超孔隙水壓力作用下某隧洞穩定數值模擬研究

佟文韜

（河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 071000）

超孔隙水壓力作用下某隧洞穩定數值模擬研究

佟文韜

（河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 071000）

為研究在超孔隙水壓力作用下隧洞開挖支護后圍巖的應力應變特性，以某新建取水隧洞為例，采用數值分析法對隧洞的開挖支護過程進行模擬。結果表明：受超孔隙水壓力影響，土體開挖將造成隧洞位移逐漸增大，及時支護后變形量得到控制；隧洞圍巖剪應力主要分布在拱頂和洞底兩側，支護后剪應力和剪應變均有所減??；在地表車載作用產生超孔隙水壓力后，隧洞拱頂右側所受剪力和彎矩明顯大于左側。

超孔隙水壓力；隧洞；數值分析；應力；彎矩

在傳統水利工程中，取水隧洞常作為導流和放空的水工建筑物使用。隧洞開挖后，使得原有封閉的巖體被揭露，并與周圍的外界環境相接觸，外界環境因素的改變對巖體的變形與損傷弱化影響作用明顯，尤其是水的存在會對巖體結構的穩定性具有重要影響［1］。Cai等［2］提出了地下洞室開挖完成后脆性巖體裂紋起裂和裂紋損傷的應力門檻值，并根據隧洞開挖后圍巖的應力重分布判斷開挖損傷區的大?。籆arter等［3］通過對巖體不同開挖速率進行研究，發現巖體開挖卸荷速率越快，對圍巖的破壞越大；Ma［4］和Zhu［5］采用數值模擬的方法，研究了爆炸荷載作用下巖體的損傷及裂紋擴展過程；王媛等［6］采用顆粒流PFC3D軟件對隧洞突水、突泥的全過程進行模擬，發現突水發生的前提是存在集中的高壓水源，水源壓力的大小、巖體強度、巖體裂隙性狀是影響突水的主要因素。

縱觀現有的隧洞研究成果，主要針對巖體開挖損傷和滲流對圍巖穩定性方面的研究，而基本忽略了外界荷載對隧洞短時間作用時產生超孔隙水壓力作用下圍巖穩定的影響。因此，本文基于Plaxis滲流有限元程序，在考慮車載瞬時作用產生超孔隙水壓力的基礎上，研究隧洞在開挖、支護后圍巖和加固結構體的應力應變特性，旨在對隧洞的穩定性做出評估，為后期工程建設的順利開展提供參考。

1 隧洞概況及模型建立

某新建取水隧洞為無壓段隧洞，城門洞型，設計的側墻高度1．85m，頂拱為半徑0．75m半圓形結構，50cm厚鋼筋C25混凝土襯砌。隧洞坡度i=0．0015，出口底板與干渠相連。目前，取水隧洞已經順利挖通，但由于隧洞所處地質條件較差，在后期施工過程中洞內土體出現了局部坍塌掉落現象，給工程的順利施工造成了不利影響。

選取隧洞開挖剖面4-4進行分析，根據實際地形建立有限元計算模型，最大高度15m，寬13m，頂部距拱頂6m，地表存在寬4m的公路，因此需考慮過車荷載的影響，均布荷載取20kN/m，地下水埋深3～4m。最終建立的取水隧洞開挖模型如圖1。

為了研究隧洞從開挖到支護過程中隧洞各部位發生的位移變化，選取隧洞邊界4個點作為監測，并編號A，B，C，D，其中A位于拱頂點，B和D位于洞底兩側，C位于洞底中部，具體監測點布置如圖1（b）。

圖1 取水隧洞開挖模型及相關尺寸

根據隧洞地層結構及其工程勘察報告，取水隧洞圍巖分級為Ⅳ類，巖體質量較差，主要為強風化泥巖，遇水后強度將大大降低，相關力學參數如表1。C25鋼筋混凝土采用板單元模擬，輸入相關的剛度參數即可［7-9］。

表1 相關力學參數

隧洞模型建好后，需對隧洞地下水進行初始水力計算。地表施加了車載，屬于外部荷載，當土體受到外力擠壓，土體顆粒內將產生超靜孔隙水壓力，且車載作用時間較短，超靜孔隙水壓力來不及消散，將在一定時間內存在于巖土體內部，如圖2。一般來說，超孔隙水壓力會隨著時間的推移逐漸消散，屬于土體固結過程，本文暫不考慮［10-12］。

圖2 車載作用下隧洞圍巖超靜孔壓分布

2 計算結果及分析

2.1 圍巖位移分析

由于隧洞土體開挖卸荷的影響，隧洞周邊巖體將發生不同程度的變形，圖3給出了隧洞開挖后模型發生的水平和垂直方向位移，規定水平位移向右為正，垂直位移向上為正。

分析可知：在水平方向上，隧洞發生水平位移的區域主要集中在側墻外部巖體，向隧洞內側變形，且由內向外逐漸減小，左右兩側的位移云圖基本對稱，左側最大值2cm，右側最大值2．5cm，說明隧洞右側土體發生的水平位移稍大，這是由于隧洞右側位于公路以下，受地表的車載壓力傳遞造成的，如圖3（a）。

在垂直方向上，隧洞發生垂直位移主要分布在拱頂及洞底一定深度范圍內的土體。受上部覆蓋土壓力和車載的影響，拱頂發生向下的垂直位移，最大值2．2cm，并在拱頂與公路間的土體內形成1．5cm的沉降帶。而隧洞底部土體由于受卸荷回彈作用明顯，發生垂直向上的回彈位移，最大值1．4cm，且深度越深，回彈量也越小，如圖3（b）。

圖3 隧洞開挖后位移云圖

圖4給出了不同計算步隧洞開挖支護后測點垂直位移變化情況，其中前2步為施加重力和地下水作用，之后將位移清零，3～9步表示隧洞開挖，9步以后開始襯砌支護。分析可知，在開挖階段，隧洞各部位發生的位移逐漸增大，其中位于拱頂的A點沉降明顯，底部出現較小的回彈變形，當及時采取支護措施后，各點位移基本保持穩定并不再變化。

圖4 隧洞開挖支護后測點位移變化

綜上所述，本隧洞工程開挖完成后及時采取支護措施，有利于控制隧洞圍巖的變形。相反，如果隧洞開挖后支護措施相對滯后，任由其發展，圍巖沉降量將隨時間的推移出現不可逆的增加，此時再進行支護為時已晚。因此，對于類似工程隧洞開挖后的Ⅳ類圍巖必須及時采取支護措施。

2.2 圍巖應力應變分析

由于本工程隧洞開挖后穩定性較差，有必要進一步對圍巖進行應力應變分析。巖體開挖后圍巖臨空，破壞形態往往可以分為拉破壞和剪切破壞兩種［13］，而本工程涉及的圍巖為強風化泥巖，遇水浸泡后幾乎沒有抗拉強度，因此本文應力分析以剪切破壞為主。

圖5為隧洞開挖后圍巖的剪應力分布。分析可知，剪應力主要集中分布在拱頂和洞底兩側，支護前最大剪應力為-98kPa，支護后剪應力分布范圍得到控制，最大剪應力-91kPa，比支護前有所減小。

圍巖在剪應力作用下，將發生相應的剪切變形。剪切應變γ計算公式：

圖5 支護前后隧洞剪應力τ分布對比

式中θ為巖體材料將發生偏斜的偏斜角。

由于剪應變數值較小，且為無量綱，因此剪應變的單位用%或10-3%表示。

圖6（a）表示了隧洞支護前的剪應變分布，發現剪應變主要分布在隧洞底部兩側與側墻交點位置，最大剪應變在0．12%～0．14%之間，拱頂兩側剪應變大小為0．05%。當及時采取支護措施后，圍巖剪應變得到有效控制，剪應變最大值位于洞底右側，僅為1．9×10-3%，左側和拱頂的剪應變更小，具體如圖6（b）。

圖6 支護前后隧洞剪應變對比

2.3 襯砌受力變形分析

本文采用了板單元模擬了相應厚度的鋼筋C25混凝土襯砌，需對其變形和受力狀態進行分析，以便評估襯砌的安全性和可靠性。圖7為襯砌的位移矢量，剪頭指向為發生位移方向，發現側墻中部向內變形明顯，最大變形量2．44cm，拱頂圓弧結構表現為下沉、大小相等，洞底中部發生向上的垂直位移，往兩側遞減。圖8為襯砌的軸力圖，數值為負值，說明結構主要受壓，最大值位于拱頂中部，為-8．07kN，其余部位軸力相對較小。

圖7 襯砌位移矢量（極值2.44cm）

圖8 襯砌軸力圖（極值-8.07kN）

圖9 襯砌剪力（極值5.13kN）

圖9和圖10分別為襯砌結構所受剪力和彎矩圖。根據材料力學知識可知：在剪力FQ=0處，彎矩取得極值，說明本文計算結果是正確的。其中最大剪力發生在拱頂右下側，為5．13kN，而最大彎矩位于拱頂右側圓弧中部，為1．64kN·m。襯砌結構右側所受剪力和彎矩明顯大于左側，這是由于右側地表施加了車載造成的。

圖10 襯砌彎矩（極值1.64kN·m）

3 結語

以某新建取水隧洞為例，采用數值分析法對隧洞的開挖支護過程進行模擬，重點研究了在超孔隙水壓力作用下，隧洞圍巖的位移和應力應變特性及支護結構的受力變形情況，得到以下結論：

（1）隧洞受開挖卸荷影響，側墻發生相向的水平位移，拱頂下沉2．2cm，洞底最大回彈位移1．4cm。隧洞的開挖施工將造成各部位垂直位移逐漸增大，及時采取支護措施有利于控制隧洞變形。

（2）隧洞圍巖剪應力主要分布在拱頂和洞底兩側，采取襯砌支護后，最大剪應變有所減小，最大剪應變由0．12%～0．14%減小到1．9×10-3%。

（3）襯砌結構的變形量在允許范圍內。受右側地表車載影響，隧洞拱頂右側所受剪力和彎矩明顯大于左側。結構計算成果可為工程加固結構的設計提供參考。

綜上所述，在對此類含水量較多的巖土隧洞進行開挖支護模擬時，若可能出現短時間作用的外部荷載，需考慮超孔隙水壓力的影響。

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（責任編輯：尹健婷）

Numerical simulation study of a tunnel stability under excess pore water pressure condition

TONG Wen-tao
（Baoding Hydrology and Water Resources Survey Bureau，of Hebei Province，Baoding 071000，China）

In order to study the effect of excess pore water pressure and tunnel excavation support after supporting of surrounding rock，taking a tunnel as an example，the tunnel excavation process is simulated.The results show that：the soil excavation will cause tunnel displacement increasing gradually，deformation could be controlled with timely support；tunnel surrounding rock shear stress is mainly distributed in both sides of the vault and the bottom of the cave，and the shear stress and shear strain decreases after support；the tunnel shear stress and bending moment is larger than the left significantly when considering the surface vehicle on the right side and with excess pore water pressure.

excess pore water pressure；tunnel；numerical analysis；stress；bending moment

TV672+.1；U45

：B

：1672-9900（2017）02-0017-05

2017-01-10

佟文韜（1983-），男（漢族），河北保定人，工程師，主要從事水利工程方向研究，（Tel）18932653705。