摘 要

近年来，我国基础设施建设飞速发展，地铁、公路隧道、铁路隧道数量显著增加，但同时隧道开挖事故也时有发生。其中，软弱围岩因其岩性软弱、整体性差等特点，致使在其区段内的隧道施工危险系数极大，因此，为保证施工安全，避免人员伤亡，软弱围岩在隧道开挖过程中的变形受力特征就成了科研人员深入探索的一大课题。

本文介绍了软岩的特征和国内外对软岩各方面性质的研究现状，并以某具体隧道开挖长度内五段不同类型的软岩区段作为研究对象，采用预留核心土的三台阶法进行施工，利用ANSYS有限元软件对各开挖步骤进行数值模拟，分析总结不同等级的软岩在开挖过程中的变形受力特点以及仰拱对于围岩稳定性的影响，最终得出以下规律：

1. 开挖过程中，隧道上台阶、下台阶周边岩体在水平方向上有明显的阶段性变形特点，上台阶围岩水平位移值逐渐减小，下台阶水平位移值逐渐增大。
2. 在隧道施工过程中，上台阶开挖对拱顶围岩的扰动最大，致使得其产生较大的沉降，对于Ⅴ级围岩，应设置不小于40mm的预留变形进行防控，对于Ⅳ级围岩，预留变形应不小于15mm。
3. 岩体被挖出后，剩余围岩的转角处容易出现应力集中现象，局部围岩整体性较差，容易发生失稳破坏。
4. 相较于Ⅴ级围岩，Ⅳ级围岩各方面变形值显著减小，实际工程中，在满足使用要求的前提下应尽量避开Ⅴ级围岩区段，保证施工安全。
5. 仰拱的存在能够限制围岩的变形，减小围岩内部的应力，提高隧道的整体稳定性。

关键词：软弱围岩；隧道；数值模拟；受力变形

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of China's infrastructure construction, the number of subway, highway tunnel and railway tunnel has increased significantly, but at the same time, tunnel excavation accidents also occur from time to time. Because of its weak lithology and poor integrity, the risk coefficient of tunnel construction in its section is very large. Therefore, in order to ensure the construction safety and avoid casualties, the deformation and stress characteristics of soft surrounding rock in the process of tunnel excavation have become a major topic for researchers to explore in depth.

This paper introduces the characteristics of soft rock and the research status of soft rock in various aspects at home and abroad, and takes five different types of soft rock sections within a specific tunnel excavation length as the research object, adopts the three step method of reserving core soil for construction, uses ANSYS finite element software to carry out numerical Simulation for each excavation step, analyzes and summarizes the changes of different grades of soft rock in the excavation process Finally, the following rules are obtained from the stress characteristics of shape and the influence of invert on the stability of surrounding rock:

1. During the excavation process, the rock mass around the upper and lower steps of the tunnel has obvious stage deformation characteristics in the horizontal direction. The horizontal displacement value of the surrounding rock of the upper step decreases gradually, and the horizontal displacement value of the lower step increases gradually.
2. In the process of tunnel construction, the excavation of the upper stage has the greatest disturbance to the surrounding rock of the arch crown, resulting in large settlement. For grade V surrounding rock, the reserved deformation of no less than 40mm shall be set for prevention and control, and for grade IV surrounding rock, the reserved deformation shall be no less than 15mm.
3. After the rock mass is excavated, the corner of the remaining surrounding rock is prone to stress concentration, and the integrity of the local surrounding rock is poor, which is prone to instability.
4. Compared with grade V surrounding rock, the deformation value of grade IV surrounding rock is significantly reduced in all aspects. In the actual project, on the premise of meeting the use requirements, grade V surrounding rock section shall be avoided as far as possible to ensure the construction safety.
5. The existence of inverted arch can limit the deformation of surrounding rock, reduce the internal stress of surrounding rock and improve the overall stability of the tunnel.

Keywords: weak surrounding rock; tunnel; numerical simulation; stress deformation

目 录

第一章 绪论 5

1.1研究背景和研究目的 5

1.2国内外研究现状 6

1.3本文主要研究内容 8

第二章 隧道岩体和施工方法研究 9

2.1工程地质概况 9

2.2隧道施工方法研究 10

2.3施工步骤 11

2.4施工控制要点 12

2.5本章小结 13

第三章 隧道软弱围岩施工过程数值模拟 14

3.1预留核心土三台阶法在ANSYS有限元软件中的实现 14

3.2数值模型建立 16

3.3本章小结 18

第四章 有仰拱隧道模拟结果分析 20

4.1研究对象 20

4.2隧道断面测点布置 20

4.3Ⅴ级围岩数值模拟结果分析 21

4.4Ⅳ级围岩数值模拟结果分析 33

4.5各围岩总体分析 40

4.6本章小结 43

第五章 无仰拱隧道模拟结果分析 44

5.1隧道模型建立 44

5.2一号围岩结果分析 45

5.3二号围岩结果分析 49

5.4三号围岩结果分析 51

5.5四号围岩结果分析 53

5.6五号围岩结果分析 56

5.7本章小结 58

第六章 结论与展望 59

6.1结论 59

6.2展望 60

参考文献 61

致谢 63

第一章 绪论

1.1研究背景和研究目的

改革开放以来，我国经济实力不断增长，综合国力持续上升，人们对于生活质量的要求也随之增加，尤其是对于长距离交通的需求逐年提高。近十年来，为解决城市人口数量膨胀所带来的巨大交通压力，我国加大对于基础设施尤其是公路、铁路以及地下交通的建设。相比于地上交通，地下交通可以有效减轻地上交通所引起的土地紧张、交通堵塞等问题，更能够显著降低对于周边环境的污染，符合当代居民的生活理念并逐渐成为首选的出行方式。同时，对于中西部地区连绵的山地地形，若要形成贯通的交通网则势必要穿过这些山脉，此时，相比与盘山公路方法，开挖隧道则显得更加经济合理，节约时间。可以看出，作为基础设施建设的重要一环，隧道在近年来得到了飞速发展。截至2019年底，中国铁路隧道总里程超过了18000km，正在运营的铁路隧道超过16000多座，预计还将以每年1000km的隧道里程速度进行增长。

隧道的飞速发展对我国国土资源的合理开发，生态环境的保护起着重要作用，但同时，隧道的施工也面临着严峻挑战。一般情况下，隧道开挖的施工环境较差，施工空间较为狭窄，周围土体情况复杂，地下水位、地质断层等的影响很大，其中，软弱围岩对于隧道开挖时的影响格外突出，处理不当极易发生土体大变形甚至是隧道塌方等事故，如图1.1所示。而日本的惠娜山隧道^[1]、意大利的辛普伦隧道、国内的大寨岭隧道^[2]等都是因为处理不当导致软弱围岩发生较大变形，对工程的施工安全和技术人员的生命财产造成了极大威胁。由此可见，对于部分地区，软弱围岩的变形受力已经成为保证隧道施工安全、人员生命安全和施工进度的极重要因素。为了充分了解在隧道开挖施工过程中其周围软弱围岩的变形受力情况，本文将以某隧道开挖段内土体情况为依据，通过有限元软件来进行相关模型的建立并模拟施工开挖各步骤，采用数值模拟的方法对各开挖步骤下软弱围岩的变形值和应力值进行总结分析，同时还针对不同级别的软岩进行分析对比，旨在分析总结得到软弱围岩的变形和内部应力分布规律，为相关工程提供参考，保障施工现场和技术人员安全。