基于FLAC3D的層面產狀對軟巖隧道變形的影響研究

摘要：為研究層面產狀對軟巖隧道變形的影響，文章依托某層狀軟巖地層的高速公路隧道實際工程，通過FLAC3D軟件進行建模與計算，分析不同巖層產狀下對圍巖變形與應力的變化規律，得到如下結論：（1）圍巖變形的主方向隨層面產狀的變化存在不同程度偏轉，隨層面傾角增大逐漸從以豎向變形為主過渡到以水平變形為主，圍巖的變形方向垂直于層面時變形值最大；（2）隨著與洞壁距離的增大，圍巖的徑向應力逐漸增大，切向應力先增大后減小，切向應力較大的區域圍巖出現塑性區，且由于洞壁附近圍巖的切向應力遠大于圍巖的徑向應力，存在較大的壓力差，導致洞壁附近的圍巖發生塑性變形，甚至產生剪切破壞。

關鍵詞：層狀軟巖隧道；層面產狀；隧道變形；數值計算；FLAC3D

中圖分類號：U456.3

0 引言

在交通強國戰略的大背景下，我國建設了大量的公路隧道和鐵路隧道，現已成為世界上隧道規模最大、數量最多、覆蓋范圍最廣、工程條件最復雜、發展最迅速的國家［1］。由于我國山區面積較大，地質情況復雜，在隧道建設過程中不可避免地需要穿越諸多不良地質區域，如軟弱圍巖、富水地層等，隧道施工和運營安全面臨巨大挑戰。軟弱圍巖指的是強度較低、膠結較差、空隙度較大、風化較強烈的軟弱松散的圍巖［2］，在軟弱圍巖條件下開挖隧道，極易發生大變形災害。對于穿越軟巖地層的隧道圍巖穩定性的研究已有了較多成果。吳明先等［3］依托陜西某超大跨度公路隧道實際工程，建立層狀地層隧道開挖及支護的數值模型，研究了層面作用下隧道開挖過程的力學響應特征，分析層面傾角和層面間距對隧道穩定性的影響。張頂立等［4］認為隧道大變形災害是由圍巖穩定性控制不當引起的，提出了隧道大變形控制應以結構穩定性控制為核心，強調了超前預支護與預加固的作用，形成圍巖大變形災害的控制關鍵技術。王亞瓊等［5］依托云南昭樂高速公路轎頂隧道實際工程，研究了高地應力條件下緩傾層狀隧道圍巖的變形問題，并提出了深埋緩傾層狀圍巖大變形的控制措施。劉杰等［6］依托四川某高速公路隧道實際工程，研究了軟硬巖的層厚比對圍巖壓力分布的影響規律，提出水平軟硬互層圍巖淺埋偏壓隧道的支護方法。陶志剛等［7］依托云南昌寧隧道實際工程，研究了影響圍巖穩定性的主要因素以及圍巖的破壞模式，提出了采用NPR錨索的應力補償支護技術并通過現場試驗驗證了該技術對圍巖變形的控制效果。張廣澤等［8］提出了適用于不同地質勘察階段的隧道圍巖大變形分級方法，并基于多個圍巖大變形的實際案例，對軟巖大變形的分級方法進行驗證。陳志敏等［9］為研究大斷面公路隧道的非對稱大變形問題，考慮了高地應力的第一主應力與隧道軸線的位置關系、軟巖夾層狀態等因素，分析了非對稱大變形機理并提出針對性的支護方案。左清軍等［10］為建立一種軟巖隧道支護結構的受力緩釋方法，開展了室內模型試驗，并利用Miads GTS NX軟件建立數值模型，分析加入緩沖層前后的隧道支護結構的受力特性。

本文依托某層狀軟巖地層的高速公路隧道實際工程，通過FLAC 3D軟件進行建模與計算，分析巖層產狀對圍巖變形的影響規律，以期為實際隧道工程施工和后續的研究做出貢獻。

1 工程背景與數值建模

1.1 工程概況

本文依托某層狀軟巖地層的高速公路隧道實際工程，對層狀軟巖隧道大變形規律及其主要影響因素進行研究。隧道的進口高程約為2 635 m，出口高程約為3 160 m，最大埋深約為670 m，采用三臺階法進行隧道開挖。隧道圍巖的地層巖性主要為層狀板巖，巖質軟弱，層理發育，圍巖級別為Ⅴ級，隧址區的區域地質構造較復雜，褶皺和斷裂構造發育。地表水為溝谷流水，其水量隨季節變換變化較大；地下水主要分為第四系孔隙水和基巖裂隙水，對隧道影響較小。

1.2 數值模型的建立

本文通過FLAC 3D軟件進行數值模型的建立與計算。FLAC 3D是目前巖土力學計算最常用的數值軟件之一，用于模擬三維巖土體的力學特性，廣泛應用于隧道工程、邊坡工程的穩定性評價和支護設計等領域。FLAC 3D軟件的計算原理如圖1所示。

依據實際隧道斷面建立數值模型，其中隧道洞徑r=14.2 m。為減小由邊界效應引起的計算誤差，選取的數值模型的尺寸為120 m×90 m×130 m（長×寬×高），其中x軸為水平方向，y軸為隧道軸線方向，z軸為豎直方向，建立數值模型如圖2所示。

邊界條件設置為：約束模型四周的法向位移，約束模型底面的水平和法向位移。模型的初始地應力場僅考慮為重力場，在模型完成初始地應力平衡后，執行隧道開挖的命令。采用三臺階法進行隧道開挖，循環進尺為1.0 m，初期支護滯后掌子面1.0 m，為減少邊界效應的影響，取隧道縱向的中間斷面（Y=45.0 m）作為監測面。監測點設置如圖3所示。

由于隧道圍巖的地層巖性主要為層狀板巖，考慮到層理面對隧道受力變形特性的影響，本文選用FLAC 3D軟件中的節理-橫向同性彈塑性模型作為巖土體的本構模型，更貼合工程實際。層狀軟巖的計算參數如表1所示。噴射混凝土的厚度為0.3 m，彈性模量為26.5 GPa，泊松比為0.20；錨桿的密度為7 800 kg·m3，橫截面積為7.6 cm 彈性模量為200 GPa，抗拉強度為0.4 MPa。

2 層面產狀對隧道大變形的影響

為研究層面產狀對層狀軟巖隧道大變形的影響，考慮模型上部巖體荷載的影響，在模型上表面施加豎向應力為19.0 MPa，同時考慮水平構造的影響，取側壓力系數為1.2。取層面傾向和傾角分別為0°、30°、45°、60°、90°，共計工況21種，如表2所示。

2.1 洞周位移分析

根據數值計算結果，得到不同層面產狀下的隧道開挖面圍巖洞周位移如圖4所示。

由圖4可知，當層面傾向為0°時，層面的走向與隧道縱向垂直；當層面的傾向和傾角均為90°時，層面的走向與隧道縱向平行。在上述兩種工況中，隧道圍巖的變形呈現對稱分布的特征，對于其他工況，隧道圍巖的變形均呈現不對稱分布的特征，圍巖變形的主方向存在不同程度偏轉。當層面傾角在0°～45°時，墻腰的變形值小于仰拱的隆起值；而當層面傾角≥60°時，墻腰的變形值大于拱頂的沉降值和仰拱的隆起值，即隨著層面傾角的增大，隧道圍巖的變形方向逐漸從以豎向變形為主過渡到以水平變形為主。

拱頂的沉降變形和仰拱的隆起變形均隨著層面傾角的逐漸增大而逐漸減小，當層面傾角為0°時，拱頂沉降與仰拱隆起的方向均垂直于層面；當層面傾角為90°時，拱頂沉降與仰拱隆起的方向均平行于層面，可知當圍巖垂直于層面時，其變形最大。

左右拱腳的變形隨層面產狀的變化，其變形規律具有差異性，左拱腳位置處的變形隨層面傾角增大而逐漸減小，而右拱腳位置處的變形受傾向和傾角共同影響，當層面傾向lt;45°時，右拱腳位置處的變形隨層面傾角增大而減小；當層面傾向gt;45°時，右拱腳位置處的變形隨層面傾角先增大后減小。由此可知，右拱腳和左拱腳相比，其變形受層面產狀變化的影響更大。

左右墻腰和墻腳位置處的變形受層面傾角的影響較大，隨著層面傾角增大，圍巖變形的主方向逐漸偏轉，當層面傾角由0°增大到90°的過程中，墻腰的變形方向從平行于層面逐漸過渡到垂直于層面，墻腰的變形逐漸增大。當巖體的層面處于傾斜狀態時，左墻腳和右拱腳的變形方向垂直于層面，圍巖變形方向垂直于層面時圍巖變形最大，而左拱腳和右墻腳的變形方向平行于層面，圍巖變形方向平行于層面時圍巖變形最小，圍巖層面產狀對圍巖變形的影響顯著。

2.2 圍巖應力狀態分析

為分析圍巖應力分布特征，取層面傾向為0°、45°和90°，層面傾角為0°、30°、45°、60°和90°的工況，得到洞周圍巖最大主應力如圖5所示，拱頂上部與墻腰外側兩倍洞徑位置處的圍巖徑向應力和切向應力，如圖6和表3所示。

如圖5所示，圍巖的最大主應力分布隨層面傾角的變化逐漸發生偏轉，隨著層面傾角的增大，圍巖最大主應力最小值呈現先減小后增大的變化趨勢，圍巖變形與主應力的變化存在密切關系。

由圖6和表3可知，圍巖的徑向應力呈現非線性分布的特征，隨著與洞壁距離的逐漸增大，圍巖的徑向應力逐漸減小，在隧道洞壁位置徑向應力達到最小值。以層面傾向90°為例，當層面傾角分別為0°、30°、45°、60°、90°時，其拱頂位置處的徑向應力分別為-13.82 MPa、-14.76 MPa、-14.28 MPa、-13.5 MPa、-14.03 MPa。圍巖的切向應力也呈現非線性分布的特征，隨著與洞壁距離的逐漸增大，圍巖的切向應力先增大后減小，在隧道洞壁位置附近圍巖的切向應力達到最大值，在切向應力較大的位置圍巖出現塑性區。以層面傾向90°為例，當層面傾角分別為0°、30°、45°、60°、90°時，其拱頂位置處的切向應力分別為-33.91 MPa、-33.87 MPa、-34.47 MPa、-33.56 MPa、-33.93 MPa。由于洞壁附近圍巖的切向應力遠大于圍巖的徑向應力，存在較大的壓力差，導致洞壁附近的圍巖發生塑性變形，甚至產生剪切破壞。

3 結語

（1）當層面傾向為0°或層面傾向和傾角均為90°時，隧道圍巖的變形呈現對稱分布的特征，其他工況隧道圍巖變形均呈現不對稱分布的特征，圍巖變形的主方向存在不同程度偏轉，隨層面傾角增大逐漸從以豎向變形為主過渡到以水平變形為主。

（2）圍巖的變形方向垂直于層面時圍巖變形值最大。當層面水平時，拱頂與仰拱位置的變形方向垂直于層面，變形較大；當層面傾斜時，左墻腳與右拱腳位置的變形方向垂直于層面，變形較大；當層面豎直時，墻腰位置的變形方向垂直于層面，變形較大。

（3）圍巖的最大主應力最小值隨層面傾角的增大呈現先減小后增大的變化趨勢。圍巖的徑向應力隨與洞壁距離的增大而逐漸增大，在洞壁位置達到最小值；切向應力隨與洞壁距離的增大先增大后減小，在洞壁位置附近達到最大值，切向應力較大的區域圍巖出現塑性區。由于洞壁附近圍巖的切向應力遠大于圍巖的徑向應力，存在較大的壓力差，導致洞壁附近的圍巖發生塑性變形，甚至產生剪切破壞。

參考文獻

［1］王夢恕.中國盾構和掘進機隧道技術現狀、存在的問題及發展思路［J］.隧道建設，2014，34（3）：179-187.

［2］劉光明.軟弱破碎圍巖隧道大變形機理及控制措施研究［D］.長沙：中南大學，2012.

［3］吳明先，李博融，劉 智.層狀軟巖隧道巖體開挖穩定性研究［J］.公路，2023，68（7）：1-9.

［4］張頂立，孫振宇，陶偉明.隧道圍巖大變形災害特點與主動控制方法［J］.鐵道標準設計，2023，67（1）：1-9.

［5］王亞瓊，楊 強，高啟棟，等.緩傾層狀隧道圍巖擠壓變形分級與控制分析［J］.地下空間與工程學報，202 18（2）：562-576.

［6］劉 杰，王俊杰，郭建軍.水平軟硬交互地層中淺埋偏壓隧道圍巖壓力計算方法［J］.科學技術與工程，202 22（4）：1 649-1 655.

［7］陶志剛，李夢楠，張 博，等.西南地區節理化薄層軟巖隧道大變形力學機理及支護控制方法［J］.礦業科學學報，2023，8（4）：452-463.

［8］張廣澤，鄧建輝，王 棟，等.隧道圍巖構造軟巖大變形發生機理及分級方法［J］.工程科學與技術，202 53（1）：1-12.

［9］陳志敏，趙吉萬，龔 軍，等.極高地應力軟巖隧道非對稱變形機理及支護優化研究［J/OL］.防災減災工程學報，2023-03-23：1-10.

［10］左清軍，李心怡，趙先強，等.膨脹性軟巖隧道支護結構受力特性及緩釋方法［J］.巖石力學與工程學報，2023，42（9）：2 190-2 202.

收稿日期：2023-10-16

作者簡介：吳韓建（1988—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。