軟巖地區(qū)劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)變形特征及參考文獻(xiàn)：控制效果研究

摘 要：為研究軟巖地區(qū)圍巖劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)變形特征及控制效果，文章以云南省某粉質(zhì)黏土地層的隧道工程為例，基于有限元軟件FLAC 3D分析了不同含水率條件下隧道結(jié)構(gòu)不同深度的變形特征和不同控制技術(shù)的控制效果。結(jié)果表明：隧道結(jié)構(gòu)的變形主要發(fā)生在二次襯砌施工之前；含水率不同時，隧道結(jié)構(gòu)不同深度的變形規(guī)律相差較大；擴(kuò)大拱腳寬度對圍巖變形能起到一定的控制作用，增加錨桿長度僅能控制圍巖水平方向的變形。

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)黏土地層；公路隧道；FLAC 3D有限元；變形特征

中圖分類號：U456.3+1

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展，隧道工程建設(shè)的環(huán)境也日益復(fù)雜。粉質(zhì)黏土地層在我國西南地區(qū)廣泛分布，由于其性質(zhì)軟弱及穩(wěn)定性較差等特點，在隧道工程建設(shè)過程中易引起地表的不均勻沉降、襯砌結(jié)構(gòu)大規(guī)模變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞等現(xiàn)象，加之粉質(zhì)黏土遇水后會進(jìn)一步軟化及膨脹，對隧道工程的建設(shè)產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的影響。因此，研究軟巖地區(qū)隧道圍巖遇水劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)的變形特征及支護(hù)措施十分重要。

近些年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對軟巖地區(qū)隧道圍巖劣化的變形特征及支護(hù)措施展開了大量研究。代鴻明［1］針對多個隧道仰拱填充層的開裂、擠壓及涌水等現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)果表明襯砌結(jié)構(gòu)及仰拱的局部破壞主要是因為地下水突增所引起的水壓增大。劉傳廣［2］通過FLAC 3D軟件，基于流固耦合理論對粉質(zhì)黏土復(fù)合地層的隧道結(jié)構(gòu)變形特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明隧道的豎向位移相對于水平位移而言更容易受到施工及滲流的影響。莊麗等［3］通過物理模型試驗對淺埋隧道中軟塑和硬塑的粉質(zhì)黏土變形特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明軟塑及硬塑黏土的強(qiáng)度及成拱能力對隧道變形的影響最大。王輔圣［4］結(jié)合溫度場及濕度場相關(guān)理論，通過數(shù)值模擬軟件分析了隧道開挖土體在滲水條件下的濕度場變化規(guī)律，結(jié)果表明隧道圍巖的松動區(qū)最易受到滲水增濕的影響，其對土體的擾動隨著時間逐漸增大。楊樹才等［5］針對軟塑粉質(zhì)黏土地層隧道施工穩(wěn)定性差等難題，通過現(xiàn)場勘察及物理模型試驗，對隧道施工的支護(hù)措施進(jìn)行了研究，所提出的“管棚+”支護(hù)措施為隧道的成功貫通起到重要作用。張超等［6］通過總結(jié)分析隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)注漿的加固措施能有效縮短圍巖結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定時間，并能在一定程度上減少其變形程度，為軟巖地區(qū)的隧道工程支護(hù)體系優(yōu)化具有重要意義。

但上述學(xué)者的研究較少考慮粉質(zhì)黏土地層在遇水劣化條件下隧道圍巖結(jié)構(gòu)的變形特征及支護(hù)措施，因此本文在前人的研究基礎(chǔ)上，基于FLAC 3D軟件，分析粉質(zhì)黏土地層的隧道圍巖在遇水劣化條件下其各個結(jié)構(gòu)的變形特征，并研究不同支護(hù)措施對隧道圍巖變形的控制效果，研究成果可為隧道變形控制研究提供參考。

1 工程概況及數(shù)值計算模型

1.1 依托工程概況

研究區(qū)位于云南省某高速公路路段，隧道全長2 251 m，最大埋深約230 m，開挖高度為10.5 m，跨度為14.2 m。根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內(nèi)物理試驗顯示（圖1），研究區(qū)粉質(zhì)黏土地層厚約15.8～40.2 m，地基承載力約為185～214 "kPa，粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)較松散、穩(wěn)定性差。隧道下部為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分區(qū)域巖溶發(fā)育，且發(fā)育不均勻。地下水以基巖裂隙水及巖溶水為主，由于粉質(zhì)黏土力學(xué)性能不穩(wěn)定，遇水發(fā)生了明顯的劣化，較天然狀態(tài)的圍巖穩(wěn)定性更差，導(dǎo)致隧道在施工階段出現(xiàn)了地表開裂、掌子面滑塌及不均勻沉降等現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場試驗得出，粉質(zhì)黏土在天然狀態(tài)的含水率為15%～20%，部分滲水嚴(yán)重的粉質(zhì)黏土，其含水率高達(dá)30%。

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建

通過FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬模型構(gòu)建，模型如圖2所示。根據(jù)工程實際斷面尺寸確定隧道跨度為14.2 m，開挖高度為10.5 m，為減少邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)圣維南原理將模型尺寸設(shè)置為距離隧道3～5倍（X=130 m，Y=70 m）。隧道埋深分別設(shè)置為15 m、25 m、35 m、45 m、55 m、65 m，除頂面單位以外均設(shè)置X、Y、Z方向的位移約束，其開挖方法與實際工程保持一致。

細(xì)觀參數(shù)對FLAC 3D軟件模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，而有限元軟件未給出細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的定量關(guān)系，以滲水較嚴(yán)重圍巖為參考，根據(jù)其基本物理力學(xué)性質(zhì)，配置了含水率為15%、20%、25%、30%的土樣，并進(jìn)行相關(guān)力學(xué)參數(shù)測試。表1所示為不同含水率粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r的巖土體力學(xué)參數(shù)。

2 圍巖變形特征分析

本文通過FLAC 3D軟件模擬構(gòu)建不同含水率的粉質(zhì)黏土地層隧道模型，以分析劣化條件下各個結(jié)構(gòu)在不同埋深的圍巖變形特征。

2.1 拱頂沉降分析

設(shè)埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖拱頂不同含水率的沉降曲線如圖3所示。

由圖3可知，根據(jù)拱頂?shù)某两底兓€可將施工階段劃分為4個階段：預(yù)變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段及穩(wěn)定階段。在隧道斷面開挖之前為拱頂沉降的預(yù)變形階段，其變形的主要原因為掌子面受到了擠壓變形，進(jìn)而使拱頂發(fā)生較小的預(yù)變形；在隧道斷面開挖后，

初次封閉成環(huán)之前，即為快速變形階段，該階段主要是斷面開挖改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，大量開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力重分布，大幅度增加了圍巖的變形速度，該階段為隧道圍巖的主要變形階段；緩慢變形階段發(fā)生在初次封閉成環(huán)之后、襯砌結(jié)構(gòu)施工之前，隧道圍巖在封閉成環(huán)之后有了較穩(wěn)定的受力體系，能較好地承載周邊土體壓力，進(jìn)而限制了圍巖發(fā)生沉降，拱頂沉降速度大幅度減??；在二次襯砌結(jié)構(gòu)施工完畢后，結(jié)構(gòu)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，變形速度逐漸趨近于0。隨著埋深值的增加，拱頂沉降量有明顯的增長趨勢，埋深從15 m增至25 m時，沉降增幅為140.82%。

從含水率影響來看，拱頂?shù)某两惦S著含水率的增加而增加，在含水率為25%時發(fā)生突變。當(dāng)含水率＜25%時，各個含水率曲線變化趨勢基本相同，主要沉降均以快速變形階段為主，并在結(jié)束變形的穩(wěn)定階段變形值相近；而當(dāng)含水率＞25%時，沉降量發(fā)生了明顯的變化，且預(yù)變形階段的變形占比隨著預(yù)埋深度的增加而不斷變大;當(dāng)埋深＞25 m時，預(yù)變形階段的變形超過快速變形階段，因此，當(dāng)粉質(zhì)黏土地層含水率＞25%、隧道埋深＞25 m時，應(yīng)采取相對的支護(hù)措施，避免圍巖在預(yù)變形階段產(chǎn)生較大的沉降。

2.2 拱腳水平收斂變形特征

設(shè)埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖拱腳在不同含水率時的水平收斂曲線如圖4所示。

由圖4可知，與拱頂沉降曲線相同，拱腳水平收斂的曲線同樣劃分為4個階段，不同含水率收斂值在相同埋深的變化曲線相差不大，與拱頂不同，拱腳的水平收斂主要集中在預(yù)變形階段，即開挖施工之前，因此粉質(zhì)黏土地層隧道在拱腳施工時要以控制預(yù)變形階段的變形為主，以此避免拱腳發(fā)生較大位移。當(dāng)含水率＜25%時，相同埋深的拱腳變化曲線近乎重合，且隨著含水率升高其在施工結(jié)束后的穩(wěn)定變形階段的變形值越大；當(dāng)含水率＞25%時，其位移變化曲線在各個階段均有明顯的增長趨勢。以含水率25%為界限，分析不同埋深對拱腳變形的影響，當(dāng)含水率＜25%時，隨著埋深的增加，拱腳的收斂值在小范圍內(nèi)波動，且在施工完成后的穩(wěn)定階段收斂值也較小，變化幅度≤2 mm，因為此時圍巖主要發(fā)生豎直方向的位移，幾乎不發(fā)生水平位移；當(dāng)含水率＞25%時，隨著埋深的增加，相同含水率的拱腳收斂值大幅度增長，此時圍巖的位移以水平位移為主，尤其在深度＞25 m時更為明顯，拱腳易發(fā)生大規(guī)模變形失穩(wěn)。

2.3 仰拱隆起變形特征

設(shè)埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖仰拱在不同含水率時的隆起曲線如圖5所示。

由圖5可知，與拱頂?shù)淖兓€相同，仰拱隆起的變形主要發(fā)生在快速變形階段，即初次封閉成環(huán)之前，因為此階段在進(jìn)行上臺階的開挖，使仰拱產(chǎn)生大幅度的隆起。當(dāng)埋深相同時，含水率＜25%的仰拱隆起值隨著含水率的減小幅度增長，其位移變化曲線近乎重合，增長不明顯，以埋深15 m為例，含水率從15%增至25%，隆起值從2.47 cm增至2.91 cm，增長幅度僅為18%；當(dāng)含水率＞25%時，仰拱的隆起增幅明顯變大，含水率從25%增至30%，埋深15 m的隆起增幅為65%。當(dāng)含水率相同時，

同樣以含水率25%為界表現(xiàn)出不同的增長趨勢，其規(guī)律與仰拱及拱腳相似。因此，含水率越高，埋深值越大，仰拱的隆起變形越大。

2.4 掌子面變形特征

由于計算結(jié)果較多，本文以含水率為25%的粉質(zhì)黏土地層為例進(jìn)行不同埋深的掌子面位移分析，其云圖如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)含水率為25%時，隨著埋深的增加，掌子面的變形也隨之增大，其最值出現(xiàn)的位置受埋深的影響較大，當(dāng)埋深為25 m時，掌子面發(fā)生擠出變形最大的位置位于上部臺階的兩側(cè)，而當(dāng)埋深＞25 m時，其擠出變形最大位置位于下部臺階的中心處，由此可知在施工過程中對不同深度的掌子面應(yīng)采取不同的變形控制措施。

進(jìn)一步分析含水率對掌子面變形的影響，提取各個含水率下不同深度的掌子面最大擠出變形值，繪制關(guān)系曲線圖如圖7所示。

由圖7可知，在含水率不變時，最大擠出變形隨著埋深的增加而小幅度增長，當(dāng)含水率為25%時，其變形值大幅度增加，與前文規(guī)律一致。

3 粉質(zhì)黏土隧道變形控制研究

通過FLAC 3D軟件，分析不同支護(hù)措施對粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖的變形控制效果。

3.1 擴(kuò)大拱腳控制效果分析

選取含水率為25%的粉質(zhì)黏土地層的物理力學(xué)參數(shù)，設(shè)置拱腳寬度依次為0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m，得到不同拱腳寬度的隧道結(jié)構(gòu)位移如圖8所示。

如圖8所示，擴(kuò)大拱腳寬度能夠有效減小隧道圍巖所產(chǎn)生的位移，隨著寬度增加，拱頂?shù)某两迪仍龃蠛鬁p小，在寬度增至1.0 m時其沉降值為271.2 mm，與擴(kuò)寬之前相比減小了9.51%；拱腳的水平收斂位移也隨著寬度的增加而減小，在1.2 m時產(chǎn)生極小值（72.1 mm），與擴(kuò)寬之前相比減小了38.11%。由此可知，擴(kuò)寬拱腳可以較好控制隧道圍巖結(jié)構(gòu)的變形，但擴(kuò)大拱腳尺寸應(yīng)在一定范圍內(nèi)，寬度過大會導(dǎo)致隧道的開挖跨度增加，隧道的矢跨比會因此減小，在一定程度上降低了圍巖的穩(wěn)定性。因此，考慮工程安全及經(jīng)濟(jì)效益，建議拱腳寬度為0.8～1.2 m。

3.2 系統(tǒng)錨桿控制效果分析

選取含水率為25%的粉質(zhì)黏土地層的物理力學(xué)參數(shù)，設(shè)置錨桿長度依次為0 m、3.0 m、3.5 m、4 m、4.5 m和5 m，不同錨桿長度的隧道結(jié)構(gòu)位移如圖9所示。

由圖9可知，隨著錨桿長度的增加，拱頂?shù)某两底兓?guī)律與拱腳水平收斂規(guī)律不同，拱頂部位的變形隨著錨桿長度的增加而小幅度增長，由無錨桿至錨桿長度L=5.0 m，其沉降增幅為0.68%；而拱腳水平收斂的位移隨錨桿長度的增加減小，當(dāng)L=5.0 m時，其減小幅度為11.24%。分析其原因為：拱頂部的錨桿在隧道開挖時會受到逐漸增大的土壓力，錨桿長度的增加加大了拱頂部所受的壓力，進(jìn)而使其發(fā)生了小幅度的增長。由此可知，錨桿系統(tǒng)不能控制粉質(zhì)黏土地層隧道拱頂結(jié)構(gòu)的變形，但能在一定程度上控制拱腳的水平收斂變形。

4 結(jié)語

為研究粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖在遇水劣化條件下的結(jié)構(gòu)變形特征及控制措施，本文基于云南省某高速公路隧道項目，通過FLAC 3D軟件分析不同含水率條件下隧道圍巖結(jié)構(gòu)不同埋深下的變形特征，基于此，進(jìn)一步分析不同支護(hù)措施對隧道變形的控制效果。得到如下主要結(jié)論：

（1）隧道結(jié)構(gòu)（拱頂、拱腳、仰拱、掌子面）的主要變形均發(fā)生在二次襯砌施工之前。

（2）當(dāng)埋深一定時，隧道圍巖變形在含水率增至25%之前增長幅度較小，當(dāng)含水率增至25%以后，其增長幅度較大。

（3）當(dāng)含水率一定時，隧道圍巖的變形在含水率＜25%時與埋深為線性關(guān)系，當(dāng)含水率＞25%時，呈指數(shù)非線性增長。

（4）增加拱腳的寬度能較好控制圍巖的變形，增加錨桿長度僅能控制拱腳部位的圍巖變形。參考文獻(xiàn)：

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