軟巖地區(qū)隧道圍巖劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)變形特性研究

中圖分類號(hào)：U452. 1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.023

文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0081-04

0 引言

近年來，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，眾多隧道工程應(yīng)運(yùn)而生。這些工程在改善交通條件和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，不可避免地面臨穿越不良地質(zhì)區(qū)域的挑戰(zhàn)[1。在不良地質(zhì)條件下，圍巖的劣化往往會(huì)加劇隧道的變形，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

自前，許多學(xué)者對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究。馮強(qiáng)等2針對(duì)寒區(qū)隧道圍巖凍融損傷導(dǎo)致劣化的現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取了不同凍融次數(shù)下的圍巖變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)，并利用ABAQUS軟件對(duì)隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行分析。張帥等[3分析了高地應(yīng)力軟巖隧道開挖過程中的圍巖大變形機(jī)理，建立了考慮圍巖劣化的深埋圓形隧道圍巖力學(xué)模型，并提出相應(yīng)的支護(hù)措施。吳祥業(yè)等4通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等手段研究了巖石微觀結(jié)構(gòu)和圍巖劣化程度之間的定量關(guān)系，構(gòu)建了巷道圍巖劣化破壞預(yù)警方法。劉志國(guó)等5依托陜西某隧道，研究復(fù)雜地下水環(huán)境下，隧道膏溶角礫巖劣化特征，系統(tǒng)分析流速和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)劣化的影響。牟輝疆等[針對(duì)泥質(zhì)砂巖遇水劣化這一現(xiàn)象，開展不同浸潤(rùn)時(shí)間的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，以分析泥質(zhì)砂巖的濕度劣化過程，并通過數(shù)值模擬對(duì)圍巖劣化條件下隧道施工期和運(yùn)行期的安全性進(jìn)行研究。

本文選用FLAC3D軟件對(duì)某軟巖地區(qū)的深埋隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在不同地下水初始水位高度及圍巖劣化條件下，隧道圍巖的變形和應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。研究成果揭示了地下水和圍巖劣化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，為類似工程的安全施工提供了重要的理論支持和參考依據(jù)。

1工程背景

本文以甘肅省某隧道為研究背景。該隧道埋深為120m，地層從上至下依次為泥巖夾砂巖、砂巖夾泥巖，遇水易軟化。此外，受氣候影響，該地區(qū)沖溝發(fā)育，地表水系不發(fā)達(dá)，但是地下水埋藏豐富且區(qū)域分布不均勻，局部地段水資源豐富，而局部地區(qū)相對(duì)干旱，這給隧道開挖施工造成了較大的影響。因此，需要研究地下水位高度和圍巖劣化等因素對(duì)施工過程中隧道圍巖變形的影響。

2模型建立與參數(shù)選擇

由于實(shí)際工程地質(zhì)情況復(fù)雜，數(shù)值模擬過程中對(duì)地層條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)置圍巖等級(jí)為V級(jí)。考慮到邊界效應(yīng)，根據(jù)隧道最大洞徑和高度，確定三維模型尺寸為140m×120m×48m 。根據(jù)實(shí)際工程情況確定隧道初支為30cm厚的C25混凝土，二次襯砌為C45鋼筋混凝土，其底板和仰拱部位厚度為65cm。設(shè)置模型底部為全約束，四周為法向約束，頂部無(wú)約束。在隧道中間斷面的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。三維模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

假定圍巖和初支結(jié)構(gòu)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性材料，選用摩爾一庫(kù)侖模型模擬，二次襯砌選用彈性模型，具體參數(shù)如表1所示。隧道開挖采用三臺(tái)階法，依據(jù)實(shí)際施工步驟進(jìn)行。設(shè)置上、中、下臺(tái)階長(zhǎng)度為 4m ，隧道每次開挖進(jìn)尺為1m，仰拱的開挖進(jìn)尺為2m。當(dāng)上臺(tái)階開挖24m時(shí)，進(jìn)行二次襯砌，每次長(zhǎng)度為12m。循環(huán)上述步驟，直至隧道開挖襯砌完成。

圖1隧道三維模型圖

表1隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3未劣化條件下水位高度對(duì)圍巖的影響

為研究在圍巖未劣化情況下，不同初始水位高度對(duì)隧道施工過程中圍巖變形的影響，分別進(jìn)行了無(wú)地下水、初始水位高度分別距拱頂0m、15m、30m和45m五種工況的數(shù)值模擬分析。

施工完成后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移和水平位移如圖2所示。由圖2可知，隨著地下水初始水位高度的增加，除拱腳外，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移值均呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中拱頂沉降和拱底隆起的變化明顯。對(duì)比無(wú)地下水工況，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱頂沉降從23. 50mm 增大至 34.47mm ，增幅為46. 68% ，拱底隆起從24. 35mm 增大至36. 50mm ，增幅為49. 90% 。拱底隆起的增幅高于拱頂沉降，究其原因是隧道頂部趨近圓形，底部趨近平面，頂部襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)效果更優(yōu)。

由于模型為沿隧道中軸線左右對(duì)稱，隧道施工后的水平位移呈左右對(duì)稱分布，故隧道拱頂和拱底的水平位移恒為零。拱肩、拱腰、拱腳的水平位移隨著地下水初始水位高度的增加呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中拱腰位置的水平位移最為明顯。對(duì)比無(wú)地下水工況可知，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱腰水平收斂從10.37mm增大至19.91mm，增幅為 92% 。

分析各工況時(shí)襯砌外部水壓力變化可知，隨著地下水位高度的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的襯砌結(jié)構(gòu)外部水壓力均呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中拱腳處的外水壓力始終保持最大。

分析各工況時(shí)襯砌應(yīng)力可知，襯砌外側(cè)最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰處，地下水位高度的增加，對(duì)拱頂和拱底處的豎向位移影響較小，而其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力均有明顯增大。襯砌外側(cè)最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，地下水位高度的增加對(duì)拱腰處的水平應(yīng)力影響較小，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移均有明顯增大。

圖2不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線圖

結(jié)合圍巖位移可知，地下水位高度的增加，增大了襯砌外水壓力，導(dǎo)致襯砌外側(cè)受到更大的豎向和水平應(yīng)力，從而引發(fā)更大的圍巖變形。

4劣化條件下水位高度對(duì)圍巖的影響

由于依托隧道圍巖為泥巖，遇水易出現(xiàn)軟化。本文采用折減圍巖強(qiáng)度和彈性模量的方式模擬圍巖劣化作用。折減后圍巖彈性模量為525MPa，泊松比為0.39，內(nèi)摩擦角為 22^° ，黏聚力為0.15 MPa ，滲透系數(shù)為 5.24× 10^-5 ，孔隙比為 $0 . 3 5 。$ 分別根據(jù)無(wú)地下水、初始水位高度距拱頂0m、15m、30m和45m五種工況進(jìn)行圍巖強(qiáng)度和彈性模量折減，并進(jìn)行隧道施工模擬。

由前文可知，隧道拱頂沉降和拱底隆起受初始水位高度影響較大。繪制不同工況下隧道拱頂沉降和拱底隆起隨施工變化的曲線，如圖3所示。由圖3可知，不同工況下，拱頂沉降和拱底隆起的變化規(guī)律基本一致。在圍巖劣化的條件下，隨著地下水位的提高，拱頂沉降和拱底隆起均出現(xiàn)大幅的增加。相較而言，拱頂沉降的變化速率更快，而拱底隆起最終值更大。對(duì)比無(wú)地下水工況可知，圍巖劣化條件下，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱頂沉降從23.50mm增大至70. 32mm ，增幅為199. 23% ，拱底隆起從24.35mm增大至82.85mm，增幅為240. 24% 。在圍巖劣化工況下，當(dāng)?shù)叵滤桓叨葟木喙绊?m漲至距拱頂15m時(shí)，拱頂沉降值變化最為明顯；從30m漲至45m時(shí)，拱底隆起值變化最為明顯。由此可知，當(dāng)?shù)叵滤桓叨瘸^一定范圍后，圍巖變形會(huì)發(fā)生突增。

圖3圍巖劣化對(duì)不同水位高度下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線圖

圖4圍巖劣化對(duì)不同水位高度下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖

由前文可知，隧道拱腰和拱腳水平位移受初始水位高度影響較大，故繪制不同工況下，隧道拱腰和拱腳處水平位移隨施工的變化曲線，如圖4所示。由圖4可知，不同工況下，拱腰和拱腳水平位移隨著隧道開挖的規(guī)律基本一致。在圍巖劣化條件下，隨著地下水位的提高，拱腰和拱腳水平位移均出現(xiàn)顯著增加。對(duì)比無(wú)地下水工況可知，圍巖劣化條件下，初始水位高度距拱頂45m時(shí)，拱腰水平收斂位移從10.37mm增大至 47.51mm ，增幅為358. 15% ，拱腳水平收斂從9.92mm增大至45.66mm，增幅為360. 28% 。

相同水位高度時(shí)，圍巖未劣化和劣化條件下的拱頂沉降值、拱底隆起值、拱腰和拱腳水平位移值如表2所示。由表2可知，圍巖劣化時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移較未劣化情況下均有明顯增加。而地下水豐富時(shí)，圍巖劣化作用產(chǎn)生的影響更大。

單位：mm

表2圍巖未劣化和劣化條件下變形對(duì)比表

采用FISH語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，提取到圍巖劣化條件下，水位高度自距拱頂0m增長(zhǎng)至45m時(shí)，圍巖每延米塑性區(qū)面積分別為227.69 m³ 、260.55 m³ 、320.98m、576.12 m³ 。即在圍巖劣化條件下，隨著地下水位的不斷升高，圍巖塑性區(qū)面積明顯增加。當(dāng)水位高度從30m增加至45m時(shí)，塑性區(qū)面積增幅最大，即此區(qū)間內(nèi)圍巖劣化對(duì)穩(wěn)定性的影響最為顯著。

分析各工況時(shí)襯砌應(yīng)力可知，襯砌外側(cè)最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰處，隨著地下水位高度的增加，最大豎向應(yīng)力值從7.10MPa增長(zhǎng)至7.80 MPa， 。襯砌外側(cè)最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，隨著地下水位高度的增加，最大水平應(yīng)力值從6.34MPa增加至8.28 MPa， 。當(dāng)?shù)叵滤桓叨认嗤瑫r(shí)，在圍巖劣化條件下，襯砌應(yīng)力明顯高于未劣化時(shí)。

5結(jié)語(yǔ)

本文利用FLAC3D軟件對(duì)某軟巖地區(qū)深埋隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同初始水位高度及圍巖劣化條件下，隧道圍巖的變形及應(yīng)力特性。具體結(jié)論如下：

（1）隨著初始水位高度的增加，隧道圍巖變形明顯增大，最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂和拱底處，均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；最大水平位移出現(xiàn)在拱腰處，隨水位高度變化增幅明顯。

（2）襯砌外部水壓力和應(yīng)力隨著初始水位高度的增加而呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而在拱腰和拱頂位置的增幅更為明顯，故可知這些部位對(duì)地下水變化敏感，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。

（3）當(dāng)?shù)叵滤桓叨纫恢聲r(shí)，圍巖劣化工況相較于圍巖未劣化的工況，隧道圍巖變形和襯砌應(yīng)力都有明顯增加，這表明圍巖劣化對(duì)隧道穩(wěn)定性和安全性有嚴(yán)重影響。

綜上所述，地下水位高度和圍巖劣化對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性具有顯著影響。在實(shí)際工程中，應(yīng)特別關(guān)注地下水位的控制以及圍巖劣化的防治措施，合理控制地下水位并采取有效措施防止圍巖劣化，以確保隧道施工的安全與穩(wěn)定。這些研究結(jié)果為隧道設(shè)計(jì)與施工提供了重要的參考依據(jù)。

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