富水軟巖隧道施工圍巖力學特性及變形研究

張智博

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000）

引言

富水軟巖隧道施工是山嶺隧道施工過程中的重要難題，水的存在會導致軟巖承載力急劇下降，嚴重影響隧道施工安全［1-3］。國內學者進行了一些研究，郭軍等［4］采用Midas/GTS 有限元軟件進行模擬分析，得出隧道拱腳圍巖變形較大，相比于三臺階開挖法，采用中隔壁法控制圍巖變形更好；于海東［5］以某隧道施工為研究對象，采用數值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法重點分析了富水隧道開挖變形，結果表明，拱腳處容易產生應力集中現(xiàn)象，拱頂處豎向變形最大，現(xiàn)場監(jiān)測值和數值模擬值較為接近，驗證了所提富水軟弱圍巖隧道施工技術的可靠性；張智健等［6］以某隧道工程為研究對象，采用數值模擬分析了含斷層帶隧道開挖穩(wěn)定性，研究表明，距離斷層越遠，圍巖穩(wěn)定性越好，斷層夾角越大，圍巖突變越嚴重，且斷層破裂帶對富水軟弱圍巖隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，施工過程中應加強監(jiān)測和控制。

1 工程概況

某山區(qū)富水地區(qū)擬建隧道全長326.4 m，山體上部叢林茂盛，山坡自然坡度約30°～38°，圍巖為IV 級和V 級，穩(wěn)定性較差，且?guī)r體中富含水源，隧道埋深介于130～160 m 之間。隧道最大寬度和高度分別為10.8 m 和8.6 m，隧道所處位置附近以黃土層、礫石層和中風化灰?guī)r層為主。擬采用預留核心土上下臺階開挖方法，隧道斷面施工工序見圖1。先進行上臺階開挖和支護，然后進行核心土開挖，最后進行下臺階開挖，每個開挖進尺為2.5 m，其中上臺階比核心土和下臺階各一個和兩個循環(huán)，右線超左線25 m。

圖1 隧道斷面施工工序

2 數值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件Midas/GTS 建模得到的隧道數值模型見圖2。隧道斷面的最大寬和高分別為10.8 m 和8.6 m，模型長、寬分別取120 m 和60 m，高度80 m，除模型上部邊界為自由面（為自由透水邊界），其他邊界均進行位移和邊界約束。隧道圍巖采用實體單元建立、襯砌采用結構單元，均采用摩爾庫倫本構模型。隧道支護形式為初支和二次支護，即鋼拱架+噴射混凝土+錨桿支護，初支噴漿厚度為25 cm，錨桿直徑為30 mm，長度為3.5 m。由于隧道頂部位于地下水位15 m 以下，在模型上部施加15 m的靜水壓力（即0.15 MPa），即在模型頂面施加面荷載。考慮流固耦合作用與不考慮流固耦合作用兩種工況隧道圍巖變形與支護受力進行對比分析，施工采用預留核心土上下臺階開挖方法施工方式，每次開挖進尺2.5 m，先進行上臺階開挖，然后進行核心土開挖，后進行下臺階開挖。

圖2 數值模型

2.2 參數賦值

表1 為土層的物理力學參數，表2 為噴射混凝土和錨桿力學參數。

表1 土層的物理力學參數

表2 噴射混凝土和錨桿力學參數

3 數值結果分析

3.1 開挖完成后位移分析

隧道開挖后，由于圍巖被擾動，會重新進行應力分布，導致圍巖發(fā)生變形，尤其是高壓富水軟巖隧道。在隧道的變形分析過程中，是否考慮流固耦合作用，對結果的影響非常重要。為了對比考慮流固耦合作用前后隧道變形的差異，圖3 和圖4 給出了隧道開挖完成后水平和豎向位移云圖。由圖3 可知，隧道開挖完成后，考慮流固耦合作用前后，圍巖最大水平位移分別為15.8 mm 和20.5 mm，二者最大水平位移均發(fā)生在拱腰附近?？紤]流固耦合作用后的最大水平位移比不考慮時增大了29.7%。由圖4 可知，考慮流固耦合作用前后，圍巖最大豎向位移分別為27.6 mm 和47.2 mm，二者最大豎向位移均發(fā)生在拱頂附近?？紤]流固耦合作用后的最大豎向位移比不考慮時增大了71.1%。

圖3 開挖完成后水平位移云圖

圖4 開挖完成后豎向位移云圖

從整體云圖來看，考慮流固耦合作用后圍巖變形整體增大許多。實際上，高壓富水隧道開挖后會形成水力臨空面，與此同時產生較大的水力坡度，有效應力增大，考慮流固耦合作用所得到的與實際更為接近。

3.2 初期支護后圍巖應力分析

初期支護的支護作用發(fā)揮直接關系到隧道的安全性與穩(wěn)定性，表3、表4 分別給出了考慮流固耦合作用前后的隧道關鍵點最大和最小主應力值。

表3 各監(jiān)測點主應力值（不考慮滲流作用）

表4 各監(jiān)測點主應力值（考慮滲流作用）

由表3、表4 可知，對于最大主應力，考慮流固耦合作用前后的值分別為0.48 MPa 和1.27 MPa，均發(fā)生在拱底附近，說明考慮流固耦合作用后，圍巖拉應力增大了1.6 倍。對于最小主應力，考慮流固耦合作用前后的值分別為12.66 MPa 和18.48 MPa，均發(fā)生在拱頂附近，說明考慮流固耦合作用后，圍巖壓應力增大了46.1%。

綜合來看，考慮流固耦合作用后，圍巖的拉應力和壓應力均明顯增大，因此，對于富水軟巖隧道，在設計和施工時要重點進行支護加固，防止隧道發(fā)生失穩(wěn)。

3.3 隧道圍巖塑性區(qū)云圖分析

考慮流固耦合作用前后開挖完成后隧道圍巖塑性區(qū)云圖見圖5。

圖5 開挖完成后隧道圍巖塑性區(qū)云圖

由圖5 可知，考慮流固耦合作用后，圍巖的塑性區(qū)明顯較不考慮時增大，因為隧道開挖過程中，部分圍巖因出現(xiàn)應力集中被壓縮，由于水的存在，會形成超靜孔隙水壓力，此時圍巖更容易發(fā)生屈服，即塑性區(qū)明顯擴大，與實際監(jiān)測的規(guī)律相符合。

4 結語

（1）考慮流固耦合作用后的最大水平位移和最大豎向位移比不考慮時分別增大了29.7%和71.1%；圍巖最大拉應力和最大壓應力分別增大了1.6 倍和46.1%。（2）考慮流固耦合作用后，圍巖的塑性區(qū)明顯增大，更容易發(fā)生屈服。（3）高壓富水隧道開挖后會形成水力臨空面，與此同時產生較大的水力坡度，有效應力增大，考慮流固耦合作用所得到的與實際更為接近。對于富水軟巖隧道，在設計和施工時要重點進行支護加固，防止隧道發(fā)生失穩(wěn)。