考慮滲流影響的軟弱圍巖地層土拱效應研究

【摘 要】為了解滲流影響下的隧道開挖導致的地層土拱變化，通過有限差分數值模擬對軟弱圍巖地層隧道施工進行流固耦合研究，結果表明，滲流情況下的地層土拱范圍增大較為明顯，約為不滲流工況的3倍；在地下水影響下，開挖面變形的危險點由中上部向開挖面底部和拱腳轉移，與此同時，開挖面擠出變形也增大為不考慮滲流情況的2倍左右，說明滲流情況下的軟弱圍巖地層容易失穩，需加強超前預報以及施加超前預加固措施，研究結果可為類似工程提供參考。

【關鍵詞】山嶺隧道； 軟弱圍巖； 數值模擬； 地層變位； 開挖面穩定

【中圖分類號】U451+.2【文獻標志碼】A

0 引言

隧道施工過程中，難以避免會遇到砂巖、泥巖等軟弱圍巖地層條件，在軟巖地層中進行隧道開挖時，極易引起隧道開挖失穩，地層沉降過大等問題。因此，關注軟巖地層內部應力變化情況以及開挖面的穩定是施工過程中的重點。

現階段已有大量學者針對軟弱圍巖隧道施工的地層變化展開研究，孫鈞等［1］、何滿朝等［2］學者分別針對軟弱圍巖大變形問題展開了理論分析研究，提出了適應于軟巖結構安全的計算方法；陳建勛等［3］、趙旭峰［4］學者從現場原位監測的角度，對軟弱圍巖隧道中的支護結構及圍巖力學行為進行了研究，洪開榮等［5］、應華峰等［6］學者依托數值模擬手段，分析了軟弱圍巖隧道施工過程中的超前預加固結構的力學機理，并提出了不同工況的最優支護結構。毛燕飛［7］、賈濤［8］學者結合模型試驗的手段，對軟弱圍巖隧道開挖的開挖面擠出變形進行研究，并分析了開挖面的擠出變形規律。

盡管前人針對軟弱圍巖隧道開展了較為全面的研究，但關于地下水滲流情況的軟弱圍巖隧道研究尚不全面，因此本文基于前人研究成果，采用有限差分數值模擬對既有隧道工程進行研究，分析了在滲流影響下的軟弱圍巖地層開挖隧道時的土拱效應發展與開挖面穩定，并針對性的提出了滲流影響下的開挖面支護措施。為類似工程提供參考。

1 數值模型建立

本文依托申嘉湖高速公路安吉孝源至唐舍段控制性工程東家山隧道典型斷面設計參數，建立數值分析模型。已知東家山隧道為雙線四車道隧道，設計行車速度為100 km/h，施工現場地質勘察發現，隧道洞身穿越殘坡積和強～中風化泥巖，整體松散，工程性質較差，綜合判定為Ⅴ級圍巖，且隧址區地層節理裂隙發育，在雨季施工過程中容易出現突泥涌水現象。結合有限差分數值模擬軟件FLAC 3D對東家山隧道進行研究，如圖1所示，為提高計算效率，設計模型尺寸為76 m（x方向）×100 m（y方向）×100 m（z方向），隧道斷面沿y軸進行開挖。在模型底部施加固定約束，側邊墻施加x方向位移約束，前后邊墻施加y方向位移約束，模型頂部為自由面，可以發生變形。

圍巖本構設置為摩爾-庫倫模型，初期支護，二次襯砌設置為彈性模型，開挖部分為空模型，為克服模型的邊界效應，隧道開挖至50 m位置，二襯施工滯后4 m，如圖1所示，圍巖的力學參數見表1，初支、二襯的參數見表2。

二襯2523.7510.96層土拱效應以及開挖面穩定性的發展，將模型頂部考慮為地下水位線的起始位置，為自由滲流邊界，孔隙水壓力為0，計算全局設置為飽和滲流，根據現場勘測資料，地層的滲透率為1×10-7，孔隙率為0.5，孔隙水壓力沿壓力梯度隨埋深成正比。為對比分析，計算過程中考慮不滲流情況作為對照。

2 計算結果分析

2.1 滲流對地層土拱效應影響

軟弱圍巖地層工程性質較差，為研究地下滲流水對開挖面及其后上方土體穩定性的影響，需要從土拱效應的角度展開研究。在隧道開挖面上部布置測線，如圖2所示，提取出隧道開挖前后測點的水平以及豎直應力，根據隧道開挖面前后的應力變化情況確定圍巖地層的土拱影響范圍，拒此來分析在施工擾動之后的地層土體應力重分布情況。

圖3為兩種工況下，隧道開挖前后開挖面上部測線的水平應力和豎直應力隨距拱頂高度的變化情況，由圖3可知，在隧道開挖前，兩種工況的豎直應力與水平應力均呈現線性變化的趨勢，在隧道開挖后，由于開挖擾動地層應力發生應力重分布，水平應力與豎直應力均迅速減小，隧道距離拱頂高度的增加，圍巖的應力逐漸恢復至正常開挖水平。

根據文獻研究內容，地層土拱邊界是開挖后地層最大主應力出現的位置，據此提取出兩種工況下的地層土拱影響范圍，如圖4所示。圖4中虛線分別表示個工況下的土拱邊界，由圖可知，在不考慮滲流情況，隧道開挖地層應力重分布產生的地層土拱區域為拱頂以上8 m處，而在考慮滲流情況，由于地下水與土體的耦合作用，開挖后地層土拱區域為拱頂22 m處，地下水的作用增大的地層的松動范圍，導致土拱上升。因此在施工過程中，有必要采取措施提高開挖面拱頂上部地層的強度。

2.2 滲流對開挖面穩定性影響

開挖面穩定是軟弱圍巖隧道施工過程中必須重點關注的問題，因此提取出滲流情況與不滲流情況下的隧道開挖面位移云圖進行對比，主要分析兩種工況下對應的開挖面擠出位移以及總位移，如圖5、圖6所示。對比兩種工況下的開挖面位移情況可以發現，不考慮滲流情況，開挖面擠出變形明顯，最大變形出現在開挖面中上部，最大擠出位移值為0.118 m；考慮滲流情況，與前述不同，開挖面擠出變形分布規律有所差異，最大變形出現在開挖面底部以及拱腳位置，最大擠出位移值為0.359 m，相對于不考慮滲流情況，變形增大200%，說明在地下水的作用下，開挖面的穩定性較差，與此同時，對比分析兩種工況下的地層受影響區域不難發現，在滲流水的作用下，隧道開挖對地層的影響范圍相比較大，此時應該增加相應的預加固措施提高開挖面以及深部土體強度，提高開挖面穩定性。

2.3 滲流對地表沉降的影響

軟弱圍巖施工過程中，地表以及周圍建筑的沉降同樣是需要關注的問題，這里提取出兩種工況下開挖面上方及地下10 m處的沉降數據進行對比分析，測線分布情況見圖2。本文計算過程中為提高計算效率，選取了1/2模型進行計算，對比兩個工況的沉降變化曲線可以發現，隧道開挖導致地層沉降呈“U”型分布，在地下滲流水影響下，地表沉降較大，但在地下10 m處，二者曲線幾乎一致，除此之外，距離模型中心25 m范圍外的地表沉降曲線幾乎一致，可以認為，地下水對地層沉降的影響有限，但不可忽略（圖7）。

3 結束語

本文通過對考慮滲流和不考慮滲流兩種工況的數值模擬對比研究，主要結論：

（1）對比兩種工況的土拱效應，在滲流情況下的地層土拱范圍幾乎是不滲流情況的3倍左右，在地下水的影響下，地層應力重分布范圍有所擴大，有必要采取措施提高隧道拱頂上部土體的強度。

（2）對比兩種工況的開挖面變形，在滲流影響下的開挖面危險點集中在開挖面底部與拱腳處，而對于不考慮滲流情況而言，開挖面危險點處于中部偏上處，施工過程中應加強超前預報并輔助超前預加固錨桿提高圍巖穩定性。

參考文獻

［1］ 孫鈞， 潘曉明. 隧道軟弱圍巖擠壓大變形非線性流變力學特性研究［J］. 巖石力學與工程學報，2012， 31（10）：1957-1968.

［2］ 何滿潮， 景海河， 孫曉明. 軟巖工程地質力學研究進展［J］. 工程地質學報， 2000（1）：46-62.

［3］ 陳建勛， 楊善勝， 羅彥斌， 等. 軟弱圍巖隧道取消系統錨桿的現場試驗研究［J］. 巖土力學，2011， 32（1）：15-20.

［4］ 趙旭峰. 擠壓性圍巖隧道施工時空效應及其大變形控制研究［D］. 上海：同濟大學， 2007.

［5］ 洪開榮， 楊朝帥， 李建華. 超前支護對軟巖隧道空間變形的影響分析［J］. 地下空間與工程學報，2014， 10（2）：429-433+440.

［6］ 應華峰，王連勇，葉暉，等.軟巖隧道超前預加固布置優化與地層力學響應［J］.公路，2022，67（6）：378-385.

［7］ 毛燕飛. 基于巖土控制變形分析法的軟弱圍巖隧道開挖變形控制技術［D］. 西安：長安大學， 2015.

［8］ 賈濤. 基于新意法的隧道工程施工原理及其應用研究［D］. 西安：長安大學， 2016.

［基金項目］國家自然科學基金（項目編號：51678062、52108360）

［作者簡介］吳鋼偉（1975—），男，碩士，高級工程師，從事市政道路橋梁施工管理工作；朱愛民（1979—），男，本科，教授級工程師，從事公路工程施工管理工作；嚴小俊（1989—），男，本科，工程師，研究方向為公路工程。

［通信作者］任超（1993—），男，碩士，研究方向為公路隧道結構力學特性。