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高地应力单侧软岩大变形隧道施工数值模拟分析
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摘要：以岩层倾角对高地应力单侧软岩大变形隧道位移场、塑性区和应力场的影响为研究目的。结合宜巴高速公路石门垭隧道施工过程，利用有限差分软件FLAC3D对隧道施工进行数值模拟分析，对比分析不同角度下全断面法和下导洞超前开挖法模拟计算结果。结果表明：软弱围岩区位移场、塑性区和应力场分布特征受岩层倾角影响较大，坚硬围岩区受其影响较小。两种开挖方式下隧道周边位移和塑性区分布差别不大；最终应力场分布特征与开挖方式无关，但开挖期间主应力、主应变、位移和破坏度并不相同。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供借鉴和参考。
关键词：岩层产状；软岩大变形；FLAC3D；数值模拟；下导洞超前开挖法

1前言
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。在深埋隧道勘察设计和施工过程中，高地应力的存在，是影响隧道稳定的重要因素，主要表现为硬岩岩爆和软岩大变形或塑性破坏。高地应力引起的岩爆、流变、断层软岩挤入大变形等灾害给施工带来的困难也随之出现[1-4]。
软岩支护是地下工程中最难解决的工程技术问题之一，以其大变形、高地压、难支护的特点一直受到岩石力学及地下工程界的普遍关注[5]。高地应力软岩大变形地段隧道施工过程中，一要充分发挥围岩的自承能力，允许有一定自由变形；二要避免变形过大、防止围岩失稳；并在软岩大变形严重地段预留变形量，避免初期支护结构因承受较大的形变压力，造成初期支护结构破坏。
下导洞超前开挖法作为分部开挖法的一种，适用于设计断面较大或围岩软弱破碎严重、稳定性较差的隧道，导坑超前开挖，有利于提前探明地质情况，且小断面坑道围岩的相对稳定性显著增强，而在现代隧道施工建设中，下导洞超前开挖法应用较少[6]。
在深部软岩工程中，由于涉及到物理非线性、几何非线性和接触边界非线性等力学问题，因此其理论解的求解在数学上遇到非常大的困难，需要借助于有限元、有限差分和离散元等数值方法和软件[7]。本文针对宜巴高速公路石门垭隧道出现的单侧软岩大变形特征，利用有限差分软件FLAC3D研究了隧道两侧围岩岩性不同时，倾角对隧道围岩稳定性的影响，并对采用全断面法和下导洞超前开挖法时围岩稳定性进行对比分析。
2工程概况
石门垭隧道是宜巴高速公路控制性工程之一，为项目全线最长隧道。隧道采用分幅式，左幅起讫桩号ZK118+963~ZK126+487，总长7524.0m，右幅起讫桩号YK118+948~YK126+441总长7493.0m。隧道最大埋深约878m，属特长深埋隧道。
隧道施工至ZK120+000时，隧道初期支护发生单侧破坏、围岩层状剥落现象，造成锚杆弯曲破坏，针对于此，施工单位决定采取下导洞超前开挖法进行施工。
图1下导洞超前开挖法施工方案
图2锚杆破坏情况
3隧道施工数值模拟
3.1计算模型
采用FLAC3D三维快速拉格朗日差分方法分析软件，根据地下结构的计算原理，隧道开挖影响范围为洞径的3~5倍，且根据隧道的实际结构形式及地质条件，进行了适当的模型简化。模型计算范围：水平方向（x轴）长度取90m，竖直方向（y轴）取90m，纵向（z轴）沿隧道轴线方向取60m。围岩材料模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，开挖采用FLAC3D中的Null模型。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，模型上部施加边界应力，其等效地应力由确定，为上覆岩层的平均加权容重，为上覆岩层总厚度[8-10]。计算模型如图3所示。

图3隧道计算模型
Fig.3Computationmodeloftunnel
3.2力学参数
计算中采用理想弹塑性材料，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，并考虑岩体的受拉屈服、弹塑性变形及大变形[11]。围岩材料的力学参数采用隧道围岩的实测值，具体物理力学参数如表1所示。
表1围岩物理力学参数表
Table1Physico-mechanicalparametersofsurroundingrock
编号围岩γ(kN/m3)E/GPauφ/(°)C/MPa1Ⅳ级砂岩234.50.32320.62Ⅲ级泥岩249.90.3400.8因计算模型中岩性不唯一，将计算模型划分为三个区域，参数赋值时分区域进行，定义、如下，其中角度θ为岩层倾斜线与x轴负方向所成的夹角：

（1）当时，该区域内围岩为Ⅳ级砂岩，物理力学参数见表1；
（2）当时，该区域内为岩性变化区，通过FLAC3D中的单元遍历程序对该区域进行赋值，物理力学参数由公式（1）~（5）计算得出；
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
式中：为材料的粘聚力；
为材料的内摩擦角；
为材料的体积模量；
为材料的剪切模量；
为点到过点边界线的距离。