考慮滲流影響的軟弱圍巖地層土拱效應(yīng)研究

【摘 要】為了解滲流影響下的隧道開挖導(dǎo)致的地層土拱變化，通過有限差分?jǐn)?shù)值模擬對軟弱圍巖地層隧道施工進(jìn)行流固耦合研究，結(jié)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(zhuǎn)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(wěn)，需加強超前預(yù)報以及施加超前預(yù)加固措施，研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】山嶺隧道； 軟弱圍巖； 數(shù)值模擬； 地層變位； 開挖面穩(wěn)定

【中圖分類號】U451+.2【文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行隧道開挖時，極易引起隧道開挖失穩(wěn)，地層沉降過大等問題。因此，關(guān)注軟巖地層內(nèi)部應(yīng)力變化情況以及開挖面的穩(wěn)定是施工過程中的重點。

現(xiàn)階段已有大量學(xué)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(xué)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(yīng)于軟巖結(jié)構(gòu)安全的計算方法；陳建勛等［3］、趙旭峰［4］學(xué)者從現(xiàn)場原位監(jiān)測的角度，對軟弱圍巖隧道中的支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖力學(xué)行為進(jìn)行了研究，洪開榮等［5］、應(yīng)華峰等［6］學(xué)者依托數(shù)值模擬手段，分析了軟弱圍巖隧道施工過程中的超前預(yù)加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)理，并提出了不同工況的最優(yōu)支護(hù)結(jié)構(gòu)。毛燕飛［7］、賈濤［8］學(xué)者結(jié)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(jìn)行研究，并分析了開挖面的擠出變形規(guī)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(guān)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?jǐn)?shù)值模擬對既有隧道工程進(jìn)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(yīng)發(fā)展與開挖面穩(wěn)定，并針對性的提出了滲流影響下的開挖面支護(hù)措施。為類似工程提供參考。

1 數(shù)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(shè)計參數(shù)，建立數(shù)值分析模型。已知東家山隧道為雙線四車道隧道，設(shè)計行車速度為100 km/h，施工現(xiàn)場地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，隧道洞身穿越殘坡積和強～中風(fēng)化泥巖，整體松散，工程性質(zhì)較差，綜合判定為Ⅴ級圍巖，且隧址區(qū)地層節(jié)理裂隙發(fā)育，在雨季施工過程中容易出現(xiàn)突泥涌水現(xiàn)象。結(jié)合有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC 3D對東家山隧道進(jìn)行研究，如圖1所示，為提高計算效率，設(shè)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(jìn)行開挖。在模型底部施加固定約束，側(cè)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(fā)生變形。

圍巖本構(gòu)設(shè)置為摩爾-庫倫模型，初期支護(hù)，二次襯砌設(shè)置為彈性模型，開挖部分為空模型，為克服模型的邊界效應(yīng)，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(xué)參數(shù)見表1，初支、二襯的參數(shù)見表2。

二襯2523.7510.96層土拱效應(yīng)以及開挖面穩(wěn)定性的發(fā)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(shè)置為飽和滲流，根據(jù)現(xiàn)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(jié)果分析

2.1 滲流對地層土拱效應(yīng)影響

軟弱圍巖地層工程性質(zhì)較差，為研究地下滲流水對開挖面及其后上方土體穩(wěn)定性的影響，需要從土拱效應(yīng)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(yīng)力，根據(jù)隧道開挖面前后的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力和豎直應(yīng)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(yīng)力與水平應(yīng)力均呈現(xiàn)線性變化的趨勢，在隧道開挖后，由于開挖擾動地層應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力重分布，水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力均迅速減小，隧道距離拱頂高度的增加，圍巖的應(yīng)力逐漸恢復(fù)至正常開挖水平。

根據(jù)文獻(xiàn)研究內(nèi)容，地層土拱邊界是開挖后地層最大主應(yīng)力出現(xiàn)的位置，據(jù)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(yīng)力重分布產(chǎn)生的地層土拱區(qū)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(qū)域為拱頂22 m處，地下水的作用增大的地層的松動范圍，導(dǎo)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(wěn)定性影響

開挖面穩(wěn)定是軟弱圍巖隧道施工過程中必須重點關(guān)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(jìn)行對比，主要分析兩種工況下對應(yīng)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(fā)現(xiàn)，不考慮滲流情況，開挖面擠出變形明顯，最大變形出現(xiàn)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(guī)律有所差異，最大變形出現(xiàn)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(wěn)定性較差，與此同時，對比分析兩種工況下的地層受影響區(qū)域不難發(fā)現(xiàn)，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(yīng)該增加相應(yīng)的預(yù)加固措施提高開挖面以及深部土體強度，提高開挖面穩(wěn)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(guān)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(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行計算，對比兩個工況的沉降變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，隧道開挖導(dǎo)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(rèn)為，地下水對地層沉降的影響有限，但不可忽略（圖7）。

3 結(jié)束語

本文通過對考慮滲流和不考慮滲流兩種工況的數(shù)值模擬對比研究，主要結(jié)論：

（1）對比兩種工況的土拱效應(yīng)，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(yīng)力重分布范圍有所擴(kuò)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(yīng)加強超前預(yù)報并輔助超前預(yù)加固錨桿提高圍巖穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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

［2］ 何滿潮， 景海河， 孫曉明. 軟巖工程地質(zhì)力學(xué)研究進(jìn)展［J］. 工程地質(zhì)學(xué)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(tǒng)錨桿的現(xiàn)場試驗研究［J］. 巖土力學(xué)，2011， 32（1）：15-20.

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

［6］ 應(yīng)華峰，王連勇，葉暉，等.軟巖隧道超前預(yù)加固布置優(yōu)化與地層力學(xué)響應(yīng)［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(shù)［D］. 西安：長安大學(xué)， 2015.

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

［基金項目］國家自然科學(xué)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(yán)小?。?989—），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(jié)構(gòu)力學(xué)特性。