富水軟巖隧道施工中滲流對巖體變形影響的研究

路 平

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

我國長江以南地區雨量充沛，年降雨量在1 200 mm以上，地下水資源豐富，軟巖經常處于富水狀態[1]。富水軟巖隧道施工時，經常發生支護結構侵限、拱頂坍塌、山體開裂等工程事故[2]。對流固耦合效應進行深入的研究，確定富水軟巖隧道施工中滲流場對圍巖變形的影響態勢及程度極為重要。

2 工程概況

南山寨隧道是湖南省吉懷高速公路主要工程之一，隧道左線ZK102+876斷面埋深17.4 m，掌子面揭露圍巖主要為強風化粉質砂巖，巖體較松散，自穩能力差，滲水較嚴重，拱頂易掉塊。地勘資料顯示，地下水最高水位為284.0 m，較隧道設計高程267.1 m高16.9 m，隧道位于最高地下水位線之下，存在地下水滲流問題。

3 模型的建立

為了研究富水軟巖隧道施工中滲流場對圍巖變形的影響態勢及程度，分別建立流固耦合模型和普通對比模型，對考慮滲流場和不考慮滲流場的隧道開挖進行數值模擬與對比分析。流固耦合模型每步開挖前先添加掌子面與隧道洞周的滲流邊界，進行滲流計算，然后進行隧道開挖與支護的有限元模擬計算；普通對比模型不考慮地下水的滲流，僅進行隧道的開挖與支護的有限元模擬計算。

計算滲流場時視圍巖為均質的、各向同性的等效連續滲透介質；隧道開挖后地下水處于穩定滲流狀態，其流動服從Darcy定律；隧道排水通過襯砌與掌子面的滲水實現[3]。計算應力場時圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，圍巖與支護結構的力學參數根據《公路隧道設計規范JTG D70—2004》與《工程地質手冊（第4版）》選取，如表1所示。根據工程類比和計算經驗，開挖瞬時地應力釋放率、施作初期支護后應力釋放率、施作二次襯砌后應力釋放率分別為 30%，25%，45%[4]。

表1 數值計算力學參數

根據南山寨隧道左線ZK102+876的地形建立計算模型如下：在水平方向，由隧道軸線向兩側各取56 m；在豎直方向，上邊界根據該段隧道的實際地形，取隧道埋深17.4 m，下邊界取至隧底以下42 m；縱向取45 m。

圖1 圍巖及支護結構網格劃分示意圖

流固耦合模型與普通對比模型均約束左右面、前后面和底面的法向位移。在流固耦合模型左右邊界設置16.9 m固定水頭邊界，前后面與底面設置不透水邊界，隧道開挖面設置零壓力水頭邊界；普通對比模型由于不考慮滲流，不設置水頭邊界。

4 計算結果對比分析

為了深入地研究富水軟巖隧道施工中滲流場對巖體變形的影響程度和態勢，繪制模型邊界上5條測線如圖2。

圖2 位移測線分布示意圖

根據數值分析結果，分別繪出各測線隨開挖的變化曲線，對考慮與不考慮滲流場的計算結果進行對比分析。

圖3 地表沉降橫向測線L1隨開挖變化曲線

從圖3可以看出，滲流場對地表沉降縱向測線L1的影響很大。考慮滲流場后地表沉降最大值為-13.1 mm，而不考慮時為-2.7 mm，前者約為后者的4.8倍。不考慮滲流場時，地表沉降發生于隧道軸線兩側約20 m范圍內；考慮滲流場后，地表沉降范圍延伸至模型邊界。這是因為考慮滲流場后，地表沉降主要由巖體失水固結及滲透動壓力對巖體的擾動產生，隧道開挖引起的應力重分布是地表沉降的次要因素，因此考慮滲流場后地表沉降值與沉降范圍較不考慮滲流場時都有所擴大。

圖4 地表沉降縱向測線L2變化曲線

從圖4可以看出，滲流場對地表沉降橫向測線L2的影響很大。隧道開挖后，考慮與不考慮滲流場時，地表沉降均在掌子面掘進15 m后趨于穩定。不考慮滲流場時，由于隧道開挖引起的應力重分布是地表沉降的主要原因，隧道開挖僅對掌子面前15 m范圍內地表產生影響；考慮滲流場后，隧道開挖造成的水力臨空面使滲流場呈漏斗形分布，而滲流引起的巖體失水固結與滲透動壓力是地表沉降的主要原因，造成地表沉降范圍遠遠大于不考慮滲流場時的沉降范圍。

圖5 拱頂沉降測線L3變化曲線

從圖5可以看出，滲流場對拱頂沉降測線L3的影響較大。考慮滲流場時，拱頂最大沉降值為-16.8 mm，而不考慮滲流場時僅為-6.8 mm。前者約為后者的2.5倍。從縱向看，考慮滲流場時拱頂沉降在掌子面掘進24 m后穩定，不考慮滲流場時拱頂沉降在掌子面掘進12 m后趨于穩定；考慮滲流場時隧道開挖對掌子面前方巖體的影響范圍已超出模型邊界，不考慮滲流場時隧道開挖對掌子面前方6 m范圍內有一定影響。

圖6 拱腰側移測線L4變化曲線

從圖6可以看出，滲流場對拱腰側移測線L4的影響較大。考慮滲流場時拱腰側移約為-0.8 mm，不考慮滲流場時約為-1.8 mm，前者僅為后者的44.4%。這是由于孔隙水壓力存在降低了巖體有效應力，從而使側壁位移有所減小。

圖7 拱底變形測線L5變化曲線

由圖7可以看出，滲流場對拱底隆起測線L5的影響很大。考慮與不考慮滲流場時，隧道開挖完成后拱底均表現為向上回彈，考慮滲流場時最大回彈量3.8 mm，不考慮滲流場時最大回彈量13.2 mm，前者僅為后者的28.7%。這種區別可解釋為：考慮與不考慮滲流場在隧道開挖后，拱底巖體均由于卸載產生回彈，但考慮滲流場時因孔隙水壓降低產生固結沉降，故其回彈量遠小于不考慮滲流場時的回彈值。考慮滲流場時，拱底在掌子面前方產生了固結沉降，其范圍超出了模型邊界；不考慮滲流場時，拱底在掌子面前方15 m范圍內巖體產生一定程度的隆起。

5 結論

考慮與不考慮滲流場時富水軟巖隧道開挖引起的巖體變形差別極大。不考慮滲流場時巖體產生位移的范圍有限，而考慮滲流場后巖體產生位移范圍要大得多。考慮滲流場時拱頂與地表的沉降值遠大于不考慮滲流場時的沉降值，拱腰側移和拱底隆起較不考慮滲流場時反而更小。