隧道不良地質段施工技術探討

高川川

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

在不良地質段開挖隧道具備一定的難度，通常開挖完隧道后容易導致工程事故的發生。特別是地下水位較高的不良地段，因滲流場的作用容易使隧道在開挖時出現受力以及變形的變化。以某不良地段下隧道開挖區施工以及支護情況作為研究背景，以建立有限元的方式對不良地段隧道襯砌結構因滲流場影響所改變的受力及變形情況進行分析。

1 有限元模型

在不良地質段開挖隧道容易因地下水的影響導致工程事故的發生。利用ABAQUS 軟件建立滲流作用下隧道的有限元模型，并以該模型對不良地質段開挖隧道時所受滲流作用的過程進行模擬。模型建立時所選取的圍巖尺寸為100 m×100 m，以實際隧道的標準設計尺寸進行建模，具體如圖1 所示。為使模型與實際更加貼合，以將透水孔設置在拱腳的方式對支護結構的透水性進行模擬，以便于模擬支護后支護結構的排水性。本模型所采取的斷面開挖方式為上下臺階法。

2 滲流參數分析結果

分析開挖導致的孔隙水壓力及孔隙比變化。將開挖隧道前孔隙水壓力為0 的點設置在頂面以下-20 m 處，將孔隙比的初始值設定為0.2，在該狀態下，隨著深度的不斷增加孔隙水壓力不斷上升。

邊界處開挖時，該處的孔隙水壓力因滲流作用散失約束而得以釋放降低。將不透水層設定為襯砌，并在拱腳處安放透水層，在襯砌完成施工后，因限制了邊界的滲流，使得最終孔隙水壓力表現為有負值出現在拱頂以及拱底處，意思既該處無水，因為拱腳處透水層的存在，因此襯砌施工完成后，使孔隙水壓力表現為拱頂以及拱底處數值不斷上升，并有較大的水壓保持在兩側拱腰處。

隨著隧道的不斷開挖，拱頂和拱底兩處孔隙比所呈現規律為不斷的上升，而拱腰處則是不斷下降，總體而言所呈現的規律為對稱分布。與拱頂孔隙比的增加量相比，拱腰處的孔隙比降低量較小，分析原因可知，拱頂處主要是因為豎向位移所導致孔隙比增加，而拱腰處主要是因為水平位移所導致的孔隙比降低。

為對隧道開挖各個過程孔隙比以及孔隙水壓力的變化規律進行研究，將兩者關系繪制如圖2、圖3 曲線圖所示。

圖1 有限元網格

從圖2 中可知，隨著開挖支護施工的不斷進行，孔隙水壓力所呈現的趨勢為孔隙水壓力在開挖之后較快的降低，而在支護完上臺階之后，孔隙水壓力不斷的上升，呈現出最終孔隙水壓力相對變化較小的規律，從其變化的趨勢可看出，孔隙水壓力所受到的開挖支護下斷面的影響較小，主要影響因素為開挖上臺階之后的孔隙水壓力得到釋放為主。兩側拱腳處所呈現的變化規律基本相同，且其僅有較小的孔隙水壓力變化。拱頂處的變化的孔隙水壓力程度相比拱底較低，原因在于其下部初始的孔隙水壓力較大，在開挖完上臺階之后，孔隙水壓力得到較為迅速的釋放，但在完成支護之后，排水邊界僅依靠所預留的排水孔提供，因此，隨著時間的不斷增加，孔隙水壓力不斷上升，但其最終所能得到的釋放程度較小。

根據圖3 的模擬結果可知，隨著隧道的不斷開挖，孔隙比的變化規律同孔隙水壓力的變化規律一致。孔隙比在兩側的拱腳處不斷降低，而拱頂以及拱腰則表現為不斷上升，并且相比于拱腰處孔隙比的增大量，拱底處的增加量較大。但拱頂和拱底孔隙比的增加量與拱腰減小量的相對比值較小。

圖2 孔隙水壓力隨隧道開挖的變化曲線

圖3 孔隙水孔隙比隨隧道開挖變化曲線

3 滲流作用下隧道位移隨開挖的變化

3.1 圍巖應力的變化

在拱頂及拱底處的水平應力變化規律為向右，而在拱腰處的水平應力變化規律為向左。相比于拱腰，拱腳處有較大的水平應力。應力分布方式為對稱分布，且有應力尖角出現在拱頂及拱腳兩側。

拱頂及拱底處的豎向應力釋放較為明顯，僅有較小的豎向應力。在拱腳處有相對較大的水平應力，并呈現出對稱分布的形式。

為對分析隧道圍巖應力的變化，將開挖隧道時的應力變化繪制成如圖4、圖5 所示曲線圖。

從圖4 可知，在拱腳處圍巖的豎向位移有向上擠壓的趨勢，因此在該條件下豎向應力相應上升，但下臺階在開挖后的豎向位移持續性的降低直至初始的時期，因此該種情況下的豎向應力也有所下降。拱頂處位移的變呈現出先降低后上升的趨勢，主要是因為在孔隙水壓力在完成支護不斷上升。

圖4 豎向應力隨隧道開挖過程的變化曲線

從圖5 可看出，圍巖的水平位移及水平應力變化規律一致。因為拱腰呈現出先縮小再增大的變化趨勢，因此應力具有先降低后增大的趨勢，拱頂及拱底的變化也相應的具有下降趨勢，但因改變了孔隙的水壓力，導致有明顯的應力下降。

3.2 襯砌結構的應力變化

圖5 水平應力隨隧道開挖過程的變化曲線

隧道開挖后的支護結構豎向及水平應力變化規律。①拱頂處襯砌的水平應力較小，拱底則具有相對較大的水平應力。根據拱腰位移的變化和排水邊界，可知拱腰具有相對較大的水平應力；②豎向應力在拱頂及拱底處較大，而拱頂兩側則是相對較小的豎向應力，襯砌內邊界的豎向應力則相對較大，整體上呈現出對稱的應力分布。因為結構變形的特點導致拱腰應力的分布所表現的趨勢為向上變化。

在完成開挖到施加支護的這段時間里，由于襯砌尚未施工而沒有應力的變化。既下臺階施工襯砌前，沒有豎向應力在拱腰和拱底處產生，拱腰則是因為向上變化的規律，導致其呈現的應力變化規律為不斷上升。在上臺階襯砌完成施工之后，拱頂的豎向應力隨之發生改變，并在初始階段有較為迅速的上升。在完成襯砌的施工后，拱頂的水平應力隨其位移的變化而變化，但其改變量相對較小。而僅在完成下臺階的襯砌施工后，拱腰及拱底才會出現應力變化，根據圍巖位移的水平變化趨勢，這兩處的應力變化呈現出增加的趨勢。

4 結語

通過上述分析，主要得出下列結論：①孔隙水壓力會由于隧道的開挖而不斷下降，并且其孔隙水壓力隨開挖區域的距離呈現出距離越遠變化越低的規律。但在襯砌完工后，拱腰處呈現出孔隙水壓力不斷上升的現象，而拱腳處則變化不大，主要是因為在拱腳處設置了隧道襯砌排水口所致；②在滲流場的作用下，最大的水平應力出現在拱腰位置，而拱頂處的豎向應力最大。在施工襯砌結構前應加固拱頂及拱腰。

通過對比無滲流場作用下開挖隧道時的圍巖變形和應力及襯砌受力，得出結果為：隧道圍巖的變形及應力在有滲流場作用時更大，且襯砌的最大水平應力出現在拱腰處。因此建議在開挖隧道前應對拱腰位置采取系統錨桿注漿的方式進行加固。