考慮滲流作用的軟巖公路隧道施工穩(wěn)定性分析

中圖分類號(hào)：U456.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.060

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0204-04

0 引言

軟巖地區(qū)隧道建設(shè)是交通基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，地下水滲流對(duì)施工穩(wěn)定性的影響日益成為工程實(shí)踐的一大難點(diǎn)[1-2]。國內(nèi)水系區(qū)域多分布于山嶺丘壑，其富水、巖溶等不良地質(zhì)較為常見，軟巖內(nèi)部的水流往往以滲流的方式影響隧道的穩(wěn)定性，在巖土體性質(zhì)存在偏差的情況下，隧道施工改變了地下水的流動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致滲流場(chǎng)重新分布，造成軟巖溶蝕、巖層崩塌、結(jié)構(gòu)變形等工程事故。由于應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的重新分布相互影響、相互制約，在考慮隧道施工穩(wěn)定性時(shí)，不僅應(yīng)關(guān)注應(yīng)力場(chǎng)的變化，還需同步分析滲流場(chǎng)的演變3。

隧道穿越巖溶、地下水發(fā)育區(qū)域，其圍巖等級(jí)常進(jìn)行降級(jí)處理，一般視為軟弱圍巖，地下水問題也是軟巖地層地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中普遍面臨的問題。眾多學(xué)者對(duì)地下水的作用形式做出不同解釋，前期簡(jiǎn)單視為靜水壓力進(jìn)行分析，并未考慮地下水的流動(dòng)效應(yīng)。隨著達(dá)西定律、固結(jié)理論等理論的提出，地下水的滲流作用被提出，并逐漸引入至隧道工程中，但初期僅單獨(dú)分析滲流作用，并未考慮到應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)的影響效果。隨著流固耦合概念的提出，單向滲流、雙向滲流理論基本成型，揭示了應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)之間影響機(jī)理。引入滲流理論、損傷理論、D-P屈服準(zhǔn)則、H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則構(gòu)建巖土體彈塑性損傷本構(gòu)模型，進(jìn)而求解隧道彈塑性解析解[4-7]。為進(jìn)一步優(yōu)化隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高施工安全，學(xué)者們開展了滲流場(chǎng)下的隧道圍巖穩(wěn)定性和防護(hù)研究。畢發(fā)江等提出了隧洞圍巖一襯砌結(jié)構(gòu)滲流一應(yīng)力分析思路，探究軟巖隧洞排水結(jié)構(gòu)的排水效應(yīng)；陳衛(wèi)忠等9研制了一種軟巖溫度一滲流一應(yīng)力耦合三軸流變儀，研究其耦合條件下軟巖的長期力學(xué)特性；孫琪皓等基于彈塑性力學(xué)、滲流力學(xué)以及損傷理論建立了巖體滲流－損傷一應(yīng)力耦合模型，該模型能更好地反映出巷道圍巖的屈服破壞程度和漸進(jìn)破壞過程；傅鶴林等[11-12]構(gòu)建了裂隙圍巖隧道涌水簡(jiǎn)化計(jì)算模型，揭示了各特征參數(shù)對(duì)富水裂隙區(qū)隧道涌水的影響規(guī)律，探討了富水裂隙區(qū)隧道涌水機(jī)制。

由此可見，隧道穿越軟巖地層時(shí)，地下水滲流效應(yīng)加劇，而圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)并不能代表隧道圍巖的實(shí)際受力狀態(tài)，還要考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的相互影響。因此，本文通過數(shù)值模擬軟件分析滲流作用下，不同開挖方法對(duì)隧道圍巖變形、應(yīng)力和滲流等方面的變化規(guī)律以及施工穩(wěn)定性影響。

1工程概況

本文所研究的隧道穿越軟巖地層，是工程建設(shè)的重難點(diǎn)之一。該區(qū)域夏季雨水充沛，巖體含水率較高。據(jù)地質(zhì)勘探、鉆探結(jié)果顯示，隧址基底主要為砂巖、砂礫巖等，屬軟弱圍巖，上覆粉土、碎石等。隧洞寬 11.2m 高 埋深35m，施工影響范圍選取3倍洞徑以上，建立模型尺寸為80 ）m×1m×80m ，如圖1所示。開挖方法為CRD法、環(huán)形臺(tái)階法，將超前支護(hù)、錨桿等措施等效為加固區(qū)，型鋼、鋼筋網(wǎng)并入初支統(tǒng)一計(jì)算。巖土體視為等效連續(xù)介質(zhì)，圍巖、加固區(qū)、二襯采用實(shí)體單元模擬，初支利用liner單元模擬，圍巖、加固區(qū)屈服準(zhǔn)則采用D一P準(zhǔn)則，而初支、二襯采用彈性強(qiáng)度準(zhǔn)則。模型應(yīng)力邊界條件為：上端自由，其余為固定法向邊界。滲流邊界為：上端為透水邊界，其余邊界不透水。初始地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)取0.5。數(shù)值模擬設(shè)計(jì)工況見表1，圍巖、加固區(qū)、初支、二襯的數(shù)值模擬參數(shù)見表2。

2 圍巖位移場(chǎng)分析

圍巖位移場(chǎng)受眾多因素影響，其中圍巖等級(jí)、支護(hù)方式、開挖方法以及地下水等均是重要影響因素。在軟巖環(huán)境中，地下水的存在對(duì)圍巖產(chǎn)生顯著的影響，隨著圍巖的開挖和卸荷過程，滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生重新分布，這在巖土體的位移變形特征中表現(xiàn)最為直觀。其中，具代表位移場(chǎng)特征的三種位移特征值分別為頂部沉降、周邊收斂以及底部隆起?？紤]到地下水的存在以及不同的開挖方法，圍巖的位移場(chǎng)分布特征會(huì)呈現(xiàn)出差異。因此，本文對(duì)4種不同工況下的圍巖位移場(chǎng)進(jìn)行深入分析，以了解滲流效應(yīng)和不同開挖方法對(duì)隧道圍巖位移的具體影響。

圖2為不同工況的隧道圍巖位移分布曲線圖。由圖2可知，若不考慮滲流作用，CRD法與環(huán)形臺(tái)階法的頂部沉降、周邊收斂、底部隆起值相差無幾，但CRD法的三種位移特征值稍低于環(huán)形臺(tái)階法，這從側(cè)面說明采取CRD法的隧道施工穩(wěn)定性更好；若考慮滲流作用的影響，環(huán)形臺(tái)階法的頂部沉降、周邊收斂、底部隆起值明顯高于CRD法，這與不考慮滲流作用的結(jié)論有著明顯差異。結(jié)合既有研究說明，考慮滲流作用的圍巖位移分布特征更接近于實(shí)際，同時(shí)也驗(yàn)證了CRD法施工穩(wěn)定性優(yōu)于環(huán)形臺(tái)階法；在同一種開挖方法下，有無滲流作用的圍巖位移特征值也呈現(xiàn)出明顯差異，在滲流作用下的圍巖位移明顯高于無滲流，說明不僅應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位移場(chǎng)有影響，滲流場(chǎng)也對(duì)位移場(chǎng)有著顯著影響，部分位移是由于滲流力所形成的。

3 圍巖塑性區(qū)分析

通過塑性區(qū)云圖可知隧道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律，觀察塑性區(qū)是否發(fā)生貫通現(xiàn)象或超限，以此評(píng)估隧道施工穩(wěn)定性。通過及時(shí)支護(hù)可有效減少塑性區(qū)發(fā)展，同時(shí)考慮到滲流力的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)化防水設(shè)計(jì)，從圍巖荷載、地下水等層面出發(fā)限制塑性區(qū)過度發(fā)展，從而避免工程災(zāi)害的發(fā)生。

圖3為不同工況的隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖。由圖3分析得出：若圍巖內(nèi)部不存在滲流作用，巖土體受應(yīng)力重分布影響，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形，不同開挖方法的塑性區(qū)分布有所不同。由于CRD法開挖面積較小并及時(shí)分段支護(hù)，使其塑性區(qū)總面積小于環(huán)形臺(tái)階法，說明CRD法優(yōu)于環(huán)形臺(tái)階法。相較于無滲流作用，滲流作用下相同開挖方法的塑性區(qū)面積均有所增大，同時(shí)環(huán)形臺(tái)階法增加速率快于CRD法，所以從塑性區(qū)分布規(guī)律及塑性區(qū)發(fā)展速率可知，滲流作用對(duì)圍巖塑性損傷影響顯著，且CRD法明顯優(yōu)于環(huán)形臺(tái)階法。無論是否考慮滲流作用，圍巖塑性區(qū)危險(xiǎn)點(diǎn)均為邊墻、拱腳處，基于滲流力影響，應(yīng)對(duì)邊墻、拱腳處防水支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析

隧道開挖前的初始地應(yīng)力與構(gòu)造地貌相關(guān)，隧道施工后導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，其原因在于巖土體自身卸荷。隧道周邊圍巖應(yīng)力可分為兩種類型進(jìn)行描述，第一類為水平、豎向應(yīng)力，第二類為第一、中間、第三主應(yīng)力。提取第二類數(shù)據(jù)結(jié)果按強(qiáng)度準(zhǔn)則驗(yàn)算圍巖穩(wěn)定性。無滲流作用條件下，總應(yīng)力僅為土體之間的應(yīng)力；當(dāng)巖土體處于飽水狀態(tài)，其圍巖總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和。

圖4為不同工況的隧道圍巖主應(yīng)力場(chǎng)分布曲線圖，主應(yīng)力值均為負(fù)數(shù)，表示三種應(yīng)力均為壓應(yīng)力。由圖4可知，綜合第一主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、第三主應(yīng)力分布特征，確定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力大小排序均為：滲流 +C R Dgt; 滲流 + 環(huán)形臺(tái)階 gt; 無滲流 +C R Dgt; 無滲流 + 環(huán)形臺(tái)階，其原因在于CRD法開挖形成塑性區(qū)較小，圍巖荷載未得到充分釋放。而滲流作用影響下應(yīng)力大于無滲流，則是因?yàn)閼?yīng)力值在有效應(yīng)力基礎(chǔ)上加上了孔隙水壓力，因此滲流影響下的三種應(yīng)力值均有所增加。相對(duì)于第三主應(yīng)力，第一主應(yīng)力、中間主應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位。從第一主應(yīng)力、中間主應(yīng)力分布規(guī)律可知，最危險(xiǎn)點(diǎn)為邊墻處，滲流作用導(dǎo)致邊墻處孔隙水壓力明顯增大；以圍巖抗壓強(qiáng)度值5MPa作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 圍巖滲流場(chǎng)分析

由上述研究可知，考慮滲流作用的隧道開挖模擬更符合實(shí)際狀態(tài)，因?yàn)榭紤]了孔隙水壓力作為總應(yīng)力的重要組成部分，其影響著隧道開挖穩(wěn)定性，因此有必要探究孔隙水壓力對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響。

圖5為滲流作用下CRD法、環(huán)形臺(tái)階法的隧道圍巖孔隙水壓力分布曲線圖。從圖5可以看出，不管是何種開挖方法，拱腳處的孔隙水壓力最大，說明此處滲流動(dòng)力最大，最容易發(fā)生滲水。頂部孔隙水壓力較小，表明滲流主要不是垂直向下，而是表現(xiàn)為向內(nèi)部滲透的趨勢(shì)。在滲流作用下，環(huán)形臺(tái)階法的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力均大于CRD法，表明環(huán)形臺(tái)階法開挖受滲流場(chǎng)影響更大，因此CRD法更能滿足隧道施工穩(wěn)定性的要求。

6 結(jié)語

本文以某深理隧道軟巖區(qū)段作為實(shí)際工程背景，利用數(shù)值模擬軟件建立無滲流、滲流仿真模型，探究隧道處于不同開挖條件下的圍巖位移場(chǎng)、塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)分布規(guī)律，評(píng)價(jià)隧道施工穩(wěn)定性，并得出以下結(jié)論：

（1）無論是否考慮滲流，采用CRD法開挖的圍巖位移特征值均低于環(huán)形臺(tái)階法，且考慮滲流的圍巖位移特征更接近實(shí)際，表明CRD法開挖穩(wěn)定性優(yōu)于環(huán)形臺(tái)階法；考慮滲流的圍巖位移特征值明顯高于無滲流，說明滲流場(chǎng)對(duì)位移場(chǎng)影響顯著。

（2）無論是否考慮滲流，CRD法開挖塑性區(qū)面積小于環(huán)形臺(tái)階法；滲流作用下相同開挖方法的塑性區(qū)面積相較于無滲流有所增大，從塑性區(qū)方面分析得出CRD法優(yōu)于環(huán)形臺(tái)階法；塑性區(qū)危險(xiǎn)點(diǎn)為邊墻、拱腳，應(yīng)對(duì)邊墻、拱腳防水支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

（3）綜合主應(yīng)力分布特征，得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力大小排序?yàn)椋簼B流 +C R Dgt; 滲流 + 環(huán)形臺(tái)階 gt; 無滲流 +C R Dgt; 無滲流 + 環(huán)形臺(tái)階，CRD法的圍巖發(fā)揮了自我承載力；從應(yīng)力層面得出最危險(xiǎn)點(diǎn)為邊墻處，滲流作用加大了邊墻處的孔隙水壓力；以圍巖抗壓強(qiáng)度值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）無論何種開挖方法，在滲流作用影響下，拱腳孔隙水壓力最大，說明拱腳可能成為滲水點(diǎn)，其滲流力表現(xiàn)為向內(nèi)部的擠壓趨勢(shì)；環(huán)形臺(tái)階法的監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力均大于GRD法，表明采用環(huán)形臺(tái)階法開挖對(duì)滲流場(chǎng)影響較大，GRD法更符合施工要求。

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