈｅｌｌ单元２２８８个）。