軟巖地區(qū)隧道圍巖劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)變形特性研究

中圖分類號：U452. 1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.023

文章編號：1673-4874（2025）04-0081-04

0 引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，眾多隧道工程應(yīng)運(yùn)而生。這些工程在改善交通條件和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，不可避免地面臨穿越不良地質(zhì)區(qū)域的挑戰(zhàn)[1。在不良地質(zhì)條件下，圍巖的劣化往往會加劇隧道的變形，對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

自前，許多學(xué)者對相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究。馮強(qiáng)等2針對寒區(qū)隧道圍巖凍融損傷導(dǎo)致劣化的現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取了不同凍融次數(shù)下的圍巖變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)，并利用ABAQUS軟件對隧道長期穩(wěn)定性進(jìn)行分析。張帥等[3分析了高地應(yīng)力軟巖隧道開挖過程中的圍巖大變形機(jī)理，建立了考慮圍巖劣化的深埋圓形隧道圍巖力學(xué)模型，并提出相應(yīng)的支護(hù)措施。吳祥業(yè)等4通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等手段研究了巖石微觀結(jié)構(gòu)和圍巖劣化程度之間的定量關(guān)系，構(gòu)建了巷道圍巖劣化破壞預(yù)警方法。劉志國等5依托陜西某隧道，研究復(fù)雜地下水環(huán)境下，隧道膏溶角礫巖劣化特征，系統(tǒng)分析流速和干濕循環(huán)次數(shù)對圍巖力學(xué)參數(shù)劣化的影響。牟輝疆等[針對泥質(zhì)砂巖遇水劣化這一現(xiàn)象，開展不同浸潤時(shí)間的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，以分析泥質(zhì)砂巖的濕度劣化過程，并通過數(shù)值模擬對圍巖劣化條件下隧道施工期和運(yùn)行期的安全性進(jìn)行研究。

本文選用FLAC3D軟件對某軟巖地區(qū)的深埋隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在不同地下水初始水位高度及圍巖劣化條件下，隧道圍巖的變形和應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。研究成果揭示了地下水和圍巖劣化對隧道結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，為類似工程的安全施工提供了重要的理論支持和參考依據(jù)。

1工程背景

本文以甘肅省某隧道為研究背景。該隧道埋深為120m，地層從上至下依次為泥巖夾砂巖、砂巖夾泥巖，遇水易軟化。此外，受氣候影響，該地區(qū)沖溝發(fā)育，地表水系不發(fā)達(dá)，但是地下水埋藏豐富且區(qū)域分布不均勻，局部地段水資源豐富，而局部地區(qū)相對干旱，這給隧道開挖施工造成了較大的影響。因此，需要研究地下水位高度和圍巖劣化等因素對施工過程中隧道圍巖變形的影響。

2模型建立與參數(shù)選擇

由于實(shí)際工程地質(zhì)情況復(fù)雜，數(shù)值模擬過程中對地層條件進(jìn)行簡化，設(shè)置圍巖等級為V級?？紤]到邊界效應(yīng)，根據(jù)隧道最大洞徑和高度，確定三維模型尺寸為140m×120m×48m 。根據(jù)實(shí)際工程情況確定隧道初支為30cm厚的C25混凝土，二次襯砌為C45鋼筋混凝土，其底板和仰拱部位厚度為65cm。設(shè)置模型底部為全約束，四周為法向約束，頂部無約束。在隧道中間斷面的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。三維模型和監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

假定圍巖和初支結(jié)構(gòu)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性材料，選用摩爾一庫侖模型模擬，二次襯砌選用彈性模型，具體參數(shù)如表1所示。隧道開挖采用三臺階法，依據(jù)實(shí)際施工步驟進(jìn)行。設(shè)置上、中、下臺階長度為 4m ，隧道每次開挖進(jìn)尺為1m，仰拱的開挖進(jìn)尺為2m。當(dāng)上臺階開挖24m時(shí)，進(jìn)行二次襯砌，每次長度為12m。循環(huán)上述步驟，直至隧道開挖襯砌完成。

圖1隧道三維模型圖

表1隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3未劣化條件下水位高度對圍巖的影響

為研究在圍巖未劣化情況下，不同初始水位高度對隧道施工過程中圍巖變形的影響，分別進(jìn)行了無地下水、初始水位高度分別距拱頂0m、15m、30m和45m五種工況的數(shù)值模擬分析。

施工完成后，監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移和水平位移如圖2所示。由圖2可知，隨著地下水初始水位高度的增加，除拱腳外，各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值均呈線性增長的趨勢，其中拱頂沉降和拱底隆起的變化明顯。對比無地下水工況，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱頂沉降從23. 50mm 增大至 34.47mm ，增幅為46. 68% ，拱底隆起從24. 35mm 增大至36. 50mm ，增幅為49. 90% 。拱底隆起的增幅高于拱頂沉降，究其原因是隧道頂部趨近圓形，底部趨近平面，頂部襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)效果更優(yōu)。

由于模型為沿隧道中軸線左右對稱，隧道施工后的水平位移呈左右對稱分布，故隧道拱頂和拱底的水平位移恒為零。拱肩、拱腰、拱腳的水平位移隨著地下水初始水位高度的增加呈現(xiàn)出線性增長趨勢，其中拱腰位置的水平位移最為明顯。對比無地下水工況可知，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱腰水平收斂從10.37mm增大至19.91mm，增幅為 92% 。

分析各工況時(shí)襯砌外部水壓力變化可知，隨著地下水位高度的增加，各監(jiān)測點(diǎn)的襯砌結(jié)構(gòu)外部水壓力均呈現(xiàn)出線性增長趨勢，其中拱腳處的外水壓力始終保持最大。

分析各工況時(shí)襯砌應(yīng)力可知，襯砌外側(cè)最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰處，地下水位高度的增加，對拱頂和拱底處的豎向位移影響較小，而其余監(jiān)測點(diǎn)豎向應(yīng)力均有明顯增大。襯砌外側(cè)最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，地下水位高度的增加對拱腰處的水平應(yīng)力影響較小，其余監(jiān)測點(diǎn)水平位移均有明顯增大。

圖2不同工況下監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲線圖

結(jié)合圍巖位移可知，地下水位高度的增加，增大了襯砌外水壓力，導(dǎo)致襯砌外側(cè)受到更大的豎向和水平應(yīng)力，從而引發(fā)更大的圍巖變形。

4劣化條件下水位高度對圍巖的影響

由于依托隧道圍巖為泥巖，遇水易出現(xiàn)軟化。本文采用折減圍巖強(qiáng)度和彈性模量的方式模擬圍巖劣化作用。折減后圍巖彈性模量為525MPa，泊松比為0.39，內(nèi)摩擦角為 22^° ，黏聚力為0.15 MPa ，滲透系數(shù)為 5.24× 10^-5 ，孔隙比為 $0 . 3 5 。$ 分別根據(jù)無地下水、初始水位高度距拱頂0m、15m、30m和45m五種工況進(jìn)行圍巖強(qiáng)度和彈性模量折減，并進(jìn)行隧道施工模擬。

由前文可知，隧道拱頂沉降和拱底隆起受初始水位高度影響較大。繪制不同工況下隧道拱頂沉降和拱底隆起隨施工變化的曲線，如圖3所示。由圖3可知，不同工況下，拱頂沉降和拱底隆起的變化規(guī)律基本一致。在圍巖劣化的條件下，隨著地下水位的提高，拱頂沉降和拱底隆起均出現(xiàn)大幅的增加。相較而言，拱頂沉降的變化速率更快，而拱底隆起最終值更大。對比無地下水工況可知，圍巖劣化條件下，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱頂沉降從23.50mm增大至70. 32mm ，增幅為199. 23% ，拱底隆起從24.35mm增大至82.85mm，增幅為240. 24% 。在圍巖劣化工況下，當(dāng)?shù)叵滤桓叨葟木喙绊?m漲至距拱頂15m時(shí)，拱頂沉降值變化最為明顯；從30m漲至45m時(shí)，拱底隆起值變化最為明顯。由此可知，當(dāng)?shù)叵滤桓叨瘸^一定范圍后，圍巖變形會發(fā)生突增。

圖3圍巖劣化對不同水位高度下的監(jiān)測點(diǎn)豎向位移曲線圖

圖4圍巖劣化對不同水位高度下的監(jiān)測點(diǎn)水平位移曲線圖

由前文可知，隧道拱腰和拱腳水平位移受初始水位高度影響較大，故繪制不同工況下，隧道拱腰和拱腳處水平位移隨施工的變化曲線，如圖4所示。由圖4可知，不同工況下，拱腰和拱腳水平位移隨著隧道開挖的規(guī)律基本一致。在圍巖劣化條件下，隨著地下水位的提高，拱腰和拱腳水平位移均出現(xiàn)顯著增加。對比無地下水工況可知，圍巖劣化條件下，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱腰水平收斂位移從10.37mm增大至 47.51mm ，增幅為358. 15% ，拱腳水平收斂從9.92mm增大至45.66mm，增幅為360. 28% 。

相同水位高度時(shí)，圍巖未劣化和劣化條件下的拱頂沉降值、拱底隆起值、拱腰和拱腳水平位移值如表2所示。由表2可知，圍巖劣化時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)水平位移較未劣化情況下均有明顯增加。而地下水豐富時(shí)，圍巖劣化作用產(chǎn)生的影響更大。

單位：mm

表2圍巖未劣化和劣化條件下變形對比表

采用FISH語言進(jìn)行二次開發(fā)，提取到圍巖劣化條件下，水位高度自距拱頂0m增長至45m時(shí)，圍巖每延米塑性區(qū)面積分別為227.69 m³ 、260.55 m³ 、320.98m、576.12 m³ 。即在圍巖劣化條件下，隨著地下水位的不斷升高，圍巖塑性區(qū)面積明顯增加。當(dāng)水位高度從30m增加至45m時(shí)，塑性區(qū)面積增幅最大，即此區(qū)間內(nèi)圍巖劣化對穩(wěn)定性的影響最為顯著。

分析各工況時(shí)襯砌應(yīng)力可知，襯砌外側(cè)最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰處，隨著地下水位高度的增加，最大豎向應(yīng)力值從7.10MPa增長至7.80 MPa， 。襯砌外側(cè)最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，隨著地下水位高度的增加，最大水平應(yīng)力值從6.34MPa增加至8.28 MPa， 。當(dāng)?shù)叵滤桓叨认嗤瑫r(shí)，在圍巖劣化條件下，襯砌應(yīng)力明顯高于未劣化時(shí)。

5結(jié)語

本文利用FLAC3D軟件對某軟巖地區(qū)深埋隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同初始水位高度及圍巖劣化條件下，隧道圍巖的變形及應(yīng)力特性。具體結(jié)論如下：

（1）隨著初始水位高度的增加，隧道圍巖變形明顯增大，最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂和拱底處，均呈線性增長趨勢；最大水平位移出現(xiàn)在拱腰處，隨水位高度變化增幅明顯。

（2）襯砌外部水壓力和應(yīng)力隨著初始水位高度的增加而呈現(xiàn)出線性增長的趨勢，而在拱腰和拱頂位置的增幅更為明顯，故可知這些部位對地下水變化敏感，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。

（3）當(dāng)?shù)叵滤桓叨纫恢聲r(shí)，圍巖劣化工況相較于圍巖未劣化的工況，隧道圍巖變形和襯砌應(yīng)力都有明顯增加，這表明圍巖劣化對隧道穩(wěn)定性和安全性有嚴(yán)重影響。

綜上所述，地下水位高度和圍巖劣化對隧道圍巖的穩(wěn)定性具有顯著影響。在實(shí)際工程中，應(yīng)特別關(guān)注地下水位的控制以及圍巖劣化的防治措施，合理控制地下水位并采取有效措施防止圍巖劣化，以確保隧道施工的安全與穩(wěn)定。這些研究結(jié)果為隧道設(shè)計(jì)與施工提供了重要的參考依據(jù)。

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