路 平

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)雨量充沛，年降雨量在1 200 mm以上，地下水資源豐富，軟巖經(jīng)常處于富水狀態(tài)[1]。富水軟巖隧道施工時(shí)，經(jīng)常發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限、拱頂坍塌、山體開裂等工程事故[2]。對(duì)流固耦合效應(yīng)進(jìn)行深入的研究，確定富水軟巖隧道施工中滲流場(chǎng)對(duì)圍巖變形的影響態(tài)勢(shì)及程度極為重要。

2 工程概況

南山寨隧道是湖南省吉懷高速公路主要工程之一，隧道左線ZK102+876斷面埋深17.4 m，掌子面揭露圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖，巖體較松散，自穩(wěn)能力差，滲水較嚴(yán)重，拱頂易掉塊。地勘資料顯示，地下水最高水位為284.0 m，較隧道設(shè)計(jì)高程267.1 m高16.9 m，隧道位于最高地下水位線之下，存在地下水滲流問題。

3 模型的建立

為了研究富水軟巖隧道施工中滲流場(chǎng)對(duì)圍巖變形的影響態(tài)勢(shì)及程度，分別建立流固耦合模型和普通對(duì)比模型，對(duì)考慮滲流場(chǎng)和不考慮滲流場(chǎng)的隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬與對(duì)比分析。流固耦合模型每步開挖前先添加掌子面與隧道洞周的滲流邊界，進(jìn)行滲流計(jì)算，然后進(jìn)行隧道開挖與支護(hù)的有限元模擬計(jì)算；普通對(duì)比模型不考慮地下水的滲流，僅進(jìn)行隧道的開挖與支護(hù)的有限元模擬計(jì)算。

計(jì)算滲流場(chǎng)時(shí)視圍巖為均質(zhì)的、各向同性的等效連續(xù)滲透介質(zhì)；隧道開挖后地下水處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，其流動(dòng)服從Darcy定律；隧道排水通過襯砌與掌子面的滲水實(shí)現(xiàn)[3]。計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)時(shí)圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70—2004》與《工程地質(zhì)手冊(cè)（第4版）》選取，如表1所示。根據(jù)工程類比和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，開挖瞬時(shí)地應(yīng)力釋放率、施作初期支護(hù)后應(yīng)力釋放率、施作二次襯砌后應(yīng)力釋放率分別為 30%，25%，45%[4]。

表1 數(shù)值計(jì)算力學(xué)參數(shù)

根據(jù)南山寨隧道左線ZK102+876的地形建立計(jì)算模型如下：在水平方向，由隧道軸線向兩側(cè)各取56 m；在豎直方向，上邊界根據(jù)該段隧道的實(shí)際地形，取隧道埋深17.4 m，下邊界取至隧底以下42 m；縱向取45 m。

圖1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

流固耦合模型與普通對(duì)比模型均約束左右面、前后面和底面的法向位移。在流固耦合模型左右邊界設(shè)置16.9 m固定水頭邊界，前后面與底面設(shè)置不透水邊界，隧道開挖面設(shè)置零壓力水頭邊界；普通對(duì)比模型由于不考慮滲流，不設(shè)置水頭邊界。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

為了深入地研究富水軟巖隧道施工中滲流場(chǎng)對(duì)巖體變形的影響程度和態(tài)勢(shì)，繪制模型邊界上5條測(cè)線如圖2。

圖2 位移測(cè)線分布示意圖

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，分別繪出各測(cè)線隨開挖的變化曲線，對(duì)考慮與不考慮滲流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 地表沉降橫向測(cè)線L1隨開挖變化曲線

從圖3可以看出，滲流場(chǎng)對(duì)地表沉降縱向測(cè)線L1的影響很大?？紤]滲流場(chǎng)后地表沉降最大值為-13.1 mm，而不考慮時(shí)為-2.7 mm，前者約為后者的4.8倍。不考慮滲流場(chǎng)時(shí)，地表沉降發(fā)生于隧道軸線兩側(cè)約20 m范圍內(nèi)；考慮滲流場(chǎng)后，地表沉降范圍延伸至模型邊界。這是因?yàn)榭紤]滲流場(chǎng)后，地表沉降主要由巖體失水固結(jié)及滲透動(dòng)壓力對(duì)巖體的擾動(dòng)產(chǎn)生，隧道開挖引起的應(yīng)力重分布是地表沉降的次要因素，因此考慮滲流場(chǎng)后地表沉降值與沉降范圍較不考慮滲流場(chǎng)時(shí)都有所擴(kuò)大。

圖4 地表沉降縱向測(cè)線L2變化曲線

從圖4可以看出，滲流場(chǎng)對(duì)地表沉降橫向測(cè)線L2的影響很大。隧道開挖后，考慮與不考慮滲流場(chǎng)時(shí)，地表沉降均在掌子面掘進(jìn)15 m后趨于穩(wěn)定。不考慮滲流場(chǎng)時(shí)，由于隧道開挖引起的應(yīng)力重分布是地表沉降的主要原因，隧道開挖僅對(duì)掌子面前15 m范圍內(nèi)地表產(chǎn)生影響；考慮滲流場(chǎng)后，隧道開挖造成的水力臨空面使?jié)B流場(chǎng)呈漏斗形分布，而滲流引起的巖體失水固結(jié)與滲透動(dòng)壓力是地表沉降的主要原因，造成地表沉降范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不考慮滲流場(chǎng)時(shí)的沉降范圍。

圖5 拱頂沉降測(cè)線L3變化曲線

從圖5可以看出，滲流場(chǎng)對(duì)拱頂沉降測(cè)線L3的影響較大?？紤]滲流場(chǎng)時(shí)，拱頂最大沉降值為-16.8 mm，而不考慮滲流場(chǎng)時(shí)僅為-6.8 mm。前者約為后者的2.5倍。從縱向看，考慮滲流場(chǎng)時(shí)拱頂沉降在掌子面掘進(jìn)24 m后穩(wěn)定，不考慮滲流場(chǎng)時(shí)拱頂沉降在掌子面掘進(jìn)12 m后趨于穩(wěn)定；考慮滲流場(chǎng)時(shí)隧道開挖對(duì)掌子面前方巖體的影響范圍已超出模型邊界，不考慮滲流場(chǎng)時(shí)隧道開挖對(duì)掌子面前方6 m范圍內(nèi)有一定影響。

圖6 拱腰側(cè)移測(cè)線L4變化曲線

從圖6可以看出，滲流場(chǎng)對(duì)拱腰側(cè)移測(cè)線L4的影響較大。考慮滲流場(chǎng)時(shí)拱腰側(cè)移約為-0.8 mm，不考慮滲流場(chǎng)時(shí)約為-1.8 mm，前者僅為后者的44.4%。這是由于孔隙水壓力存在降低了巖體有效應(yīng)力，從而使側(cè)壁位移有所減小。

圖7 拱底變形測(cè)線L5變化曲線

由圖7可以看出，滲流場(chǎng)對(duì)拱底隆起測(cè)線L5的影響很大。考慮與不考慮滲流場(chǎng)時(shí)，隧道開挖完成后拱底均表現(xiàn)為向上回彈，考慮滲流場(chǎng)時(shí)最大回彈量3.8 mm，不考慮滲流場(chǎng)時(shí)最大回彈量13.2 mm，前者僅為后者的28.7%。這種區(qū)別可解釋為：考慮與不考慮滲流場(chǎng)在隧道開挖后，拱底巖體均由于卸載產(chǎn)生回彈，但考慮滲流場(chǎng)時(shí)因孔隙水壓降低產(chǎn)生固結(jié)沉降，故其回彈量遠(yuǎn)小于不考慮滲流場(chǎng)時(shí)的回彈值?？紤]滲流場(chǎng)時(shí)，拱底在掌子面前方產(chǎn)生了固結(jié)沉降，其范圍超出了模型邊界；不考慮滲流場(chǎng)時(shí)，拱底在掌子面前方15 m范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生一定程度的隆起。

5 結(jié)論

考慮與不考慮滲流場(chǎng)時(shí)富水軟巖隧道開挖引起的巖體變形差別極大。不考慮滲流場(chǎng)時(shí)巖體產(chǎn)生位移的范圍有限，而考慮滲流場(chǎng)后巖體產(chǎn)生位移范圍要大得多?？紤]滲流場(chǎng)時(shí)拱頂與地表的沉降值遠(yuǎn)大于不考慮滲流場(chǎng)時(shí)的沉降值，拱腰側(cè)移和拱底隆起較不考慮滲流場(chǎng)時(shí)反而更小。