深埋岩体隧道开挖面三维非线性挤出效应分析

摘要

深埋高应力覆存环境下的岩体隧道处于复杂真三维应力状态,围岩力学行为与浅埋隧道存在明显差异,传统的强度理论与分析方法已经不能满足深埋隧道围岩稳定性精细化分析的要求;开挖面三维空间效应问题在浅埋隧道设计与施工常被简化甚至忽略,但其对深埋隧道围岩稳定和施工安全的影响必须予以重视。为此,以西部典型深埋隧道为对象,建立精细的三维地质模型和隧道数值分析模型,采用三维GZZ强度准则对不同埋深隧道的开挖过程进行三维有限元模拟,分析开挖面三维非线性空间效应,揭示开挖过程复杂应力路径及非线性挤出变形的时效演变机制。研究表明:(1)采用现场三维照相、激光扫描和三维重构等数字化采集技术,可快速、自动、准确获取岩体GSI等GZZ准则输入参数,实现了深埋隧道围岩稳定性三维分析;(2)深埋隧道开挖面挤出变形比浅埋隧道更加显著,挤出变形主要为塑性变形,变形量随埋深呈现出抛物线变化,且开挖面进入塑性屈服状态早于洞周围岩;(3)开挖面前后3~4 m范围内具有显著的三维空间效应,3个主应力均发生了巨大变化,且伴随明显的应力主轴旋转,该现象主要由开挖面处急剧增加的切应力导致;(4)开挖面中心岩石应力水平I1远低于洞周围岩,开挖卸载导致的岩体不稳定性比处于加载状态的洞周围岩更加严重;(5)深埋隧道钢拱架扭曲变形和围岩非均匀纵向变形主要与σ3和σ2有关,且超过一定埋深时,σ2的作用显著增加。