富水破碎圍巖小凈距隧道循環(huán)開挖進(jìn)尺優(yōu)化研究

摘要：文章以水口—崇左—愛店公路（崇左至愛店口岸段）觀音山隧道工程為依托，應(yīng)用FLAC 3D有限差分軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析0.5 m、1.0 m、1.5 m三種不同開挖進(jìn)尺對隧道圍巖的穩(wěn)定性、中夾巖柱應(yīng)力分布特征和孔隙水壓力變化的影響。結(jié)果表明：開挖進(jìn)尺越小，圍巖穩(wěn)定性越好，中巖柱處應(yīng)力分布越均勻，圍巖孔隙水壓力變化程度越??；隧道在穿越富水破碎帶時，應(yīng)選用小進(jìn)尺開挖。研究成果可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：富水破碎帶圍巖；小凈距隧道；數(shù)值模擬；開挖進(jìn)尺；圍巖穩(wěn)定性

中圖分類號：U455.2" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.055

文章編號：1673-4874（2024）11-0187-05

0引言

隨著我國交通基建的快速發(fā)展，隧道建設(shè)不可避免地需要穿越一些存在軟弱破碎帶的地區(qū)。由于軟弱破碎帶常存在于復(fù)雜的應(yīng)力場與滲流場等環(huán)境中，因此在隧道施工過程中，極易引起隧道面巖土體坍塌、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害［1-3］，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和人身財產(chǎn)安全。

目前許多學(xué)者關(guān)于隧道在富水破碎圍巖地層的施工存在較多研究。李廷春等［4］以福建漳州梁山隧道富水破碎帶為工程背景，對隧道斷層破碎帶的突水塌陷機(jī)理進(jìn)行了研究；彭潛等［5］憑借ABAQUS軟件，分析隧道在軟弱圍巖段施工中開挖進(jìn)尺和開挖方法對圍巖穩(wěn)定性的影響；潘東東等［6］應(yīng)用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，分析了溶洞在不同水壓下對圍巖的位移、應(yīng)力及孔壓的影響規(guī)律；李卓霖等［7］依托龍洲灣隧道工程實例，采用數(shù)值計算與實測數(shù)據(jù)結(jié)合分析，得到最優(yōu)的富水破碎圍巖段施工工法和參數(shù)；楊青瑩［8］采用數(shù)值模擬的方法依托永蓮隧道工程，研究在不同斷層傾角、厚度以及水頭壓力條件下隧道圍巖的變形規(guī)律；傅鶴林等［9］利用推導(dǎo)理論計算公式和數(shù)值模擬驗證，分析了各參數(shù)對深埋富水隧道襯砌壓力與變形的影響；韓瑀萱等［10］依托綿九高速公路五里坡隧道工程背景，采用數(shù)值模擬分析隧道在不同傾角、厚度和傾向斷層時圍巖的變形規(guī)律。

綜合上述學(xué)者的研究，本文依托水口—崇左—愛店公路（崇左至愛店口岸段）觀音山隧道為工程背景。利用FLAC 3D軟件，分析小凈距隧道在穿越富水破碎帶時開挖進(jìn)尺對圍巖穩(wěn)定性的影響，確定最優(yōu)開挖方案，以期為類似工程提供參考。

1工程概況

觀音山隧道位于崇左市寧明縣東南方向約15 km，采用分離式+小凈距隧道方案，隧道斷面設(shè)計采用單心圓曲墻式斷面形式，寬度為13.76 m，高度為10.98 m，兩洞平均長4 805 m，屬特長隧道。地層覆蓋層為第四系殘坡積（Q4dl+el）之黏土，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)新?。↘1x）之砂巖泥巖和侏羅系上統(tǒng)（J3）碎屑巖。隧址區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和基巖中裂隙水，水位標(biāo)高為202.16～470.71 m，埋深12.40～80.00 m。圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ級為主，隧道Ⅳ級圍巖過渡段，巖體較破碎，且通常該區(qū)域地下水較豐富，易發(fā)生突水突泥災(zāi)害，軟弱破碎帶支護(hù)結(jié)構(gòu)松散荷載較大，易引發(fā)隧道坍塌事故。

2數(shù)值模擬模型分析

2.1模型的建立

為研究在穿過富水破碎帶地層時，隧道開挖進(jìn)尺對圍巖穩(wěn)定性的影響。依托實際工程情況，選取里程K34+436～K34+466為研究對象，此段為洞身段，巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性較差且地下水發(fā)育，開挖時易發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。為消除邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值模型的范圍取為隧道洞徑的3～5倍，則計算模型尺寸（長×寬×高）為145 m×30 m×167 m（175 m），模型底部固定，左右邊界約束水平位移，上部邊界為自由邊界。采用FLAC 3D軟件建模，模型共包含172 212單元和172 311節(jié)點如下頁圖1所示。

圍巖采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型，采用shell單元進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬中僅考慮初期支護(hù)的作用并不考慮其防水功能，對破碎段圍巖進(jìn)行弱化處理。根據(jù)工程地質(zhì)資料和相關(guān)規(guī)范，隧道周邊圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表1。

2.2施工工況設(shè)計

在隧道施工中，合理的開挖進(jìn)尺是保障其安全與進(jìn)度的關(guān)鍵。如果開挖進(jìn)尺選擇不合理，將會對施工進(jìn)程產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致隧道坍塌而造成巨大的損失，而在富水軟弱破碎帶施工時，選擇合理的開挖進(jìn)尺就更為重要。依據(jù)工程實例，左洞為先行洞，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工；右洞為后行洞，采用CD法施工。為進(jìn)一步研究隧道在穿過富水軟弱破碎帶時，開挖進(jìn)尺對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響，設(shè)計分析了三種開挖工況（Ⅰ～Ⅲ），開挖工況Ⅰ～Ⅲ分別取0.5 m、1.0 m、1.5 m 開挖進(jìn)尺，并取L=15 m處斷面為研究對象，隧道測點布置方式如圖2所示。

3計算結(jié)果分析

3.1圍巖的位移分析

隨著隧道施工完成，取不同開挖進(jìn)尺條件下圍巖豎向位移云圖與水平位移云圖進(jìn)行對比分析，以開挖進(jìn)尺為0.5 m時圍巖的豎向位移云圖與水平位移云圖為例，如圖3所示?？梢钥闯霾煌_挖進(jìn)尺條件下圍巖位移規(guī)律大致相同，僅在數(shù)值上略有差異。同時繪制出不同開挖工況下（開挖進(jìn)尺=0.5 m、1.0 m、1.5 m）隧道圍巖豎向及水平位移曲線圖，如圖4、圖5所示。

由圖3、圖4可知，左右洞拱頂及拱底處豎向位移值隨著開挖進(jìn)尺的增加而逐漸增大，并且拱頂、拱底最大變形均出現(xiàn)在隧洞開挖進(jìn)口附近。拱頂變形大致呈S形分布，拱底變形大致呈M形分布，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，是因為在隧道后端出現(xiàn)偏壓導(dǎo)致。同時拱頂豎向位移表現(xiàn)出右洞變形大于左洞變形，而拱頂變形與其相反，這是

由于左洞開挖后圍巖發(fā)生應(yīng)力釋放，因此在隧道右洞開挖時，應(yīng)及時施加支護(hù)結(jié)構(gòu)。此外，在隧道拱底處3種開挖工況引起的豎向位移值有依次增大的趨勢，但其變化幅度差異不大。

由圖3、圖5可知，隧道開挖后隧道的水平位移主要集中在拱腰附近，其水平變形大致呈對稱分布，隧道外側(cè)位移略大于內(nèi)側(cè)位移，但方向相反，隧道兩側(cè)向內(nèi)收斂；隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道水平收斂幅度也逐漸增大。同時，當(dāng)開挖進(jìn)尺由0.5 m增加到1.0 m時，其收斂幅度明顯優(yōu)于開挖進(jìn)尺由1.0 m增加至1.5 m時的情況，故在隧道開挖過程中，工況Ⅰ的情況對控制隧道圍巖的橫向變形更為有利。此外，隧道在開挖時，左洞各開挖工況收斂幅度不大，而右洞各開挖工況收斂幅度明顯大于左洞收斂幅度，可以看出在小凈距隧道開挖時先行洞的開挖對后行洞開挖的擾動性大。

3.2中夾巖柱應(yīng)力分析

提取隧道中間段中夾巖柱處各測點主應(yīng)力值。如表2所示為不同開挖進(jìn)尺條件下中夾巖柱測點的最大和最小主應(yīng)力，如圖6所示為中夾巖柱測點主應(yīng)力隨開挖進(jìn)尺變化特征曲線。

由表2可知，中夾巖柱各測點的最大和最小主應(yīng)力變化規(guī)律相似，并且?guī)r柱中心處應(yīng)力值最大。巖柱左、右側(cè)主應(yīng)力均隨開挖進(jìn)尺增大而減小，而中心主應(yīng)力則略有增大。因為開挖進(jìn)尺增大時，初期支護(hù)閉合晚，巖柱兩側(cè)圍巖發(fā)生了較多的應(yīng)力釋放，故應(yīng)力值減小；而巖柱中心位置則由于巖柱上部圍巖發(fā)生了較大的流變變形，圍巖松弛荷載大，故主應(yīng)力值反而略有增加。[JP3]由圖6可知，開挖進(jìn)尺越大，巖柱中心主應(yīng)力與兩側(cè)主應(yīng)力的差值也越大，巖柱受力越不均勻。因此，為使巖柱受力更加均勻，開挖進(jìn)尺不宜過大，綜合分析開挖進(jìn)尺取0.5 m較為合適。

3.3圍巖塑性區(qū)分析

數(shù)值模擬完成后，提取不同開挖工況條件下圍巖塑性區(qū)分布圖，如圖7所示。由圖7可知，隧道開挖完成后，塑性區(qū)主要分布在隧道四周，呈圓柱形包裹著隧洞，并向中巖柱延伸。隨著開挖進(jìn)尺的增加，塑性區(qū)面積也隨之增大。工況Ⅰ時，圍巖塑性區(qū)僅圍繞洞周分布，中夾巖柱左右兩側(cè)略有發(fā)展，但未形成貫通分布；工況Ⅱ時，洞[KG（0.1mm]周塑性區(qū)直徑增大，并向中夾巖柱進(jìn)一步延伸形成貫通

分布；工況Ⅲ相比工況Ⅱ，其洞周塑性區(qū)直徑略有增加，中夾巖柱塑性區(qū)貫通面積進(jìn)一步增加。這些現(xiàn)象表明，當(dāng)開挖小凈距隧道時，隨著開挖進(jìn)尺的增加，中夾巖柱處應(yīng)力集中也隨之增大，巖體更加容易出現(xiàn)屈服。

3.4圍巖孔隙水壓力分析

如圖8所示為不同開挖工況隧道開挖完成后的圍巖孔隙水壓力云圖。由圖8可知，隧道開挖結(jié)束后，由于開挖部分孔壓消散，隧道周邊圍巖的孔隙水壓力嚴(yán)重下降，造成滲流場發(fā)生改變，在開挖區(qū)與未開挖區(qū)形成水頭差。在水頭差的作用下，隧道周邊圍巖孔隙水壓力分布形式呈馬蹄形漏斗狀。隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道周邊圍巖的孔壓消散速度呈增長趨勢，并且中夾巖柱處孔壓的消散速度隨著開挖進(jìn)尺的增加而增加。工況Ⅲ時，中夾巖柱處孔壓消散與隧洞處孔壓相連，表明開挖進(jìn)尺越大，隧道靠近巖柱處邊墻發(fā)生突水突泥災(zāi)害可能性越大。

如圖9、圖10為各開挖工況拱底測點拱底節(jié)點孔隙水壓力變化時程曲線。由圖9可知，在隧道開挖進(jìn)程中，由于地下水體能量的瞬間釋放，各監(jiān)測點的孔隙水壓力均大幅度降低。此外，圍巖孔隙水壓力的消散幅度，從拱底節(jié)點至拱頂節(jié)點其變化程度逐漸增大，工況Ⅰ～工況Ⅲ圍巖孔隙水壓力的變化程度也隨之逐漸增大。這表明，隧道開挖時拱頂和拱腰處更易發(fā)生突水、涌水現(xiàn)象，因此在隧道施工中應(yīng)特別注意這些部位的防排水措施是否可靠。在富水軟弱破碎段圍巖開挖時，小進(jìn)尺開挖相比大進(jìn)尺開挖時發(fā)生突水、涌水災(zāi)害概率小，安全系數(shù)更高。

4結(jié)語

本文依托于水口—崇左—愛店公路（崇左至愛店口岸段）觀音山隧道實際工程背景。通過FLAC 3D軟件建立三維數(shù)值計算模型，對3種不同開挖進(jìn)尺條件進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著開挖進(jìn)尺的增加，左右隧洞豎向位移逐漸增大，后行洞拱頂沉降大于先行洞，而拱底隆起與之相反；隧道水平收斂幅度也隨之增大，開挖進(jìn)尺為0.5 m時收斂度最小。

（2）隧道同一斷面出處，中夾巖柱左右兩側(cè)測點主應(yīng)力隨開挖進(jìn)尺的增加而減小，巖柱中心測點由于流變變形，主應(yīng)力略有增加，同時中夾巖柱受力越不均勻；隨著開挖進(jìn)尺的增加，圍巖塑性區(qū)面積逐漸增大，并向中夾巖柱延伸，開挖進(jìn)尺越大中夾巖柱處越易產(chǎn)生塑性屈服。

（3）小凈距隧道開挖后在水頭壓力的作用下使地下水向隧道開挖面滲透，形成一個馬蹄形漏斗狀的滲水區(qū)域。在不同開挖工況下，孔壓消散幅度關(guān)系：拱頂節(jié)點gt;拱腰節(jié)點gt;拱底節(jié)點，工況Ⅰgt;工況Ⅱgt;工況Ⅲ。開挖工況Ⅰ條件下孔壓消散幅度小于其他開挖工況，故發(fā)生突水突泥情況概率小于其他工況。因此隧道在富水軟弱破碎帶進(jìn)行開挖時，小進(jìn)尺開挖優(yōu)于大進(jìn)尺開挖。

參考文獻(xiàn)：

［1］李術(shù)才，周宗青，李利平，等.巖溶隧道突水風(fēng)險評價理論與方法及工程應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（9）：1 858-1 867.

［2］李術(shù)才，許振浩，黃鑫，等.隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分類、地質(zhì)判識、孕災(zāi)模式與典型案例分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2018，37（5）：1 041-1 069.

［3］吳明先，劉瑞輝，王萬平，等.地下水對深埋軟弱圍巖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞及其控制措施研究［J］.公路，2022，67（5）：237-243.

［4］李廷春，呂連勛，段會玲，等.深埋隧道穿越富水破碎帶圍巖突水機(jī)理［J］.[JP3]中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，47（10）：3 469-3 476.

［5］彭潛，肖慶華，尹健民，等.高應(yīng)力軟巖隧道開挖優(yōu)化及錨桿加固效果研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2017，13（S1）：245-250.

［6］潘東東，李術(shù)才，許振浩，等.巖溶隧道承壓隱伏溶洞突水模型試驗與數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報，2018，40（5）：828-836.

［7］李卓霖，李炬，李茂源，等.富水破碎圍巖大斷面隧道施工工法研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（S2）：585-590.

［8］楊青瑩.富水?dāng)鄬悠扑閹λ淼绹鷰r穩(wěn)定性的影響［J］.煤礦安全，2019，50（8）：148-153.

［9］傅鶴林，安鵬濤，李凱，等.深埋富水隧道襯砌壓力與變形影響因素研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2022，55（2）：144-152.

［10］韓瑀萱，江騰飛，譚碧舸，等.隧道穿越不同形態(tài)斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2023（5）：162-173.

作者簡介：余麗平（1987—），高級工程師，主要從事施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18