富水砂層影響下隧道開挖失穩(wěn)破壞機(jī)理研究

摘要：為研究富水砂層影響下隧道開挖失穩(wěn)破壞機(jī)理，文章依托某隧道實(shí)際工程，通過(guò)FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等因素影響，分析各因素對(duì)圍巖變形破壞的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隧道拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值明顯大于其他位置的地表沉降值，拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移隨著深度的增加而逐漸增大，隧道拱頂位置的沉降達(dá)到最大值；隨著富水砂層厚度的逐漸減小以及隔水層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小；富水砂層和隔水層的厚度對(duì)隧道圍巖變形存在較大影響，在隧道的選線過(guò)程中，應(yīng)保證隧道拱頂與富水砂層之間存在足夠的安全距離；隨著隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小。在隧道施工過(guò)程中，可考慮通過(guò)超前加固措施或者向隔水層進(jìn)行注漿加固以提高隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角，降低隔水層的滲透性。

關(guān)鍵詞：富水砂層；隧道圍巖；數(shù)值計(jì)算；FLAC 3D

中圖分類號(hào)：U458.1A290954

0 引言

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的大背景下，大量的公路、鐵路線路均需要建設(shè)大量隧道。我國(guó)已成為現(xiàn)今世界上隧道數(shù)量最多、規(guī)模最大、工程條件最復(fù)雜、技術(shù)發(fā)展最迅速的國(guó)家［1］。由于我國(guó)的地形地貌千差萬(wàn)別，山區(qū)面積較大，工程地質(zhì)情況極其復(fù)雜，在隧道建設(shè)過(guò)程中往往不可避免地需要穿越富水地層、軟弱地層、流砂層等不良地質(zhì)區(qū)域，給隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。我國(guó)對(duì)于穿越富水地層的隧道圍巖穩(wěn)定性以及隧道滲流場(chǎng)的研究已有了較多成果。于晨昀等［2］為研究臨近富水破碎構(gòu)造帶的隧道開挖面的穩(wěn)定性問(wèn)題，建立考慮滲流影響的開挖面巖體破裂角的極限平衡方程，進(jìn)行牛頓法迭代求解，計(jì)算分析巖體破裂角的變化規(guī)律。劉平等［3］以某地鐵隧道實(shí)際工程為例，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，研究了地下水位、流砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。李清川等［4］以某上覆流沙層地鐵隧道實(shí)際工程為例，建立開挖面失穩(wěn)破壞力學(xué)模型并進(jìn)行隧道穩(wěn)定性上限分析，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算隧道開挖面安全系數(shù)，得到了不同開挖面的臨界土體破裂范圍及破壞模式。張向東等［5］以某隧道實(shí)際工程為例，針對(duì)滲流條件下的深埋富水隧道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行流固耦合計(jì)算。方江華等［6］以地鐵富水砂層大斷面暗挖隧道工程為例，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，得到地層孔隙水壓力、沉降演化過(guò)程，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。馬少坤等［7］建立了有限含水層內(nèi)帶襯砌的隧道滲流模型，基于鏡像法將其轉(zhuǎn)化為無(wú)限平面內(nèi)直線多隧道滲流模型，推導(dǎo)出水頭及涌水量的解析公式。蘭慶男等［8］基于滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的雙場(chǎng)耦合理論，從圍巖滲流場(chǎng)分布規(guī)律、襯砌結(jié)構(gòu)排水泄壓能力和力學(xué)性能等方面評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性，研究盲管間距對(duì)襯砌排水泄壓能力的影響。

由于富水砂層導(dǎo)致隧道圍巖變形破壞的影響因素較多，對(duì)該地質(zhì)條件下的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。鑒于此，本文依托某隧道實(shí)際工程，通過(guò)FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等因素影響，分析各因素對(duì)圍巖變形破壞的影響規(guī)律，以期為實(shí)際隧道工程施工和后續(xù)的研究作出貢獻(xiàn)。

1 工程背景與數(shù)值建模

1.1 工程概況

本文以某隧道實(shí)際工程為例，對(duì)穿越富水砂層的隧道圍巖穩(wěn)定性及影響因素進(jìn)行研究。隧道埋深為9～15 m，采用礦山法進(jìn)行施工。地層巖性組成自上而下分別為：人工素填土、富水砂層、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化花崗巖。隧址區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，主要以水平運(yùn)動(dòng)和差異性升降為主，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。地下水位距離地表約4～6 m，隧道拱頂和地表之間存在0.5～3 m的富水砂層，在地下水滲流的作用下，隧道拱頂位置出現(xiàn)較大沉降，且在局部位置出現(xiàn)突水涌砂現(xiàn)象，給工程造成了較大的安全隱患。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文通過(guò)FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型，模型依據(jù)實(shí)際隧道斷面建立。其中，隧道洞徑r=6.4 m，隧道埋深h=15.0 m，富水砂層厚度t=2.0 m，隧道拱頂至富水砂層底部間的隔水層厚度d=4.0 m，地下水位hw=6.0 m。為減小由邊界效應(yīng)引起的計(jì)算誤差，圍巖采用3.5倍洞徑建立，建立數(shù)值模型如圖1所示。

邊界條件設(shè)置為：模型四周約束法向位移，模型底面約束水平和法向位移；初始地應(yīng)力場(chǎng)僅為重力場(chǎng)，豎直方向上按巖土自重考慮，在模型完成初始地應(yīng)力平衡后，執(zhí)行隧道開挖的命令，將模型四周邊界設(shè)為不透水邊界，底面為固定孔隙水壓力邊界，隧道開挖面設(shè)置為透水邊界，地下水采用各向同性滲流模型進(jìn)行計(jì)算模擬。

1.3 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

巖土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3370.1-2018），選取的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2 圍巖變形破壞的影響因素研究

為研究不同因素對(duì)富水砂層影響下的隧道圍巖變形破壞的影響規(guī)律，本節(jié)重點(diǎn)考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角四類因素，設(shè)計(jì)不同的數(shù)值計(jì)算工況。

2.1 富水砂層厚度

為了研究富水砂層厚度對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取富水砂層厚度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同富水砂層厚度下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移情況如圖2所示。

由圖2可知，地表沉降曲線呈現(xiàn)下凹型，拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值明顯大于其他位置的地表沉降值，拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移隨著深度的增加而逐漸增大，隧道拱頂位置的沉降達(dá)到最大值。隨著富水砂層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移也在不斷增大，當(dāng)富水砂層厚度從1 m增大到5 m時(shí)，隧道拱頂位置的沉降值由129.4 mm增大到230.3 mm，增幅達(dá)到了77.9%，拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值由66.9 mm增大到127.9 mm，增幅達(dá)到了91.2%，隧道底部位置的隆起量由51.3 mm增大到52.5 mm，增加了2.3%。由此可知，富水砂層的厚度對(duì)隧道圍巖變形存在較大影響，在隧道選線的過(guò)程中應(yīng)盡量避免穿越較厚的富水砂層。

2.2 隔水層厚度

為了研究隔水層厚度對(duì)隧道圍巖變形破壞的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取隔水層厚度為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同隔水層厚度下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移情況如圖3所示。

由圖3可知，隨著隔水層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小，當(dāng)隔水層厚度從2 m增大到6 m時(shí)，隧道拱頂位置的沉降值由363.1 mm減小到103.5 mm，降幅達(dá)到了71.5%，拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值由134.8 mm減小到55.5 mm，降幅達(dá)到了58.8%，隧道底部位置的隆起量由49.1 mm減小到47.9 mm，減小了2.4%。由此可知，隔水層的厚度對(duì)隧道圍巖變形存在較大影響，增大隔水層厚度能在很大程度上減小隧道圍巖的變形，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，從而增大隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全儲(chǔ)備。

2.3 隔水層粘聚力

為了研究隔水層粘聚力對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取隔水層粘聚力為100 kPa、120 kPa、140 kPa、160 kPa、180 kPa進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同隔水層粘聚力下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著隔水層粘聚力的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移也在不斷減小，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隔水層粘聚力從100 kPa增大到120 kPa時(shí)圍巖變形減小的幅度遠(yuǎn)大于隔水層粘聚力從120 kPa增大到180 kPa時(shí)圍巖變形減小的幅度。當(dāng)隔水層粘聚力從100 kPa增大到180 kPa時(shí)，隧道拱頂位置的沉降值由437.7 mm減小到63.0 mm，降幅為85.6%，拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值由222.4 mm減小到33.7 mm，降幅達(dá)到了84.8%，隧道底部位置的隆起量由64.8 mm減小到40.2 mm，減小了40.0%。而當(dāng)隔水層粘聚力從100 kPa增大到120 kPa時(shí)，隧道拱頂位置的沉降值由437.7 mm減小到129.4 mm，降幅達(dá)到了70.4%，拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值由222.4 mm減小到72.9 mm，降幅達(dá)到了67.2%，隧道底部位置的隆起量由64.8 mm減小到55.1 mm，減小了15.0%。由此可知，隔水層粘聚力對(duì)隧道圍巖變形存在較大影響，隔水層粘聚力lt;120 kPa時(shí)隧道圍巖會(huì)產(chǎn)生較大變形，增大隔水層粘聚力能在很大程度上減小隧道圍巖的變形，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。

2.4 隔水層內(nèi)摩擦角

為了研究隔水層內(nèi)摩擦角對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取隔水層內(nèi)摩擦角為16°、18°、20°、22°、24°進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同隔水層內(nèi)摩擦角下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移如下頁(yè)圖5所示。

由圖5可知，隨著隔水層內(nèi)摩擦角的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小，當(dāng)隔水層內(nèi)摩擦角從16°增大到24°時(shí)，隧道拱頂位置的沉降值由162.2 mm減小到124.1 mm，減小了23.5%，拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值由89.8 mm減小到62.5 mm，減小了30.4%，隧道底部位置的隆起量由51.8 mm減小到50.2 mm，減小了3.1%。由此可知，隔水層內(nèi)摩擦角對(duì)隧道圍巖變形存在一定的影響，但影響程度小于富水砂層厚度、隔水層厚度和隔水層粘聚力。增大隔水層內(nèi)摩擦角能在一定程度上減小隧道圍巖的變形，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，通過(guò)向隔水層進(jìn)行注漿這一措施不僅可以提高隔水層粘聚力，在很大程度上也可以提高隔水層內(nèi)摩擦角，因此可以優(yōu)先考慮對(duì)隧道隔水層進(jìn)行注漿，以增大隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全儲(chǔ)備。

3 工程措施建議

根據(jù)上文數(shù)值模擬得到的結(jié)果可知，對(duì)于在富水砂層影響下的隧道，拱頂位置的圍巖變形最大，在隧道開挖過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，富水砂層厚度、隔水層厚度和隔水層粘聚力對(duì)隧道圍巖變形的影響應(yīng)較為明顯。本文針對(duì)此類隧道工程的設(shè)計(jì)施工提出下列工程措施建議：

（1）在隧道的選線過(guò)程中，隧道應(yīng)盡量避免穿越厚度較大的富水砂層，減小隧道施工和運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生突水涌砂事故的風(fēng)險(xiǎn)。若無(wú)法避免穿越厚度較大的富水砂層，應(yīng)盡量增大隔水層厚度，保證隧道拱頂與富水砂層之間存在足夠的安全距離，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，隔水層厚度應(yīng)gt;4 m。

（2）隧道拱頂位置的圍巖變形最大，因此，除了在隧道開挖過(guò)程中采取必要的支護(hù)手段外，還應(yīng)對(duì)隧道拱頂位置采取額外的支護(hù)措施，防止隧道發(fā)生突水涌砂，甚至塌方事故，增大安全儲(chǔ)備。

（3）根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，隔水層粘聚力對(duì)圍巖變形影響最為顯著，當(dāng)粘聚力lt;120 kPa時(shí)隧道圍巖會(huì)產(chǎn)生較大變形，提高隔水層粘聚力可大大提高隧道的安全儲(chǔ)備。在隧道施工過(guò)程中，可考慮通過(guò)超前管棚等超前加固措施或者向隔水層進(jìn)行注漿加固的措施提高隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角，降低隔水層的滲透性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托某隧道實(shí)際工程，通過(guò)FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等因素影響，分析各因素對(duì)圍巖變形破壞的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）隧道上方地表沉降曲線呈現(xiàn)下凹型，拱頂對(duì)應(yīng)位置的地表沉降值明顯大于其他位置的地表沉降值，拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移隨著深度的增加而逐漸增大，隧道拱頂位置的沉降達(dá)到最大值。

（2）隨著富水砂層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移也在不斷增大；隨著隔水層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小。富水砂層和隔水層的厚度對(duì)隧道圍巖變形存在較大影響，在隧道的選線過(guò)程中，隧道應(yīng)盡量避免穿越厚度較大的富水砂層，若無(wú)法避免穿越厚度較大的富水砂層，應(yīng)盡量增大隔水層厚度，保證隧道拱頂與富水砂層之間存在足夠的安全距離。

（3）隨著隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移在不斷減小，隔水層粘聚力對(duì)隧道圍巖變形存在較大影響，隔水層內(nèi)摩擦角對(duì)隧道圍巖變形存在一定的影響，但影響程度小于富水砂層厚度、隔水層厚度和隔水層粘聚力。提高隔水層粘聚力可大大提高隧道的安全儲(chǔ)備。在隧道施工過(guò)程中，可考慮通過(guò)超前管棚等超前加固措施或者向隔水層進(jìn)行注漿加固的措施提高隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角，降低隔水層的滲透性。

參考文獻(xiàn)

［1］王夢(mèng)恕.中國(guó)盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題及發(fā)展思路［J］.隧道建設(shè)，2014，34（3）：179-187.

［2］于晨昀，項(xiàng)彥勇，孫俊豪.臨近富水破碎構(gòu)造帶隧道開挖面穩(wěn)定性的極限平衡分析［J］.水利水電技術(shù)，2020，51（S2）：380-384.

［3］劉 平，劉 池，王洪濤，等.富水砂層影響下隧道圍巖變形破壞機(jī)制的數(shù)值模擬研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（4）：74-81.

［4］李清川，李術(shù)才，王漢鵬，等.上覆流沙層隧道開挖面穩(wěn)定性分析與數(shù)值試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2018，39（7）：2 681-2 690.

［5］張向東，李亦芃，李慶文，等.考慮流固耦合效應(yīng)深埋富水隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2018，35（10）：98-103，108.

［6］方江華，姜平偉，郭朋亮，等.富水砂層大斷面暗挖隧道施工地層演化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，202 21（20）：8 621-8 628.

［7］馬少坤，陳彩潔，段智博，等.基于鏡像法的有限含水層內(nèi)隧道滲流場(chǎng)解析解及其驗(yàn)證［J］.工程力學(xué)，2023，40（5）：172-181.

［8］蘭慶男，許 芃，陶偉明，等.隧道集水廊道底板型襯砌結(jié)構(gòu)排水泄壓能力研究［J］.人民長(zhǎng)江，202 53（7）：142-147.

收稿日期：2023-10-23

基金項(xiàng)目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“FRP增強(qiáng)ECC橋面連接板優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究”（編號(hào)：2022KY1400）；

2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于BIM的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估及信息管理研究”（編號(hào)：2022KY1405）；

2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于BIM的鐵路橋隧參數(shù)化建模及運(yùn)維監(jiān)測(cè)信息可視化管理”（編號(hào)：2023KY1436）

作者簡(jiǎn)介：左海平（1990—），碩士，講師，研究方向：工程施工技術(shù)。