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浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究

文档作者：邓洪亮１陈鸽１郭洋１王思淼１武胜林２文档来源：１．北京工业大学建筑工程学院２．北京工业职业技术学院		点击数：	更新时间： 2025年11月18日
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２０１６ 年４ 月上
第４５ 卷　第７ 期
施　工　技　术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ １　１３
ＤＯＩ：１０􀆰 ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１６０７０１１３
浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究∗
邓洪亮１，陈　鸽１，郭　洋１，王思淼１，武胜林２
（１． 北京工业大学建筑工程学院，北京　１００１２４； ２． 北京工业职业技术学院，北京　１０００４２）
［摘要］ 采用有限元软件ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 对黄董坡隧道的开挖过程进行了数值模拟，分析了浅埋隧道的围岩变形规律
和受力情况，同时结合现场监测数据，最后得出围岩位移最大值和应力最大值分别出现在拱顶部位和拱腰部位的
结论，因此控制隧道拱顶沉降和缓解拱腰部位的应力集中现象是浅埋隧道施工中的重要环节，这就要求进行必要
的超前支护、及时施做初期支护以及密切监测危险区域，确保施工安全。
［关键词］ 地下工程；隧道；浅埋隧道；数值模拟；围岩；位移；应力
［中图分类号］ Ｕ４５６􀆰 ３ ［文献标识码］ Ａ　　　　［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１６）０７⁃０１１３⁃０５
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ Ｒｕｌｅ ｏｆ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ
Ｒｏｃｋ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｈａｌｌｏｗ Ｂｕｒｉｅｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
Ｄｅｎｇ Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ１， Ｃｈｅｎ Ｇｅ１， Ｇｕｏ Ｙａｎｇ１， Ｗａｎｇ Ｓｉｍｉａｏ１， Ｗｕ Ｓｈｅｎｇｌｉｎ２
（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１２４， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ ｔｏ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈｕａｎｇｄｏｎｇｐｏ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ， ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ，
ｆｉｎａｌｌｙ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ
ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｕｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｃｈ ｗａｉｓｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｖａｕｌｔ ａｎｄ ａｌｌｅｖｉａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｃｈ ｗａｉｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅ， ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ａ ｔｉｍｅｌｙ ｍａｎｎｅｒ
ａｎｄ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｎｇｅｒ ｚｏｎｅ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ； ｔｕｎｎｅｌｓ； ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ； ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ； ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；
ｓｔｒｅｓｓ
∗国家自然科学基金重点项目（１２００４０１４２０１５０１）；北京市教育委员
会创新平台项目（ＰＸＭ２０１４⁃０１４２２５⁃００００２０） ［作者简介］ 邓洪亮，教授级高级工程师， Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｈｏｎｇｌｉａｎｇ＠
ｂｊｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ ［收稿日期］ ２０１５⁃１０⁃１２；［修订日期］ ２０１５⁃１２⁃１６
０　引言
随着我国国民经济的高速发展，高速铁路发展
不断加快，出现了越来越多的浅埋软弱围岩地质条
件下的隧道。由于浅埋隧道大多埋深浅、岩体风化
比较严重，自稳能力差及承载力低，并且不能有效
形成塌落拱，这就导致了浅埋隧道在施工过程中岩
体的应力分布情况十分复杂，如若施工操作不当或
者支护参数选取不当，则极易发生坍塌等安全事
故，因此，研究浅埋隧道的围岩变形规律和受力情
况十分必要。
本文以铜玉铁路黄董坡隧道为研究对象，采用
有限元软件ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 对浅埋隧道开挖过程进行
了数值模拟，研究分析浅埋隧道围岩位移特征和应
力特征，并将数值模拟结果和现场监测数据进行对
比分析，以评价围岩的稳定性和验证数值模拟模型
的合理性，进而为同类地质条件下浅埋隧道的施工
提供科学指导。１　工程概况
黄董坡隧道位于贵州省铜仁市茶店镇境内，中
心里程ＩＤＫ２３ ＋ ３１２， 最大埋深约为３１ｍ， 全长
６６４ｍ。进口ＩＤＫ２２ ＋ ９８０—ＩＤＫ２３ ＋ ３７１􀆰 ９６０２ 段位
于半径为５ ５００ｍ 的左偏曲线，其余地段为直线，设
计纵坡为９􀆰 ７‰的单面上坡。
隧道区域属溶蚀构造丘陵地貌，岩溶弱～ 中等
发育， 地形起伏较大， 地面高程６６０􀆰 ０００ ～
１　１４ 施工技术 第４５ 卷
７２６􀆰 ０００ｍ，相对高差６６ｍ，坡度２５° ～ ３０°，隧道通过
梵净山拗陷褶皱带，构造线多为ＮＥ 向，部分为ＮＷ
向，线路与ＮＥ 向构造线方向基本一致，隧道进口出
露基岩产状Ｎ２８°Ｅ／３２°ＳＥ，出口附近出露岩层产状
Ｎ２５°Ｅ／２５°ＳＥ，隧道进口发育节理产状Ｎ⁃Ｓ／５４°Ｗ、
Ｎ７１°Ｅ／９０°，出口发育节理产状Ｎ４５°Ｅ／９０°、Ｎ５０°
Ｗ／９０°，陡倾节理发育，节理面张开且粗糙，延伸数
米，有泥质充填，区内地下水为第四系松散土层孔
隙水、岩溶水，埋深一般４０ ～４２ｍ，主要接受大气降
雨及地表水下渗补给，由蒸发及地表径流方式向低
洼地带排泄，隧区坡面多为坡残积的红黏土，坡面
植被一般为灌木林，缓坡地带为旱地或水田，基岩
为寒武系中统敖溪组上段白云岩，黄董坡隧道典型
断面横向地质剖面如图１ 所示。
图１　典型断面横向地质剖面（单位：ｍ）
Ｆｉｇ． １　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ（ｕｎｉｔ：ｍ）
２　数值模拟
表１　围岩物理力学参数
Ｔａｂｌｅ １　Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ
土层名称
弹性
模量／ ＧＰａ 泊松比
重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
饱和重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
黏聚力／
ｋＰａ
内摩擦角／
（°） Ｋ０
红黏土０􀆰 ０５ ０􀆰 ４５ １８ １８ ３０ １０ ０􀆰 ５
白云岩Ｗ３ ０􀆰 １ ０􀆰 ４０ ２３ ２３ １００ ２０ １􀆰 ０
白云岩Ｗ２ １ ０􀆰 ３５ ２５ ２５ １５０ ２５ １􀆰 ３
２􀆰 １　基本假定
采用有限元软件ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 建立浅埋隧道开
挖过程中的计算模型，以此对浅埋隧道的围岩位移
和应力特征进行分析研究。为简化分析，做如下基
本假定［１］ 。
１）假定黄董坡隧道是土体和围岩为各向同性、
连续、匀质的弹塑性体。
２）隧道的力学分析采用平面应变模型，不考虑
地下水的影响。
３）隧道围岩和土体采用莫尔⁃库伦弹塑性模型，
而锚杆、喷射混凝土支护采用弹性模型。
４）隧道为浅埋隧道，故岩体初始应力场只考虑
自重应力，不考虑构造应力。
２􀆰 ２　计算模型
根据黄董坡隧道的现场施工情况，对ＩＤＫ２３ ＋
１２０—ＩＤＫ２３ ＋１８０ 段进行三维有限元数值模拟。该
段为Ｖ 级围岩浅埋段，采用复合式衬砌的支护形
式。模型计算范围向左右和向下选取３ 倍和４ 倍洞
径范围，而上方地层则是导入实际隧道地形文件生
成。模型的上界面为自由表面，左右侧面为水平方
向位移约束，底部为垂直方向位移约束［２］ 。
在计算模型中，围岩和土体采用实体单元来模
拟，本构模型为Ｍ⁃Ｃ 弹塑性模型；喷射混凝土通过
板单元来模拟，锚杆则选取桁架单元来模拟，本构
模型为弹性模型。
对于有限元模拟而言，合理的网格划分至关重
要，直接影响着数值计算的速度和精度，因此，为合
理划分有限元网格，对隧道开挖影响大的位置即隧
道洞室附近的区域细化网格，对隧道开挖影响小的
位置则粗化网格［３］ 。网格划分如图２ 所示。
图２　三维有限元模型网格划分
Ｆｉｇ． ２　Ｇｒｉｄ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ
２􀆰 ３　计算参数
黄董坡隧道采用复合式衬砌结构，为简化模拟
过程，初期支护中的超前注浆小导管按照等效法提
高围岩的弹性模量来逼近模拟，钢筋网和钢拱架的
作用则通过等效提高喷射混凝土的弹性模量来逼
近模拟，因为二次衬砌通常起着隧道的安全储备和
美观的作用，因此本文不考虑二次衬砌的作用［３］ 。
黄董坡隧道的围岩物理力学参数如表１ 所示。
初期支护参数是根据黄董坡隧道的设计资料确定
的，如表２ 所示。混凝土和锚杆的物理力学参数如
表３ 所示。
２０１６ Ｎｏ． ７ 邓洪亮等：浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究 １　１５
表２　初期支护参数
Ｔａｂｌｅ ２　Ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
Ｃ２０ 喷射
混凝土
厚度／ ｃｍ
ϕ２２ 中空注浆锚杆钢筋网钢拱架
长度／
ｍ
间距／
（ｍ × ｍ） 型号
间距／
（ｃｍ × ｃｍ） 类型
间距／
（ｍ × ｍ）
２０ ３ １􀆰 ５ ×１􀆰 ５ ϕ８ ２０ ×２０ Ｉ２０ｂ ０􀆰 ６ ×０􀆰 ６
表３　混凝土与锚杆物理力学参数
Ｔａｂｌｅ ３　Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｎｄ ａｎｃｈｏｒ
材料
类型
弹性
模量／ ＧＰａ
泊松
比
重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
热膨胀
系数
喷射混凝土１５ ０􀆰 ２ ２２ １􀆰 ００ ×１０ －５
锚杆　　　２００ ０􀆰 ３ ７８５ １􀆰 ２０ ×１０ －５
２􀆰 ４　施工过程模拟
图４　各施工步竖向位移变化曲线
Ｆｉｇ． ４　Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｔｅｐ
采用ＭＩＤＡＳ／ ＧＴＳ 进行浅埋隧道施工过程的有
限元模拟，具体施工步骤如下：①施工步１　开挖上
台阶１；②施工步２　对上台阶１ 拱部进行锚喷支
护，并且对核心土２ 的两侧进行临时支护；③施工步
３　开挖核心土２，完成上台阶１ 的临时支护；④施
工步４　开挖下台阶３；⑤施工步５　对下台阶３ 进
行锚喷支护。其施工步序如图３ 所示。
图３　施工步序
Ｆｉｇ． ３　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ
３　计算结果分析
采用有限元软件Ｍｉｄａｓ／ ＧＴＳ 模拟浅埋隧道开
挖过程，得到不同施工阶段浅埋隧道围岩位移和应
力变化情况，进而研究分析得出围岩位移和应力变
化规律，从而为同类地质条件下的浅埋隧道的施工
提供借鉴。
３􀆰 １　围岩位移特征分析
选取黄董坡隧道ＩＤＫ２３ ＋ １６８ 断面的拱顶、隧
底中心、左右拱腰等特征点各施工步的最大竖向位
移值计算结果如表４ 所示。根据表４ 的竖向位移值
计算结果绘制各特征点的各施工步竖向位移变化
曲线如图４ 所示。
表４　各施工步特征点最大竖向
位移值计算结果
Ｔａｂｌｅ ４　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ
ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｔｅｐ ｍｍ
位置
施工
步１
施工
步２
施工
步３
施工
步４
施工
步５
拱顶－５􀆰 １２ －６􀆰 ８３ －８􀆰 １９ －９􀆰 ２７ －１０􀆰 ０５
隧底中心２􀆰 ２０ ２􀆰 ６１ ３􀆰 ２６ ４􀆰 ７７ ５􀆰 ５０
左拱腰－０􀆰 ５２ －０􀆰 ９３ －１􀆰 ５２ －２􀆰 ４９ －２􀆰 ９１
右拱腰－０􀆰 ５８ －０􀆰 ９９ －１􀆰 ６０ －２􀆰 ６０ －３􀆰 ０４
根据数值模拟结果可知，随着浅埋隧道的开
挖，洞周围岩向隧道洞内移动变形，即拱顶部位下
沉、拱腰部位向洞内收敛、隧底部位向上隆起。
从表４ 可以看出，围岩最大竖向位移值出现在
隧道拱顶中央附近，并且随着浅埋隧道开挖的不断
进行，隧道的竖向位移累计变形量也在不断增加，
这是由于围岩竖向应力主要集中分布在隧道拱顶
范围内造成的。而隧道拱腰部位的竖向位移受开
挖的影响相对来说并不大，左右两侧的竖向位移值
均在４ｍｍ 以下。从图４ａ 可以看出，隧道的上台阶
开挖完成后，隧道拱顶最大沉降值为５􀆰 １２ｍｍ，占拱
顶总沉降量的５０􀆰 ９５％，由此可见拱顶下沉主要是
由于隧道上半断面开挖造成的。上台阶支护后，拱
顶下沉量为６􀆰 ８３ｍｍ，而隧道的核心土开挖完成后，
拱顶下沉量为８􀆰 １９ｍｍ，仅比上台阶支护后的竖向
位移增加了１􀆰 ３６ｍｍ，这是由于上台阶开挖后进行
了及时的初期支护，承担了围岩位移的大部分变形
导致的。隧道的下台阶开挖完成后，拱顶沉降量为
１　１６ 施工技术 第４５ 卷
９􀆰 ２７ｍｍ，下台阶开挖后位移量又有所增加，这是由
于随着开挖断面的增大，岩体内应力重新调整的结
果， 但也仅比核心土开挖后的沉降值增加了
１􀆰 ０８ｍｍ，这说明下台阶的开挖对围岩的竖向位移影
响很小，下台阶支护后沉降值为１０􀆰 ０５ｍｍ，下台阶
支护后沉降基本完成。从图４ｂ 可以看出，随着浅埋
隧道开挖的不断进行，隧底部位出现了不同程度的
隆起，这是由于地应力的作用而产生的向上隆起，
最大隆起量为５􀆰 ５０ｍｍ，位于隧底中心附近。从图
４ｃ 可以看出，浅埋隧道开挖后，左右拱腰均发生向
下的竖向位移，二者出现了大致相同的下沉趋势，
由此可见，左右拱腰处的围岩竖向受力情况是基本
一致的，同时也说明在相对对称的地质构造条件
下，随着浅埋隧道开挖的不断进行，围岩的竖向变
形是相对对称的。
图５　围岩竖向应力云图
Ｆｉｇ． ５　Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ
就整体来看，浅埋隧道变形值较小，满足相关
规范要求。在上台阶开挖完成后的隧道拱顶沉降
量所占隧道拱顶总沉降量的比重最大，因此这是浅
埋隧道施工过程中最不利的施工阶段，所以在开挖
上台阶之前应进行必要的超前支护，并在开挖后及
时进行初期支护，以便能有效地控制围岩变形，进
而保证浅埋隧道施工安全、提高围岩稳定性。
３􀆰 ２　围岩应力特征分析
分别选取黄董坡隧道在各阶段开挖后的围岩
竖向应力云图如图５ 所示，图中正值为拉应力，负值
为压应力。
浅埋隧道在开挖过程中破坏了隧道洞周围岩
原有的应力平衡状态，在地应力作用下洞室周围的
岩体向洞内发生松胀变形，进而使处于初始应力状
态下的围岩内部发生应力重分布，形成新的应力平
衡状态。在重分布的应力作用下，洞室周围的岩体
开始向隧道洞内产生变形，为阻止隧道洞周围岩的
变形，需要对围岩施做初期支护，施做初期支护后，
围岩和支护结构将共同变形以达到某种应力平衡
状态［５］ 。
由图５ 可知，围岩竖向应力总体上呈条带状分
布；在浅埋隧道开挖过程中，拱部的围岩压应力始
终是最小的，在隧道开挖完成后，整个浅埋隧道洞
周围岩的竖向应力大致是关于隧道轴线对称分布
的；该浅埋隧道洞周围岩应力大多为压应力，基本
上没有出现拉应力区，并且隧道拱部、隧底部位和
拱腰附近的围岩在浅埋隧道开挖后始终都表现为
压应力。上台阶开挖完成后，由于拱部围岩的卸载
作用，拱部围岩应力由初始压应力０􀆰 ５７１ １ＭＰａ 降低
到０􀆰 ３６０ ３ＭＰａ；随着拱顶处锚喷等初期支护措施的
完成， 拱部围岩压应力由０􀆰 ３６３ＭＰａ 降到
０􀆰 １２９ＭＰａ；当核心土开挖完成后，由于核心土的开
挖使初始地应力进一步地释放，拱部围岩压应力有
一定程度的回弹增长， 从０􀆰 １２９ ０ＭＰａ 增加到
０􀆰 ２２１ ７ＭＰａ，而且左右拱腰部位出现了小范围轻微
的应力集中现象，左右拱腰围岩最大压应力值分别
为１􀆰 ２０８ ５ＭＰａ 和１􀆰 ２０９ ７ＭＰａ；随着下台阶的开挖
完成，此时拱部围岩压应力增幅很小，仅增加了
０􀆰 ０１５ ４ＭＰａ，说明下台阶的施工对拱部围岩竖向应
力影响不太大，但是在拱腰部位附近，围岩应力集
中区域范围扩展幅度却很大，并且该区域内的压应
力值增幅也比较大，左右拱腰最大压应力值分别增
加了０􀆰 ２３０ ９ＭＰａ 和０􀆰 ２１６ １ＭＰａ；当下台阶支护完
２０１６ Ｎｏ． ７ 邓洪亮等：浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究 １　１７
成后，拱部压应力基本上维持不变，并且拱腰部位
的应力集中现象得到了小幅度的改善，左右拱腰最
大压应力值分别减小了０􀆰 ０４１ ５ＭＰａ 和０􀆰 ０５４ ２ＭＰａ，
可以看出在对围岩进行支护后，其压应力最大值有
所减小，这就说明支护结构发挥了一定程度的作用。
就整体来看，浅埋隧道开挖对隧道洞周围岩产
生的应力未超过围岩可承受的应力范围，满足相关
规范要求。由上述分析可知，在浅埋隧道开挖过程
中，最大压应力均发生在拱腰部位，所以拱腰是浅
埋隧道开挖施工中最不利的受力部位，对此应该引
起重视，及时进行初期支护，同时应在现场加强监
测拱腰两侧的应力集中区域，以确保浅埋隧道施工
的安全性。
３􀆰 ３　现场监测数据对比与分析
选取黄董坡隧道ＩＤＫ２３ ＋ １６８ 断面作为典型断
面来进行现场监测数据与数值模拟结果的对比分
析，根据现场监测数据绘制ＩＤＫ２３ ＋ １６８ 断面拱顶
沉降变化曲线如图６ａ 所示，根据数值模拟结果绘制
ＩＤＫ２３ ＋１６８ 断面各个施工阶段拱顶累计变化曲线
如图６ｂ 所示。
通过对比图６ａ 和６ｂ 可以看出现场监测与数值
模拟两者的拱顶沉降变化趋势大致相同，从而验证
了数值模型的合理性。但现场监测值要大于数值
模拟值，推测原因可能是现场施工环境复杂，开挖
后初期支护未能及时施作从而导致沉降加大以及
爆破开挖会破坏洞周一定范围内的围岩导致围岩
松弛进而使得已支护部分的围岩对其支护结构的
松动压力增大从而加大了拱顶沉降［６］ 。由于数值
模拟没有考虑这些影响因素，因此导致了现场监测
与数值模拟在数值上的差异。
图６　ＩＤＫ２３ ＋ １６８ 断面拱顶沉降变化曲线
Ｆｉｇ． ６　Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｖａｕｌｔ ｏｆ ＩＤＫ２３ ＋ １６８
４　结语
对于黄董坡隧道，采用有限元软件Ｍｉｄａｓ／ ＧＴＳ
对该浅埋隧道的施工过程进行数值模拟，通过对施
工过程中围岩的变形规律和受力情况的分析研究，
得出如下结论。
１）３ 步开挖预留核心土法比较适合于隧道开挖
的下半断面岩体岩性强于上半断面岩体岩性的工
程情况，它是通过先开挖承载力比较薄弱的上半断
面围岩、暂时保留下半断面围岩的方式来提高浅埋
隧道开挖过程中围岩稳定性的。
２）从总体上看，浅埋隧道位移最大值出现在拱
顶部位，由此可见控制拱顶沉降是浅埋隧道开挖过
程中的重要环节，应予以重视。由于上台阶的开挖
引起的隧道拱顶沉降所占比重最大，所以在开挖上
台阶之前应进行必要的超前支护，并且及时施做初
期支护，及时的初期支护能够很大程度上阻碍围岩
的变形，防止围岩产生过大的变形而坍塌，同时还
应密切监测拱顶沉降情况，确保浅埋隧道的施工
安全。
３）从总体上看，浅埋隧道应力最大值均发生在
拱腰部位，由此可见在浅埋隧道开挖施工中应重点
关注拱腰部位，及时施做初期支护，初期支护会阻
碍围岩的变形，降低岩体内部的应力，从而较大程
度上地缓解拱腰部位的应力集中问题，同时还应密
切监测该应力集中区域的应力变化情况，以便出现
问题时能及时有效地采取措施，保证浅埋隧道的施
工安全。
参考文献：
［ １ ］　钟原，刘梦莹，王婵． 浅埋双侧偏压小净距隧道施工力学效应
研究［Ｊ］． 黑龙江交通科技，２０１５（１）：１１２⁃１１５．
［ ２ ］　陈明奎，申玉生，侯瑞彬． 大跨度岩溶隧道施工工法比选［Ｊ］．
公路工程，２０１４，３９（２）：３１⁃３６．
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