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浅埋偏压隧道开挖数值模拟与监测分析

文档作者：高文学1 孙文龙2 周文旭3 付萍2 邓洪亮3 张洋洋2 文档来源： 1. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室 2. 北京市公路桥梁建设集团有限公司 3. 北京工业大学建筑工程学院		点击数：	更新时间： 2025年11月16日
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48
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2011 年2 月
第40 卷第3 期
浅埋偏压隧道开挖数值模拟与监测分析
高文学1 ，孙文龙2 ，周文旭3 ，付萍2 ，邓洪亮3 ，张洋洋2
(1. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京100124;
2. 北京市公路桥梁建设集团有限公司，北京100068;3. 北京工业大学建筑工程学院，北京100124)
［摘要］以密兴路改建工程火郎峪隧道为研究对象，利用MIDAS-GTS 软件建立了浅埋偏压隧道进口段数值计算模
型，分析了隧道开挖状态下围岩应力场、位移场、塑性区分布以及浅埋偏压段反压回填稳定土后的应力分布规律，
并与现场监测数据进行了分析对比，得出了一些可靠的结论。
［关键词］浅埋偏压隧道;围岩变形;反压回填;数值模拟;施工监测
［中图分类号］U459. 2 ［文献标识码］A ［文章编号］1002-8498(2011)03-0048-03
Numerical Simulation and Monitoring Analysis for Construction
Process of Shallow Tunnel Under Unsymmetrical Pressure
Gao Wenxue1 ，Sun Wenlong2 ，Zhou Wenxu3 ，Fu Ping2 ，Deng Hongliang3 ，Zhang Yangyang2
(1. The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering ，Ministry of Education，
Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;
2. Beijing Roads and Bridges Construction Group Corporation Limited，Beijing 100068，China;
3. The College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)
Abstract:By using the finite element software—MIDAS /GTS，the authors set up the finite element model
of shallow tunnel entrance segment under unsymmetrical pressure in Huolangyu tunnel in Mixing road
reconstruction project，and analyze stress field，displacement field and plastic field distribution of the
surrounding rock under tunnel excavation condition. They also study stress distribution laws of shallow
tunnel under unsymmetrical pressure which be back filled with soil.
Key words: shallow tunnel under unsymmetrical pressure; surrounding rock deformation; back fill;
numerical simulation; construction monitoring
［收稿日期］2010-11-20
［基金项目］国家自然科学基金重点项目(50638030) ;北京市政路桥
控股( 集团) 公司科技开发项目( LQKJ-2010-B-01)
［作者简介］高文学，北京工业大学道桥研究所副所长，博士，教授，
北京市朝阳区平乐园100 号100124，电话:(010 )67392772，E-mail:
wxgao@ bjut. edu. cn
1 工程概况
密兴路改建工程火郎峪隧道设计起点为K10 +
215，终点K10 + 833，全长618m，隧道净空( 宽× 高)
10. 5m × 5m。场地地形起伏较大，隧道进出口最低
标高约为238. 52m，山脊最高处标高约为297. 21m，
相对高差达58. 7m，为构造低山剥蚀地貌。根据区
域地质资料及现场勘探揭露，地层比较简单，隧道洞
口段主要由亚黏土、斜长片麻岩组成，其中亚黏土为
褐黄色碎石、块石等，洞口段表层厚2. 5m;其下为强
风化黑云母，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状，综合评
定隧道洞口段为Ⅴ级围岩。
火郎峪隧道进口段埋深较浅，其轮廓线距地表
最浅处不足4m( 位于隧道右侧起拱线处) ，且存在
偏压现象。为了确保施工安全，隧道开挖时在其右
侧采用反压回填方法进行处理，隧道拱部采用42
× 4 超前小导管支护，导管长3m，环向间距40cm;
初衬采用钢格栅，纵向间距50cm，2 榀格栅间用钢
筋焊接相连;墙部采用25 中空注浆锚杆，长3. 5m，
纵向间距50cm，环向间距100cm;喷射25cm 厚C20
混凝土，并挂6 钢筋网。隧道施工按照新奥法组
织实施，由于隧道埋深较浅且围岩风化严重，结合工
程实际条件，采用上下台阶法施工。
2 数值模拟及结果分析
2. 1 计算模型建立与参数选取
基于MIDAS-GTS 软件对隧道开挖过程进行模
拟，建模时考虑边界效应影响，模型两侧及下部分别
取至3 倍洞径，上部取实际地表并对其进行合理简
化。模型边界采用固定支座约束，其中两侧约束水
平方向，底部约束竖向，上部为自由表面。建模时将
万方数据
2011 No. 3 高文学等:浅埋偏压隧道开挖数值模拟与监测分析49
拱顶120°、厚0. 5m 范围内围岩属性加强以模拟小
导管超前注浆支护，同时考虑初衬喷射混凝土( 厚
度为25cm) 及锚杆支护，钢格栅以刚度贡献方式折
合到喷射混凝土中;围岩采用摩尔库伦模型;根据隧
道地勘资料以及《公路隧道设计规范》JTG D70—
2004，围岩与支护材料参数如表1 所示，计算模型如
图1 所示。
表1 模型参数
Table 1 Model parameters
单元
弹性模
量/MPa
泊松
比
重度/
( kN·m － 3 )
黏聚力/
MPa
内摩擦
角/ ( °)
Ⅴ级围岩500 0. 4 20 0. 05 25
超前支护5 000 0. 3 24 0. 20 27
喷射混凝土18 000 0. 2 26 — —
锚杆210 000 0. 3 78 — —
图1 数值模拟模型
Fig. 1 Numerical simulation model
模拟隧道施工时，考虑时间及空间效应，围岩荷
载释放系数取0. 5，0. 25，0. 25，即隧道开挖后释放
50% 荷载，锚杆施工时释放25% 荷载，喷射混凝土
施工时释放25% 荷载。采用上下台阶法施工，施工
顺序为:地表碎石土回填，小导管超前注浆支护，上
断面爆破开挖，初衬支护;下断面爆破开挖，初衬支
护;全断面二衬施工。数值模拟时，只考虑超前支护
及初期支护，二衬作为安全储备，分析时不考虑。
2. 2 数值模拟结果分析
2. 2. 1 隧道开挖应力特征
图2 为隧道开挖完成后围岩第一主应力和第三
主应力变化特征图(应力符号规定，拉为正，压为负)。
从第一主应力特征图来看( 见图2a)，隧道开挖完成
后在顶部产生了拉应力，虽然数值只有0. 003MPa 左
右，但分布范围较广，在隧道顶部形成一拉应力带，随
着变形的进一步发展，拉应力趋于逐渐贯通，施工时
应引起关注，以免最后发展到滑移破坏。
第三主应力( 见图2b) 主要表现出以下特征:①
隧道下断面开挖完成后，由于偏压作用影响，围岩应
力分布不对称，主应力方向由深埋侧指向浅埋侧，当
下断面开挖后深埋侧拱腰和拱底围岩应力不同程度
释放，在两者共同作用下，隧道左侧拱脚( 深埋侧) 产
生应力集中现象，虽然埋深较浅，但其最大压应力仍
图2 围岩应力
Fig. 2 Stress nephogram of surrounding rock
达到0. 85MPa;②浅埋侧起拱线部分也产生了部分应
力集中，但应力值较左侧拱脚小，为0. 45MPa;③由于
偏压应力的作用导致隧道两侧呈现了明显的不对称
压应力区。因此在进行结构设计时，要充分考虑支护
结构能够抵抗偏压作用引起的不均匀变形。
2. 2. 2 隧道开挖位移特征
图3 为隧道开挖完成后变形特征图。从图3 中
可以看出:由于偏压作用，尽管进行了碎石土回填，
但隧道开挖后仍产生了不对称变形，拱顶沉降最大
值偏向于深埋侧，达到6. 7mm;拱底回弹变形最大
值偏向浅埋侧，达到7. 5mm;隧道侧壁收敛深埋侧
( 左侧收敛最大值为4. 8mm) 大于浅埋侧( 右侧收敛
最大值为3. 8mm) ，且深埋侧拱墙变形范围大于浅
埋侧。由于隧道埋深较浅，拱顶沉降及深埋侧收敛
影响范围已延伸至地表，由于采取超前小导管及初
期支护措施，围岩保持稳定。
图3 隧道变形
Fig. 3 Tunnel deformation
2. 2. 3 隧道开挖应变特征
通过对应变分析可以发现，偏压应力作用下，隧
道深埋侧拱脚处产生较大范围塑性变形，因而容易
引起局部破坏与失稳。由于隧道埋深较浅( 回填后
最浅处不足6m) ，右侧拱腰上方( 最浅处) 产生较大
范围的塑性应变，且贯穿至地表。
基于应变分析，施工过程中，应加强对隧道左侧
拱脚及右侧拱腰上方围岩变形的监测，若出现松动
掉块、挤压变形等异常现象，应及时处理，同时加强
该部位支护设计与施工。对于拱脚部分应加强锁脚
锚杆及混凝土注浆加固等措施提高局部承载能力;
洞口浅埋偏压段，采用工字钢代替钢格栅或增加喷
射混凝土厚度等，以保证隧道施工安全。
万方数据
50 施工技术第40 卷
2. 2. 4 反压回填作用分析
为了改善围岩偏压现象，保证隧道施工安全，在
隧道地表浅埋侧采用反压回填碎石土进行处理。图
4 给出了反压回填数值模拟效果。
图4 反压回填应力向量图( 单位:kN /m2 )
Fig. 4 Stress vector nephogram of fill back ( unit:kN /m2 )
比较有无反压回填隧道开挖后应力矢量图可以
看出:无碎石土回填情况下，主应力方向偏向于深埋
侧岩体，且倾斜角度明显大于回填后的情况;无回填
稳定土情况下拱顶产生的最大拉应力达到23. 6kN，
回填后拱顶最大拉应力仅为5. 4kN，可见反压回填
稳定土后比较明显地改善了偏压现象，有利于隧道
结构稳定。
3 隧道洞口段围岩应力监测
隧道进口段施工过程中，采用压力盒和应力计
进行断面应力应变测量，本文选取与数值模拟同一
断面处的应力数据进行分析，测点布置如图5 所示，
监测数据如图6 所示。
图5 应力测点布置
Fig. 5 Stress monitoring points
从图6 可以看出，在隧道断面开挖完成后10d
左右( 洞口段围岩破碎，每天开挖进尺≤1. 5m，10d
开挖15m，即1 ～ 1. 5 倍洞径) ，围岩压力趋于稳定，
且隧道深埋侧围岩压力明显大于浅埋侧，其中深埋
侧隧道稳定后拱腰处围岩压力为0. 985MPa，浅埋侧
为0. 853MPa，拱顶处为0. 607MPa。结合数值模拟
结果，相应的深埋侧围岩压应力为0. 916MPa，浅埋
侧围岩压应力为0. 710MPa。实际监测数据与数值
模拟结果规律一致，且两者间误差相当接近。
围岩应力监测和数值模拟结果表明，由于进口
段围岩的偏压作用，隧道深埋侧拱腰应力集中现象
明显，且其围岩压力明显大于浅埋侧，故在设计和施
工过程中，要充分考虑支护结构抵抗偏压作用的能
图6 进口段围岩应力监测数据
Fig. 6 Monitoring data of surrounding rock stress
力，防止隧道局部发生破坏或开裂。
4 结语
应用MIDAS-GTS 软件对密兴路改建工程火郎
峪隧道进行了数值模拟，分析了浅埋偏压隧道围岩
开挖后的应力场、位移场以及反压回填稳定土效果，
并与现场监测结果进行对比分析，得到如下结论。
1)浅埋偏压隧道开挖过程中，隧道顶部产生拉应
力，隧道深埋侧拱脚和浅埋侧起拱线附近存在不同程
度的压应力集中区。进行支护结构设计时，要充分考
虑支护结构能够抵抗偏压作用引起的不均匀变形。
2) 由于偏压作用，隧道开挖后产生了不对称变
形，拱顶沉降最大值偏向于深埋侧，拱底回弹变形最
大值偏向浅埋侧;隧道侧壁收敛及其变形范围，深埋
侧大于浅埋侧。隧道施工过程中，应加强对围岩的
变形监测并采取防护措施，确保隧道施工的安全。
3) 采用反压回填措施，隧道偏压和应力集中现
象得到一定程度改善，塑性区分布范围减小，有利于
隧道结构的稳定。
4)浅埋偏压隧道开挖数值模拟与围岩应力监
测结果基本一致，可被工程接受; 由于偏压作用影
响，深埋侧围岩压力释放明显大于浅埋侧且应力集
中现象明显，故在设计和施工过程中，应充分考虑支
护结构的承载能力，防止隧道局部开裂或破坏。
参考文献:
［1 ］ 孙钧，侯学渊. 地下结构［M］. 北京:科学出版社，1991.
［2 ］ Liu Wenbin，Liu Baoguo，Wang Weifeng. Pipe shield effect
analysis of double-arched tunnel under unsymmetrical pressures
［J ］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，
2007，26( S2) :3704-3710.
［3 ］ 刘涛，沈明荣，高伟君. 连拱隧道围岩压力的释放率分析
［J］. 地下空间与工程学报，2007，3(1) :14-18.
［4 ］ 王磊. 地质偏压隧道围岩压力分布及衬砌安全性的分析
［D］. 成都:西南交通大学，2008.
［5 ］ 杨小永，伍法权，苏生瑞. 穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道动
态施工响应规律［J］. 工程地质学报，2006，14(3) : 314-319.
［6 ］ 蒋树屏，胡学兵. 扁平状大断面公路隧道施工力学响应数值
模拟［J］. 岩土工程学报，2004，26 (2) :178-182.

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