穿越多軟弱夾層的公路隧道圍巖穩定性分析

摘要：為探究軟弱夾層數量對隧道圍巖穩定性的影響，文章依托某多軟弱夾層公路隧道實際工程，運用FLAC3D有限差分軟件建立多軟弱夾層隧道計算模型，通過典型斷面數值反演，并結合實際監測結果，驗證數值模型和研究方法的可靠性，得到如下結論：（1）對比分析數值仿真結果與監測數據可知，典型斷面圍巖變形模擬值和監測值變化趨勢一致，模擬值略小，差值在容許范圍內，即數值模型可行；（2）對比4種工況模擬結果可知，軟弱夾層對隧道圍巖穩定有較大影響，圍巖變形、應力、塑性區范圍隨軟弱夾層數量的增加而增大，且在軟弱夾層附近出現集中，顯著增加了隧道破壞風險；（3）圍巖位移受軟弱夾層影響最大，故應當將其作為穿越多軟弱夾層的公路隧道圍巖穩定性的判斷標準。

關鍵詞：多軟弱夾層；數值反演；隧道圍巖穩定；FLAC 3D

0引言

隨著國民經濟的不斷發展，公路交通發展迅速，我國隧道事業建設水平也不斷提高。我國地形、地質情況復雜多樣，由于地形條件的限制，公路隧道建設不可避免地需要穿越地質條件復雜的地帶。軟弱夾層作為常見的不良地質，對隧道圍巖穩定有極大的影響。大量工程實踐表明：隧道失穩和坍塌大多發生在軟弱夾層附近，而穿越多軟弱夾層的隧道，其圍巖失穩破壞情況更加嚴重。因此，進行多軟弱夾層條件下的隧道圍巖穩定性研究十分必要。

何知思［1］采用Midas GTS軟件建立軟弱圍巖隧道模型，分析夾層厚度、傾角、位置等指標對隧道圍巖穩定性的影響，根據影響程度對軟弱夾層圍巖進行分級，并依托某高鐵隧道工程實例驗證該分級方法的可靠性。石少帥等［2］依托宜巴高速公路隧道工程實例，針對該區軟弱夾層不良地質，采用FLAC 3D軟件模擬不同傾角及位置的軟弱夾層對圍巖穩定的影響，得出圍巖變形及應力分布規律。萬桂軍等［3］以貴州某高速公路隧道為研究對象，采用FLAC 3D軟件建立淺埋小凈距軟弱夾層段隧道三維計算模型，研究含軟弱夾層段隧道在開挖過程中的圍巖變形、受力響應規律。郭富利等［4］結合工程實際，考慮軟弱夾層與隧道掌子面圍巖的各種組合方式，通過室內試驗建立軟弱夾層隧道圍巖的力學模型，揭示軟弱夾層圍巖變形失穩機理。文海家等［5］基于某山嶺隧道工程實例，運用FLAC 3D軟件模擬穿越兩條軟弱夾層隧道的開挖過程，深入研究隧道開挖的破壞模式，對比分析含單條和兩條軟弱夾層隧道圍巖破壞模式的差異性。

為探究軟弱夾層數量對隧道圍巖穩定的影響，本文依托某多軟弱夾層公路隧道實際工程，運用FLAC 3D軟件建立多軟弱夾層隧道計算模型，通過典型斷面數值反演，并結合實際監測結果，驗證數值模型和研究方法的可靠性；考慮夾層數量對圍巖的影響，模擬4種工況隧道的圍巖變形、應力及塑性區發展情況，進行隧道圍巖穩定性分析。

1 依托工程概述

依托工程為在建公路中長隧道工程，隧道總長為1 175 m，埋深約為150 m。隧道所在區域為構造剝蝕中低山丘陵地貌，地勢起伏較大，上覆碎石土和粉質黏土，下伏砂巖、泥巖及頁巖。地表水主要為降雨所致地表徑流；地下水不發育，主要為基巖裂隙潛水。隧道圍巖等級為Ⅳ級和Ⅴ級，主要由中風化砂巖和少部分夾泥巖、強風化軟巖等軟巖組成。隧道附近有多條軟弱夾層，圍巖較軟，完整性和自穩性較差。隧道開挖過程采用噴射混凝土進行初期支護。

2 模型建立及工況設置

選取該隧道段某穿越多軟弱夾層的典型斷面進行數值仿真分析。該斷面主要以灰色中風化砂巖為主，斷面圍巖節理裂隙發育，完整性差，局部松散破碎，泥巖填充裂隙從而形成軟弱夾層。掌子面位置共計兩條軟弱夾層穿過隧道，圍巖整體性和自穩能力較差。

運用FLAC 3D軟件建立隧道三維計算模型，如下頁圖1所示（僅展示典型斷面模型）。考慮隧道的空間效應，計算模型整體寬100 m、高100 m、縱向深28 m。隧道洞口寬11.21 m、高8.69 m，位于計算模型中心位置。隧道采用臺階法開挖，模型以每天掘進2 m作為一個施工步模擬開挖過程，監測開挖過程中監測斷面（隧道開挖方向中心位置）圍巖變形、應力情況。計算模型選用Ⅳ級圍巖和Ⅴ級軟弱夾層，軟弱夾層及圍巖均選用實體單元，采用Mohr-Coulomb本構模型，軟弱接觸面選用接觸面單元，具體物理力學參數設置如表1所示。隧道開挖考慮初支噴射混凝土，彈性模量20.5 GPa，泊松比0.2，等效厚度為25 cm。

先將典型斷面數值仿真結果與實際監測數據進行對比分析，以驗證數值模型的可靠性。該斷面共設置兩條軟弱夾層：第一條軟弱夾層（厚度為2.5 m）以30°角穿過隧道中心；第二條軟弱夾層（厚度為20 m）位于隧道右下方，角度為33°。

考慮到隧道沿線軟弱夾層分布情況存在差異，隧道周圍可能出現存在多條軟弱夾層的情況，故而建立不同夾層數量（0～3條）的隧道模型，進行4種工況隧道圍巖穩定性分析，指導多軟弱夾層隧道設計。工況1：無軟弱夾層；工況2：1條穿越隧道中心的軟弱夾層；工況3：在工況2的基礎上增加一條位于洞口上方的軟弱夾層（距隧道洞口1 m）；工況4：在工況3的基礎上增加一條位于洞口下方的軟弱夾層（距隧道洞口1 m）。軟弱夾層相互平行，夾層厚度為1 m、傾角為45°。軟弱夾層設置如圖2所示。

3 結果分析

3.1 典型斷面對比分析

拱頂沉降和洞周收斂分析結果如圖3所示。由圖3可知，拱頂沉降大于洞周收斂，符合工程實際。隨著開挖的進行，拱頂沉降及洞周收斂的監測值和模擬值變化趨勢均保持一致，變化曲線近似拋物線，變化過程可分為3個階段：（1）急速增長階段（0～8 d），位移變化量占總變化量的60%～70%；（2）緩慢增加階段（9～19 d），位移變化量占總變化量的25%～30%；（3）穩定不變階段（20～28 d），位移變化量占總變化量的0～5%。拱頂沉降和洞周收斂主要集中在前期監測掌子面開挖以前，開挖以后對監測掌子面的擾動變小，對應的圍巖位移發展變小。由于數值模擬方法與實際施工存在差異（數值模擬支護措施立即生效，而實際施工支護措施生效時間滯后，圍巖已發生一定程度的變形），造成整體上模擬值小于實測值，但總體差值較小，且變化趨勢一致，說明模擬結果的可靠性及數值方法模擬多軟弱夾層隧道的可行性。

3.2 四種工況隧道圍巖穩定性的影響

3.2.1 圍巖位移

不同工況下的隧道豎向位移最大值曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著軟弱夾層數量的增加，最大正向位移線性增大；最大負向位移先緩慢增大，然后急劇增大，最后保持平穩。由此可見，軟弱夾層數量及位置分布對豎向位移影響很大，且拱頂沉降（負向位移）對軟弱夾層的數量和位置變化更加敏感，第二條軟弱夾層靠近隧道頂部，導致頂部沉降顯著增大；第三條軟弱夾層離隧道頂部較遠，對頂部沉降影響相對較小。工況1掌子面無軟弱夾層存在，開挖完成后圍巖豎向位移以隧道中心呈左右對稱分布，隧道拱底位置發生最大正向豎向位移，拱頂位置發生最大負向位移。分析原因，隧道開挖破壞圍巖原始應力狀態，導致應力重分布，引起隧底隆起和拱頂沉降。工況2由于隧道中心軟弱夾層的加入，破壞了原始的對稱分布狀態，最大正向位移由拱底中心轉移到拱底左側與軟弱夾層交匯的地方。工況3拱頂左側（靠近上方夾層處）出現最大負向位移，正向位移和負向位移相比于工況1、工況2顯著增大，即拱頂沉降急劇增加，因此上方軟弱夾層的存在顯著增大了圍巖變形，加劇了隧道失穩破壞的風險。同樣，由于下方軟弱夾層的存在，工況4最大正向位移轉移到拱底右側，上方負向位移與工況3相比變化較小。

不同工況下的隧道水平位移最大值曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著軟弱夾層數量的增加，正向位移變化更加明顯，其先保持不變，然后急劇增大，最后保持平穩；負向位移逐漸增大，在下方夾層加入后增大明顯。開挖完成后，工況1圍巖水平位移以隧道中心呈左右對稱分布，最大正向水平位移和最大負向水平位移位于左右拱腰位置，拱腰圍巖向臨空面發生位移。由于軟弱夾層的加入，工況2的水平位移不再呈左右對稱分布，最大水平正向位移位置和大小沒有發生變化，最大負向水平位移增大，并轉移至隧道右側拱腰軟弱夾層交匯位置。工況3隧道左側拱腰距軟弱夾層最近位置發生最大正向水平位移，正向位移顯著增大，說明上方軟弱夾層對隧道左拱腰的水平位移影響較大，應加強該位置的支護與檢測；負向位移也增大，最大負向水平位移發生在隧道右側拱腰軟弱夾層交匯位置。由于下方軟弱夾層的加入，工況4的最大水平正向位移和最大負向水平位移均發生在隧道拱腰與軟弱夾層的交匯位置，與工況3相比，最大正向水平位移變化較小，最大負向水平位移顯著增大。綜上，最大水平位移集中在軟弱夾層與隧道拱腰的交匯位置，夾層數量的增加會引起隧道位移的增加和位移最大位置的重分布，上下軟弱夾層（工況3、工況4）的加入會引起附近位置圍巖水平位移的劇烈增加，加劇隧道失穩風險。

3.2.2 圍巖應力

不同工況下的隧道最大主應力最大值曲線如圖6所示，各工況下圍巖的最大主應力均表現為壓應力。由圖6可知，隨著夾層數量的增加，最大主應力總體呈增大趨勢，在工況3處顯著增大。最大主應力分布隨夾層數量和位置的變化而發生改變，工況1圍巖最大主應力呈左右對稱分布，最大值位于左右拱腰處。工況2因中部軟弱夾層的加入，最大主應力不再呈對稱分布，隧道開挖卸載后上部圍巖擠壓拱腳，引起該處的應力集中，左側最大主應力最大值由拱腰位置發展到拱腳位置。工況3的圍巖兩側不再均有應力較大區域，最大主應力較大區域主要集中在圍巖右側，右側拱腳處發生應力集中現象。工況4左右兩側最大主應力沿夾層發展，主要分布在軟弱夾層外側，且在拱腳處發生應力集中現象。

不同工況下的隧道最小主應力最大值曲線如下頁圖7所示，各工況下圍巖的最小主應力主要表現為壓應力，少部分區域表現為拉應力，最大壓應力顯著大于最大拉應力。由圖7可知，隨著夾層數量的增加，最大壓應力和最大拉應力總體上均呈不斷增大的趨勢，且在工況3處增加更加明顯。同樣，不同工況下的最小主應力呈現不同的分布，工況1圍巖最小主應力呈左右對稱分布，整體上受壓，在拱頂和拱底位置出現少量拉應力。相較工況1，工況2壓應力基本保持不變，拉應力明顯增加，受拉區主要分布在拱底及右側軟弱夾層處，并少量延伸到右拱腰附近。工況3受拉區域有所減少，主要分布在拱頂和拱底位置，拉應力和壓應力較工況1、2顯著增大。相較工況3，工況4的拉壓應力值和拉壓區分布變化不大。

3.2.3 圍巖塑性區

各工況圍巖塑性區發展情況如圖8所示，其中，淺灰色表示該區域沒有塑性發展；深灰色表示該區域圍巖發生破壞（開挖期間），應力值降至屈服面以下。隨著夾層數量的增加，圍巖塑性區分布不斷變化，剪切破壞加劇。

工況1的隧道圍巖僅拱底位置沒有發生塑性變形，左右拱腳附近區域和右拱腰小部分區域均發生剪切破壞，塑性區整體上呈對稱式分布。受軟弱夾層影響，工況2的隧道圍巖四周塑性區范圍整體增大，左拱腰塑性區面積增大，右拱腰塑性區沿第一條軟弱夾層向上發展，左右拱腳位置均發生剪切破壞，且左側受軟弱夾層影響破壞面積更大。工況3在兩條軟弱夾層的共同影響下，整體上塑性區面積明顯增加，拱頂左右兩側出現較大的塑性區域，受剪破壞區主要集中在左側拱腳和拱腰位置，并沿第二條軟弱夾層向下發展。工況4整體塑性區范圍繼續擴展，夾層位置塑性區范圍明顯增大，塑性破壞區主要集中在右側拱腳位置，并沿隧道下側軟弱夾層向上發展，中部夾層與隧道輪廓交界位置也發生少量剪切破壞。綜上，軟弱夾層對隧道塑性發展具有較大影響：隨著軟弱夾層數量的增加，塑性區面積不斷增加，當存在3條軟弱夾層時，隧道周圍和夾層附近均為塑性區，并沿夾層不斷發展。

3.3 判定指標對比分析

為探究軟弱夾層數量對圍巖位移和應力的影響程度，以工況1（無軟弱夾層）的位移、應力值作為基準，將其位移、應力值定為無量綱常數1，其他各工況位移、應力值對應按比例進行調整（各工況值/工況1值），處理完成后的位移、應力無量綱值則代表軟弱夾層數量對位移、應力的影響程度大小，繪制各工況軟弱夾層數量的變形、應力影響程度曲線如圖9所示。由圖9可以看出，軟弱夾層對各項指標的影響程度由大到小依次為：水平位移、豎向位移、大小主應力。其中，軟弱夾層數量對水平位移的影響程度遠遠大于豎向位移和大小主應力。最大、最小主應力保持一致變化的趨勢，而正、負向位移變化趨勢則不同，表明軟弱夾層數量對大小應力的影響程度保持一致，對正負位移的影響程度有一定差異。因此，通過分析不同工況軟弱夾層數量的變形、應力影響程度曲線可知，圍巖位移受軟弱夾層數量的影響最大，可作為隧道穩定性的判斷標準。

4 結語

為探究軟弱夾層數量對隧道圍巖穩定的影響，本文依托某多軟弱夾層公路隧道實際工程，運用FLAC 3D有限差分軟件建立多軟弱夾層隧道三維計算模型，并結合典型斷面監測結果，進行數值反演，驗證數值模型的可靠性；模擬考慮夾層數量的4種工況，探究夾層數量對隧道圍巖位移、應力和塑性區發展的影響，得到結論如下：

（1）由對比分析結果可知，因數值模擬與實際施工的差異，典型斷面模擬值略小于實測值，差值在可容許范圍內；拱頂沉降和洞周收斂模擬值和監測值表現為一致的變化趨勢，先急速增長，再緩慢增加，最后穩定不變。同時，驗證了數值方法模擬多軟弱夾層隧道的可行性。

（2）由4種工況的模擬結果可知，軟弱夾層的存在對隧道圍巖變形、應力及塑性區分布有較大影響。而隨著軟弱夾層數量的增加，圍巖整體變形、應力、塑性區范圍均表現為增大趨勢，且在隧道周圍和夾層附近出現集中現象，加劇了隧道失穩破壞的風險。

（3）分析不同軟弱夾層數量時隧道圍巖的位移和應力變化情況可知，隧道圍巖位移受軟弱夾層數量的影響最大，可將其作為隧道圍巖穩定性的判斷指標。

參考文獻：

［1］何知思.隧道含軟弱夾層圍巖分級及穩定性影響研究［J］.常州工學院學報，2022，35（6）：14-18.

［2］石少帥，李術才，李利平，等.軟弱夾層對隧道圍巖穩定性影響規律研究［J］.地下空間與工程學報，2013，9（4）：836-842，853.

［3］萬桂軍，劉春舵，關瑞士，等.淺埋小凈距隧道含軟弱夾層段開挖變形與圍巖應力分析［J］.公路交通科技，2022，39（7）：131-138.

［4］郭富利，張頂立，蘇 潔，等.含軟弱夾層層狀隧道圍巖變形機理研究［J］.巖土力學，2008，29（S1）：247-252.

［5］文海家，胡 晶，謝 朋，等.含2條軟弱夾層的隧道圍巖開挖過程破壞模式研究［J］.中國公路學報，2018，31（10）：220-229.

作者簡介：龐杰忠（1981—），工程師，主要從事公路橋隧施工工作。