軟巖地區劣化條件下隧道結構變形特征及參考文獻：控制效果研究

摘 要：為研究軟巖地區圍巖劣化條件下隧道結構變形特征及控制效果，文章以云南省某粉質黏土地層的隧道工程為例，基于有限元軟件FLAC 3D分析了不同含水率條件下隧道結構不同深度的變形特征和不同控制技術的控制效果。結果表明：隧道結構的變形主要發生在二次襯砌施工之前；含水率不同時，隧道結構不同深度的變形規律相差較大；擴大拱腳寬度對圍巖變形能起到一定的控制作用，增加錨桿長度僅能控制圍巖水平方向的變形。

關鍵詞：粉質黏土地層；公路隧道；FLAC 3D有限元；變形特征

中圖分類號：U456.3+1

0 引言

隨著我國交通運輸的飛速發展，隧道工程建設的環境也日益復雜。粉質黏土地層在我國西南地區廣泛分布，由于其性質軟弱及穩定性較差等特點，在隧道工程建設過程中易引起地表的不均勻沉降、襯砌結構大規模變形及支護結構損壞等現象，加之粉質黏土遇水后會進一步軟化及膨脹，對隧道工程的建設產生了十分嚴重的影響。因此，研究軟巖地區隧道圍巖遇水劣化條件下隧道結構的變形特征及支護措施十分重要。

近些年來，國內外研究學者針對軟巖地區隧道圍巖劣化的變形特征及支護措施展開了大量研究。代鴻明［1］針對多個隧道仰拱填充層的開裂、擠壓及涌水等現象進行分析，結果表明襯砌結構及仰拱的局部破壞主要是因為地下水突增所引起的水壓增大。劉傳廣［2］通過FLAC 3D軟件，基于流固耦合理論對粉質黏土復合地層的隧道結構變形特征進行了分析，結果表明隧道的豎向位移相對于水平位移而言更容易受到施工及滲流的影響。莊麗等［3］通過物理模型試驗對淺埋隧道中軟塑和硬塑的粉質黏土變形特征進行了分析，結果表明軟塑及硬塑黏土的強度及成拱能力對隧道變形的影響最大。王輔圣［4］結合溫度場及濕度場相關理論，通過數值模擬軟件分析了隧道開挖土體在滲水條件下的濕度場變化規律，結果表明隧道圍巖的松動區最易受到滲水增濕的影響，其對土體的擾動隨著時間逐漸增大。楊樹才等［5］針對軟塑粉質黏土地層隧道施工穩定性差等難題，通過現場勘察及物理模型試驗，對隧道施工的支護措施進行了研究，所提出的“管棚+”支護措施為隧道的成功貫通起到重要作用。張超等［6］通過總結分析隧道結構的應力變化規律，發現基礎注漿的加固措施能有效縮短圍巖結構的變形穩定時間，并能在一定程度上減少其變形程度，為軟巖地區的隧道工程支護體系優化具有重要意義。

但上述學者的研究較少考慮粉質黏土地層在遇水劣化條件下隧道圍巖結構的變形特征及支護措施，因此本文在前人的研究基礎上，基于FLAC 3D軟件，分析粉質黏土地層的隧道圍巖在遇水劣化條件下其各個結構的變形特征，并研究不同支護措施對隧道圍巖變形的控制效果，研究成果可為隧道變形控制研究提供參考。

1 工程概況及數值計算模型

1.1 依托工程概況

研究區位于云南省某高速公路路段，隧道全長2 251 m，最大埋深約230 m，開挖高度為10.5 m，跨度為14.2 m。根據現場勘察及室內物理試驗顯示（圖1），研究區粉質黏土地層厚約15.8～40.2 m，地基承載力約為185～214 "kPa，粉質黏土結構較松散、穩定性差。隧道下部為強風化灰巖，巖石節理裂隙較發育，部分區域巖溶發育，且發育不均勻。地下水以基巖裂隙水及巖溶水為主，由于粉質黏土力學性能不穩定，遇水發生了明顯的劣化，較天然狀態的圍巖穩定性更差，導致隧道在施工階段出現了地表開裂、掌子面滑塌及不均勻沉降等現象。經過現場試驗得出，粉質黏土在天然狀態的含水率為15%～20%，部分滲水嚴重的粉質黏土，其含水率高達30%。

1.2 數值模型構建

通過FLAC 3D軟件進行數值模擬模型構建，模型如圖2所示。根據工程實際斷面尺寸確定隧道跨度為14.2 m，開挖高度為10.5 m，為減少邊界效應的影響，根據圣維南原理將模型尺寸設置為距離隧道3～5倍（X=130 m，Y=70 m）。隧道埋深分別設置為15 m、25 m、35 m、45 m、55 m、65 m，除頂面單位以外均設置X、Y、Z方向的位移約束，其開挖方法與實際工程保持一致。

細觀參數對FLAC 3D軟件模擬結果的準確性影響較大，而有限元軟件未給出細觀參數與宏觀參數的定量關系，以滲水較嚴重圍巖為參考，根據其基本物理力學性質，配置了含水率為15%、20%、25%、30%的土樣，并進行相關力學參數測試。表1所示為不同含水率粉質黏土及強風化灰巖的巖土體力學參數。

2 圍巖變形特征分析

本文通過FLAC 3D軟件模擬構建不同含水率的粉質黏土地層隧道模型，以分析劣化條件下各個結構在不同埋深的圍巖變形特征。

2.1 拱頂沉降分析

設埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質黏土地層隧道圍巖拱頂不同含水率的沉降曲線如圖3所示。

由圖3可知，根據拱頂的沉降變化曲線可將施工階段劃分為4個階段：預變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段及穩定階段。在隧道斷面開挖之前為拱頂沉降的預變形階段，其變形的主要原因為掌子面受到了擠壓變形，進而使拱頂發生較小的預變形；在隧道斷面開挖后，

初次封閉成環之前，即為快速變形階段，該階段主要是斷面開挖改變了圍巖的應力狀態，大量開挖卸荷導致應力重分布，大幅度增加了圍巖的變形速度，該階段為隧道圍巖的主要變形階段；緩慢變形階段發生在初次封閉成環之后、襯砌結構施工之前，隧道圍巖在封閉成環之后有了較穩定的受力體系，能較好地承載周邊土體壓力，進而限制了圍巖發生沉降，拱頂沉降速度大幅度減小；在二次襯砌結構施工完畢后，結構變形處于穩定狀態，變形速度逐漸趨近于0。隨著埋深值的增加，拱頂沉降量有明顯的增長趨勢，埋深從15 m增至25 m時，沉降增幅為140.82%。

從含水率影響來看，拱頂的沉降隨著含水率的增加而增加，在含水率為25%時發生突變。當含水率＜25%時，各個含水率曲線變化趨勢基本相同，主要沉降均以快速變形階段為主，并在結束變形的穩定階段變形值相近；而當含水率＞25%時，沉降量發生了明顯的變化，且預變形階段的變形占比隨著預埋深度的增加而不斷變大;當埋深＞25 m時，預變形階段的變形超過快速變形階段，因此，當粉質黏土地層含水率＞25%、隧道埋深＞25 m時，應采取相對的支護措施，避免圍巖在預變形階段產生較大的沉降。

2.2 拱腳水平收斂變形特征

設埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質黏土地層隧道圍巖拱腳在不同含水率時的水平收斂曲線如圖4所示。

由圖4可知，與拱頂沉降曲線相同，拱腳水平收斂的曲線同樣劃分為4個階段，不同含水率收斂值在相同埋深的變化曲線相差不大，與拱頂不同，拱腳的水平收斂主要集中在預變形階段，即開挖施工之前，因此粉質黏土地層隧道在拱腳施工時要以控制預變形階段的變形為主，以此避免拱腳發生較大位移。當含水率＜25%時，相同埋深的拱腳變化曲線近乎重合，且隨著含水率升高其在施工結束后的穩定變形階段的變形值越大；當含水率＞25%時，其位移變化曲線在各個階段均有明顯的增長趨勢。以含水率25%為界限，分析不同埋深對拱腳變形的影響，當含水率＜25%時，隨著埋深的增加，拱腳的收斂值在小范圍內波動，且在施工完成后的穩定階段收斂值也較小，變化幅度≤2 mm，因為此時圍巖主要發生豎直方向的位移，幾乎不發生水平位移；當含水率＞25%時，隨著埋深的增加，相同含水率的拱腳收斂值大幅度增長，此時圍巖的位移以水平位移為主，尤其在深度＞25 m時更為明顯，拱腳易發生大規模變形失穩。

2.3 仰拱隆起變形特征

設埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質黏土地層隧道圍巖仰拱在不同含水率時的隆起曲線如圖5所示。

由圖5可知，與拱頂的變化曲線相同，仰拱隆起的變形主要發生在快速變形階段，即初次封閉成環之前，因為此階段在進行上臺階的開挖，使仰拱產生大幅度的隆起。當埋深相同時，含水率＜25%的仰拱隆起值隨著含水率的減小幅度增長，其位移變化曲線近乎重合，增長不明顯，以埋深15 m為例，含水率從15%增至25%，隆起值從2.47 cm增至2.91 cm，增長幅度僅為18%；當含水率＞25%時，仰拱的隆起增幅明顯變大，含水率從25%增至30%，埋深15 m的隆起增幅為65%。當含水率相同時，

同樣以含水率25%為界表現出不同的增長趨勢，其規律與仰拱及拱腳相似。因此，含水率越高，埋深值越大，仰拱的隆起變形越大。

2.4 掌子面變形特征

由于計算結果較多，本文以含水率為25%的粉質黏土地層為例進行不同埋深的掌子面位移分析，其云圖如圖6所示。

由圖6可知，當含水率為25%時，隨著埋深的增加，掌子面的變形也隨之增大，其最值出現的位置受埋深的影響較大，當埋深為25 m時，掌子面發生擠出變形最大的位置位于上部臺階的兩側，而當埋深＞25 m時，其擠出變形最大位置位于下部臺階的中心處，由此可知在施工過程中對不同深度的掌子面應采取不同的變形控制措施。

進一步分析含水率對掌子面變形的影響，提取各個含水率下不同深度的掌子面最大擠出變形值，繪制關系曲線圖如圖7所示。

由圖7可知，在含水率不變時，最大擠出變形隨著埋深的增加而小幅度增長，當含水率為25%時，其變形值大幅度增加，與前文規律一致。

3 粉質黏土隧道變形控制研究

通過FLAC 3D軟件，分析不同支護措施對粉質黏土地層隧道圍巖的變形控制效果。

3.1 擴大拱腳控制效果分析

選取含水率為25%的粉質黏土地層的物理力學參數，設置拱腳寬度依次為0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m，得到不同拱腳寬度的隧道結構位移如圖8所示。

如圖8所示，擴大拱腳寬度能夠有效減小隧道圍巖所產生的位移，隨著寬度增加，拱頂的沉降先增大后減小，在寬度增至1.0 m時其沉降值為271.2 mm，與擴寬之前相比減小了9.51%；拱腳的水平收斂位移也隨著寬度的增加而減小，在1.2 m時產生極小值（72.1 mm），與擴寬之前相比減小了38.11%。由此可知，擴寬拱腳可以較好控制隧道圍巖結構的變形，但擴大拱腳尺寸應在一定范圍內，寬度過大會導致隧道的開挖跨度增加，隧道的矢跨比會因此減小，在一定程度上降低了圍巖的穩定性。因此，考慮工程安全及經濟效益，建議拱腳寬度為0.8～1.2 m。

3.2 系統錨桿控制效果分析

選取含水率為25%的粉質黏土地層的物理力學參數，設置錨桿長度依次為0 m、3.0 m、3.5 m、4 m、4.5 m和5 m，不同錨桿長度的隧道結構位移如圖9所示。

由圖9可知，隨著錨桿長度的增加，拱頂的沉降變化規律與拱腳水平收斂規律不同，拱頂部位的變形隨著錨桿長度的增加而小幅度增長，由無錨桿至錨桿長度L=5.0 m，其沉降增幅為0.68%；而拱腳水平收斂的位移隨錨桿長度的增加減小，當L=5.0 m時，其減小幅度為11.24%。分析其原因為：拱頂部的錨桿在隧道開挖時會受到逐漸增大的土壓力，錨桿長度的增加加大了拱頂部所受的壓力，進而使其發生了小幅度的增長。由此可知，錨桿系統不能控制粉質黏土地層隧道拱頂結構的變形，但能在一定程度上控制拱腳的水平收斂變形。

4 結語

為研究粉質黏土地層隧道圍巖在遇水劣化條件下的結構變形特征及控制措施，本文基于云南省某高速公路隧道項目，通過FLAC 3D軟件分析不同含水率條件下隧道圍巖結構不同埋深下的變形特征，基于此，進一步分析不同支護措施對隧道變形的控制效果。得到如下主要結論：

（1）隧道結構（拱頂、拱腳、仰拱、掌子面）的主要變形均發生在二次襯砌施工之前。

（2）當埋深一定時，隧道圍巖變形在含水率增至25%之前增長幅度較小，當含水率增至25%以后，其增長幅度較大。

（3）當含水率一定時，隧道圍巖的變形在含水率＜25%時與埋深為線性關系，當含水率＞25%時，呈指數非線性增長。

（4）增加拱腳的寬度能較好控制圍巖的變形，增加錨桿長度僅能控制拱腳部位的圍巖變形。參考文獻：

［1］代鴻明.運營鐵路隧道水害引發的仰拱起鼓及襯砌開裂防治技術研究［J］.現代隧道技術，2016，53（3）：202-206.參考文獻：

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［5］楊樹才，楊 旭，程 曦，等.軟流塑淤泥質粉質黏土地層注漿加固試驗研究［J］.東南大學學報（自然科學版），2011，41（6）：1 283-1 288.參考文獻：

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