軟弱夾層條件下隧道圍巖變形特性及穩(wěn)定性研究

摘要：為研究含軟弱夾層地層隧道圍巖變形特性，文章依托某高速公路隧道工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值建模與計(jì)算，分析了不同工況下穿越含軟弱夾層地層的隧道圍巖變形特性，并以兩種軟弱夾層工況為例，考慮軟弱夾層傾角和軟弱夾層厚度兩個影響因素，分析各因素對圍巖變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明：拱頂、右拱腰和右拱腳位置的豎向位移均在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，拱底、左拱腳和左拱腰位置均在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值；右拱腳、左拱腰和左拱腳位置的水平位移最大值分別出現(xiàn)在軟弱夾層角度為30°、45°和60°時(shí)；拱頂、左拱腰和右拱腰位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而增大，左拱腳位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而減小，左拱腰和右拱腰的水平位移隨軟弱夾層厚度的增大而明顯增大。

關(guān)鍵詞：軟弱夾層；隧道圍巖；變形特性；FLAC 3D

中文分類號：U456.3+1A531754

0引言

在交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的大背景下，我國計(jì)劃修建大量公路和鐵路。然而由于我國地形復(fù)雜，平原地區(qū)僅占國土面積的10%左右，山區(qū)面積較大，在修建公路和鐵路時(shí)往往要進(jìn)行大量隧道工程的建設(shè)，需要著重關(guān)注圍巖穩(wěn)定性問題。大量工程實(shí)踐顯示，在工程地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)建設(shè)隧道過程中往往不可避免地需要穿越軟弱地層等不良地質(zhì)區(qū)域，進(jìn)而引起圍巖失穩(wěn)、隧道塌方。因此，研究穿越軟弱地層的隧道圍巖穩(wěn)定性問題對隧道的設(shè)計(jì)及施工具有重要參考價(jià)值。

目前對穿越軟弱地層的隧道圍巖穩(wěn)定性研究已有了較多成果。肖楊等［1］依托某軟弱圍巖連拱隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，分析了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)下圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，得到最優(yōu)的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。楊康等［2］依托廣西鳳山縣軟弱圍巖隧道實(shí)際工程，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了隧道開挖過程中不同圍巖等級、不同初期支護(hù)混凝土厚度工況下隧道圍巖的變形特征。吳啟勇［3］依托泉三高速公路新瓊隧道擴(kuò)建工程，利用Midas GTS軟件建立三維數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，分析了隧道擴(kuò)建過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及圍巖變形特征，并對加固措施的效果進(jìn)行評價(jià)。零漢能［4］依托某單洞鐵路隧道，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了軟弱地層隧道施加二次襯砌后圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)分布特征。劉曉飛等［5］依托觀音山隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，針對Ⅳ級、Ⅴ級圍巖分別計(jì)算了不同施工方法工況下開挖間距對拱頂沉降的影響，并研究了相同圍巖等級下不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，確定了合理的隧道支護(hù)方案。任家葦?shù)龋?］利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了巷道穿越含軟弱夾層地層時(shí)的圍巖穩(wěn)定性問題，分析了巷道埋深、軟弱夾層位置和軟弱夾層傾角對巷道圍巖變形特征的影響。

張文濤等［7］依托滇西某鉛鋅礦的巷道工程，利用有限元軟件建立數(shù)值模擬，考慮圍巖松動圈的影響，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性驗(yàn)算，基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉俊學(xué)等［8］依托樂漢高速公路豹貍崗隧道工程，考慮圍巖破碎及軟弱夾層的影響，利用3DEC塊體離散元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了不同開挖進(jìn)尺條件下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征?？岛２ǖ龋?］通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了不同軟弱夾層傾角工況下隧道穿越含軟弱夾層地層時(shí)隧道圍巖的變形特征。

本文依托某高速公路隧道工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值建模與計(jì)算，分析了不同工況下穿越含軟弱夾層地層的隧道圍巖變形特性，并以兩條軟弱夾層工況為例，考慮軟弱夾層傾角和軟弱夾層厚度兩個影響因素，分析各因素對圍巖變形的影響規(guī)律。

1工程背景與數(shù)值建模

本文以某高速公路隧道工程為例，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對穿越含軟弱夾層地層的隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。隧址區(qū)地勢起伏較大，隧道的最大埋深為150 m，地層為含軟弱夾層的中風(fēng)化砂巖，軟弱夾層的類型主要為泥巖和強(qiáng)風(fēng)化頁巖。隧道圍巖等級為Ⅳ級和Ⅴ級，地下水較為發(fā)育。數(shù)值模型依據(jù)隧道實(shí)際斷面進(jìn)行建立，其中隧道凈寬w=11.2 m，凈高h(yuǎn)=8.7 m。為盡可能消除因邊界效應(yīng)導(dǎo)致的計(jì)算誤差，選取模型尺寸為90 m×40 m×100 m（長×寬×高）。隧道斷面分布有相互平行的兩條軟弱夾層，厚度均為1 m，與水平方向的夾角為45°，其中軟弱夾層Ⅰ穿過隧道中心，軟弱夾層Ⅱ不穿過隧道，與隧道輪廓邊緣垂直距離相距1 m。建立數(shù)值模型如下頁圖1所示。

隧道采用兩臺階法進(jìn)行開挖，每個施工步為2 m，且上下臺階開挖面相距8 m，即上臺階先開挖8 m后，下臺階與上臺階繼續(xù)同時(shí)開挖。取隧道縱向的中間斷面，即Y=20 m的斷面為監(jiān)測面。監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

模型邊界條件為：模型上邊界為自由邊界，模型下邊界施加水平和豎直方向的約束；模型側(cè)面施加垂直側(cè)面的約束。巖土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，圍巖等級為Ⅳ級，軟弱夾層為Ⅴ級圍巖，巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。在隧道開挖過程中只考慮初期支護(hù)，其中支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用線彈性模型，彈性模量為20.0 GPa，泊松比為0.2，等效厚度為0.25 m。

2數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到無軟弱夾層（工況1）、僅軟弱夾層Ⅰ（工況2）和軟弱夾層Ⅰ＋軟弱夾層Ⅱ（工況3）下監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移和水平位移，如圖3和圖4所示。規(guī)定豎向位移向上為正，水平位移向右為正。

如圖3所示，隧道拱頂、左拱腰和右拱腰的豎向位移方向向下，拱底、左拱腳和右拱腳的豎向位移方向向上，隨著軟弱夾層數(shù)量的增多，監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移均表現(xiàn)出增大的趨勢，其中無軟弱夾層和僅軟弱夾層Ⅰ兩種工況下，監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移變化較小，說明穿越經(jīng)過隧道中心的軟弱夾層對隧道豎向變形的影響較小，當(dāng)軟弱夾層Ⅰ存在且增加軟弱夾層Ⅱ時(shí)，拱頂和左拱腰位置的豎向位移明顯增大。其中，拱頂?shù)呢Q向位移值由9.02 mm增大到10.84 mm，增大了20.18%；左拱腰位置的豎向位移由6.07 mm增大到6.92 mm，增大了14.01%；右拱腰和左拱腳的豎向位移出現(xiàn)較小幅度的增大，增幅在10%以內(nèi)，而右拱腳的豎向位移基本未發(fā)生變化。綜上可知，軟弱夾層Ⅱ?qū)λ淼镭Q向位移的影響更大，且監(jiān)測點(diǎn)與軟弱夾層Ⅱ垂直距離越小，其豎向位移的增量越大。

如圖4所示，隧道拱頂和拱底的水平位移幾乎為零，左拱腰和左拱腳的水平位移方向向右，右拱腰和右拱腳的水平位移方向向左，隨著軟弱夾層數(shù)量的增多，監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移均表現(xiàn)出增大的趨勢。僅軟弱夾層Ⅰ工況與無軟弱夾層工況相比，左拱腳和右拱腰處的水平位移出現(xiàn)明顯增大。其中，左拱腳的水平位移值由0.906 mm增大到1.497 mm，增大了65.23%；右拱腰位置的水平位移值由1.615 mm增大到2.243 mm，增大了38.89%，說明穿越經(jīng)過隧道中心的軟弱夾層對軟弱夾層與隧道輪廓相交位置的水平位移有較大影響。當(dāng)軟弱夾層Ⅰ存在且增加軟弱夾層Ⅱ，可發(fā)現(xiàn)拱頂和左拱腰處水平位移明顯增大，其中拱頂?shù)乃轿灰浦涤?.035 mm增大到0.515 mm，增幅達(dá)到了1 371.42%；左拱腰的水平位移值由1.652 mm增大到6.275 mm，增幅達(dá)到了279.84%，左拱腳和右拱腰位置的水平位移也出現(xiàn)了一定幅度的增大，增幅分別為88.31%和12.17%，而拱底和右拱腳的水平位移基本未發(fā)生變化。綜上可知，軟弱夾層Ⅰ對與隧道輪廓相交位置的水平位移有較大影響，軟弱夾層Ⅱ?qū)εc其垂直距離較小的監(jiān)測點(diǎn)的水平位移有較大影響。

3軟弱夾層參數(shù)對圍巖變形的影響

為研究軟弱夾層參數(shù)對隧道圍巖變形級穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本節(jié)選用軟弱夾層Ⅰ＋軟弱夾層Ⅱ計(jì)算模型，重點(diǎn)考慮軟弱夾層的角度和厚度兩類因素，設(shè)計(jì)不同的數(shù)值計(jì)算工況。

3.1軟弱夾層角度

為了研究軟弱夾層的角度對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取軟弱夾層與水平方向的夾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ的厚度均為1.0 m，軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ間的垂直距離為6.6 m，得到不同軟弱夾層角度下的隧道圍巖豎向位移和水平位移如圖5和圖6所示。

由圖5可知，隨著軟弱夾層角度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移均發(fā)生變化。拱頂位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為11.19 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為9.29 mm。右拱腰位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，然后再增大；在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為7.17 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為5.65 mm。右拱腳位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為2.89 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為1.89 mm。拱底位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為9.97 mm；在軟弱夾層角度為15°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為8.07 mm。左拱腳位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，然后再增大，在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為3.31 mm；在軟弱夾層角度為45°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為2.16 mm。左拱腰位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為7.47 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為6.58 mm。綜上，拱頂、右拱腰和右拱腳位置的豎向位移均在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值；拱底、左拱腳和左拱腰位置均在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值。

由圖6可知，隨著軟弱夾層角度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的水平位移均發(fā)生變化。其中，拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移較小，均在＜1 mm的范圍內(nèi)發(fā)生變化。分析原因?yàn)椋核淼莱首笥覍ΨQ結(jié)構(gòu)，拱頂和拱底位置形成水平方向的約束，導(dǎo)致該位置幾乎無法產(chǎn)生水平位移，右拱腳位置距離兩條軟弱夾層較遠(yuǎn)，受到的影響較小。右拱腰位置的水平位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，在軟弱夾層角度為30°時(shí)出現(xiàn)水平位移最大值，為2.75 mm；在軟弱夾層角度為75°時(shí)出現(xiàn)水平位移最小值，為1.42 mm。左拱腰位置的水平位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，在軟弱夾層角度為45°時(shí)出現(xiàn)水平位移最大值，為4.77 mm；在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)水平位移最小值，為1.91 mm。左拱腳位置的水平位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)水平位移最大值，為2.81 mm；在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為1.33 mm。綜上，拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移受軟弱夾層的影響較小，右拱腰、左拱腰和左拱腳位置的水平位移最大值分別出現(xiàn)在軟弱夾層角度為30°、45°和60°時(shí)，即隨著軟弱夾層角度發(fā)生變化，軟弱夾層與監(jiān)測點(diǎn)的垂直距離也在發(fā)生變化，當(dāng)軟弱夾層與監(jiān)測點(diǎn)間的垂直距離最短時(shí)，對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)的水平位移最大。

3.2軟弱夾層厚度

為了研究軟弱夾層厚度對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取軟弱夾層厚度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ與水平方向的夾角均為45°，軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ間的垂直距離為7.0 m，得到不同軟弱夾層厚度下的隧道圍巖豎向位移和水平位移如下頁圖7和圖8所示。

由圖7可知，隨著軟弱夾層厚度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移均發(fā)生變化。其中，拱頂、左拱腰和右拱腰位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而增大，在軟弱夾層厚度為3.0 m時(shí)豎向位移達(dá)到最大，分別為13.11 mm、10.80 mm和10.01 mm。左拱腳位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而減小，在軟弱夾層厚度為0.5 m時(shí)豎向位移達(dá)到最大，為2.37 mm；在軟弱夾層厚度為3.0 m時(shí)豎向位移達(dá)到最小，為1.13 mm，拱底和右拱腳處的豎向位移隨軟弱夾層厚度的增大幾乎未發(fā)生變化。分析其原因?yàn)椋汗绊?、左拱腰和右拱腰距離軟弱夾層的距離較近，受軟弱夾層影響較大，拱底和右拱腳距離軟弱夾層的距離較遠(yuǎn)，受軟弱夾層影響較小，左拱腳由于其位于軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ之間；隧道開挖后，軟弱夾層Ⅰ與軟弱夾層Ⅱ之間的圍巖向下傾倒，導(dǎo)致左拱腳位置處的圍巖發(fā)生擠壓作用，軟弱夾層的厚度越大，擠壓作用越強(qiáng)烈，導(dǎo)致其豎向位移值減小。

由圖8可知，隨著軟弱夾層厚度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的水平位移均發(fā)生變化。其中，拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移較小，分析原因?yàn)椋核淼莱首笥覍ΨQ結(jié)構(gòu)，拱頂和拱底位置形成水平方向的約束，導(dǎo)致該位置幾乎無法產(chǎn)生水平位移，右拱腳位置距離兩條軟弱夾層較遠(yuǎn)，受到的影響較小。左拱腰和右拱腰的水平位移隨軟弱夾層厚度的增大而明顯增大，其中隨著軟弱夾層厚度由0.5 m增大到3.0 m，左拱腰的水平位移增大了2.42 mm，增幅達(dá)到55.93%；

右拱腰的水平位移增大了3.445 mm，幅達(dá)到205.18%。因軟弱夾層Ⅰ穿過右拱腰位置，右拱腰的水平位移主要受軟弱夾層Ⅰ影響，左拱腰與軟弱夾層Ⅱ的垂直距離與其他監(jiān)測點(diǎn)相比最小，右拱腰的水平位移主要受軟弱夾層Ⅱ影響。

4結(jié)語

（1）軟弱夾層Ⅰ對與隧道輪廓相交位置的水平位移有較大影響，軟弱夾層Ⅱ?qū)εc它垂直距離較小的監(jiān)測點(diǎn)的水平位移有較大影響。軟弱夾層Ⅱ?qū)λ淼镭Q向位移的影響更大，且監(jiān)測點(diǎn)與軟弱夾層Ⅱ垂直距離越小，其豎向位移的增量越大。

（2）拱頂、右拱腰和右拱腳位置的豎向位移均在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值；拱底、左拱腳和左拱腰位置均在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值。

（3）拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移受軟弱夾層的影響較小，右拱腰、左拱腰和左拱腳位置的水平位移最大值分別出現(xiàn)在軟弱夾層角度為30°、45°和60°。

（4）拱頂、左拱腰和右拱腰位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而增大，左拱腰和右拱腰的水平位移隨軟弱夾層厚度的增大而明顯增大。左拱腳位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而減小，拱底和右拱腳處的豎向位移隨軟弱夾層厚度的增大幾乎未發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)：

［1］肖楊，蒲松.軟弱圍巖連拱隧道力學(xué)特性及支護(hù)參數(shù)研究［J］.山西建筑，2023，49（20）：153-156.

［2］楊康，李自然，夏林楓，等.不同混凝土厚度對軟弱圍巖隧道的影響數(shù)值模擬研究［J］.西部交通科技，2023（9）：106-107，150.

［3］吳啟勇.軟弱圍巖連拱隧道原位擴(kuò)建圍巖變形及結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析［J］.福建交通科技，2023（5）：28-36.

［4］零漢能.軟弱地層下某隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］.西部交通科技，2023（6）：160-162.

［5］劉曉飛，張清帥，呂宏璋，等.軟弱破碎圍巖小凈距隧道開挖間距與支護(hù)方案優(yōu)化研究［J］.西部交通科技，2022（12）：172-176.

［6］任家葦，左宇軍，林健云，等.軟弱夾層對金礦深部巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2023，43（9）：127-133.

［7］張文濤，李克鋼，秦慶詞，等.含軟弱夾層巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究［J］.有色金屬（礦山部分），2023，75（5）：119-126.

［8］劉俊學(xué)，劉復(fù)紅.不同開挖進(jìn)尺下軟弱夾層隧道變形規(guī)律研究［J］.中國高新科技，2023（13）：33-36.

［9］康海波，李俊暉，趙剛應(yīng)，等.跨不同傾角軟弱層隧道圍巖變形規(guī)律［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（19）：8 515-8 522.

基金項(xiàng)目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于拉索減震支座技術(shù)的鐵路連續(xù)梁橋抗震性能研究”（編號：2023KY1440）；2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于數(shù)字化平臺的城軌工程物化階段碳排放測算與評估”（編號：2023KY1445）

作者簡介：常麗燕（1991—），碩士，講師，研究方向：BIM技術(shù)應(yīng)用、土木工程建設(shè)與管理。