Numerical Simulation and Laboratory Tests of Unloading Stress Path of Fly Ash Stratum Tunnel Excavation
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摘要: 隧道在动态开挖过程中，土体的变形与其应力路径密切相关。针对这一问题，运用FLAC3D有限差分软件构建了隧道动态施工三维模型，模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法开挖的施工流程，测得了开挖卸载引起的土体应力状态变化规律。基于数值模拟获得的土体应力状态变化规律简化结果，对粉煤灰水泥加固土进行不同应力路径下的室内三轴试验，研究了隧道开挖卸载过程中土体单元受力变形情况，并对比了未掺入水泥的试件变形情况，以分析水泥加固对粉煤灰土卸荷变形的影响。数值模拟及室内试验结果表明：隧道进行三导洞法施工开挖过程中，围岩监测点的单元土体的应力路径较为复杂且存在明显差异，但大致可以简化为两类，即恒围压卸轴压以及恒围压升轴压的加卸载的过程；在模拟围岩单元土体不同位置的应力路径试验中，未经掺加水泥的试件存在变形破坏，而经水泥加固的试件变形量较小，未发生破坏。Abstract: The stress path of soil is closely tied to deformation during dynamic tunnel excavation. A three-dimensional model of tunnel construction was created using the FLAC3D finite difference software. The double-side wall guide pit method was used to simulate the excavation process of a large-section tunnel and measure the resulting soil stress state. The changing laws of the stress state were then investigated based on the numerical simulation results. Indoor triaxial tests were conducted on soil reinforced with fly ash cement under different stress paths to replicate the stress and deformation of soil units during tunnel excavation and unloading. Unreinforced soil specimens were used as a control group. The numerical simulations and laboratory test results reveal that the stress paths of the surrounding rock unit soil at monitoring points are complex, and can be roughly divided into two categories: the process of constant confining pressure unloading axial pressure and constant confining pressure rising axial pressure. The cement-reinforced specimens showed less deformation and no signs of failure, while the unreinforced specimens were damaged during the stress path tests of different soil positions within the simulated surrounding rock unit.
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Key words:
- tunnel excavation /
- stress path /
- numerical simulation /
- indoor triaxial test
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表 1 计算模型参数表
材料类别 弹性模量E/GPa 泊松比μ 重度γ/(kN·m−3) 黏聚力
c /kPa内摩擦角φ/(°) 围岩 2 0.35 20 150 37 初期支护 25 0.2 24 中隔墙 35 0.2 25 
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表 2 三导洞法简化模拟施工工序
工序编号 施工工序 工序编号 施工工序 工序1
（Step 0—Step 3100）a初始地应力计算 工序2
（Step 3100—Step 4725）中导洞开挖及支护 工序3
（Step 4725—Step 5700）中隔墙浇筑及墙顶回填 工序4
（Step 5700—Step 6660）左洞导洞上台阶开挖及支护 工序5
（Step 6660—Step 7426）左洞导洞下台阶开挖及支护 工序6
（Step 7426—Step 7915）右洞上台阶开挖及支护 工序7
（Step 7915—Step 8664）右洞导洞下台阶开挖及支护 工序8
（Step 8664—Step 9130）左侧正洞上台阶开挖及支护 工序9
（Step 9130—Step 10390）左侧正洞下台阶开挖及支护 工序10
（Step 10390—Step 11080）右洞正洞上台阶开挖及支护 工序11
（Step 11080—Step 13497）右洞正洞下台阶开挖及支护 注：上标a表示图4中横轴Step计算步骤。
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表 3 粉煤灰地层原状土基本物理性质指标
天然含水率
w/%天然密度
ρ/(g·cm−3)孔隙比
e饱和度
Sr/%液限
wL/%塑限
wP/%59.1 1.49 2.07 88.3 76.1 52.6
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表 4 试验土样关键物理力学参数
土样类别 峰值强度
/MPa黏聚力
c/kPa内摩擦角
φ/（°）割线模量E50
/MPa粉煤灰地层原状土 0.81 172.5 12.7 18.5 粉煤灰地层重塑土 0.65 137.6 14.2 15.2 粉煤灰水泥土 1.74 275.9 34.2 48.2
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表 6 试件变形特征表
试验类型 编号 隧道围岩
所处位置最终（峰值）
应变量/%是否
破坏应力路径1 J-1 隧道主洞拱顶 1.08 否 W-1 2.8 否 应力路径2 J-2 隧道主洞拱肩 1.54 否 W-2 3.86 否 应力路径3 J-3 隧道主洞拱腰 3.96 否 W-3 11.86 是 应力路径4 J-4 隧道主洞拱底 1.87 否 W-4 5.39 否 应力路径5 J-5 隧道中导洞拱顶 1.21 否 W-5 3.86 否 应力路径6 J-6 隧道中导洞拱底 0.59 否 W-6 6.24 否
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图(7) / 表(6)
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