羅 信 毛安琪 張延森 劉 闖

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽(yáng) 515325; 2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 北京 100013; 3.徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 徐州 221000; 4.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，破壞了巖體原有的平衡狀態(tài)，使應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，引起應(yīng)力重分布，巖體可能產(chǎn)生變形甚至破壞[1]。圍巖的穩(wěn)定性受到一系列因素的影響，自然因素包括地應(yīng)力、巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體的力學(xué)性質(zhì)及地下水等因素，而影響圍巖穩(wěn)定的人為主觀因素則主要包括施工方法、支護(hù)措施、洞室的斷面形狀和尺寸及埋深等[2]。對(duì)于圍巖等級(jí)較差，地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性、空間位置變化頻繁的地段，圍巖變形變化大，圍巖變形過(guò)程中，不僅巖體的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，其應(yīng)力狀態(tài)也隨之不斷調(diào)整，并引起能量的積存和釋放等效應(yīng)。隧道施工主要工序，如開(kāi)挖、初期支護(hù)、設(shè)置仰拱、二次襯砌等工序是隧道變形影響的主要因素[3]。

保持隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定是隧道掘進(jìn)施工中的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是施工安全的基本保證。對(duì)于含水地層的隧道開(kāi)挖，在水頭差的作用下，地下水會(huì)向著開(kāi)挖面滲流從而產(chǎn)生作用于開(kāi)挖面的滲流力，影響開(kāi)挖面的穩(wěn)定性[4-5]?？紤]滲流力時(shí)圍巖的穩(wěn)定性可采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行分析[6-7]。分析圍巖開(kāi)挖的影響因素并掌握其影響規(guī)律，結(jié)合工程實(shí)際開(kāi)展圍巖開(kāi)挖變形影響因素研究非常有必要，可根據(jù)研究結(jié)果合理選擇施工工藝及支護(hù)方式，防治隧道工程災(zāi)害，保證施工進(jìn)度及綜合效益。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

小北山一號(hào)隧道全長(zhǎng)約3 000 m，為揭(陽(yáng))惠(來(lái))高速關(guān)鍵工程之一。隧道分左線、右線布置，左線隧道里程ZK14+390-ZK17+386，長(zhǎng)度2 996 m；右線隧道里程K14+380-K17+384，長(zhǎng)度3 004 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)鉆探成果，隧道址區(qū)基底主要為燕山期花崗巖，局部見(jiàn)輝綠巖巖脈。龍?zhí)斗逅畮?kù)位于小北山一號(hào)隧道K16+400-K16+900左側(cè)，占地面積68 000 m2，蓄水量達(dá)30萬(wàn)m3，與隧道設(shè)計(jì)高差約149 m。隧道以地下隧洞形式從龍?zhí)斗逅畮?kù)斜下方穿越，通過(guò)F3斷裂破碎帶相連。

本次模擬采用midas GTS NX軟件。取隧道中心線為Y軸，垂直方向?yàn)閄軸，鉛垂方向?yàn)閆軸，隧道前面底部中心點(diǎn)為模型的坐標(biāo)原點(diǎn)。考慮隧道開(kāi)挖和滲流的影響半徑，在X方向左右各取約8倍洞徑，計(jì)算范圍為120 m；隧道下方取約5倍洞高，隧道埋深取150 m，Z方向計(jì)算范圍約210 m；在Y方向取掌子面每次進(jìn)尺的長(zhǎng)度2 m，模擬開(kāi)挖30步，同時(shí)為保證模擬的真實(shí)性，減小邊界條件的影響，模擬已完成開(kāi)挖30 m，并對(duì)其施作初支30 m，二襯20 m(V級(jí)圍巖設(shè)仰拱30 m)，未開(kāi)挖圍巖30 m，Y方向計(jì)算范圍為30 m+30 m×2+30 m=120 m。

模型的計(jì)算范圍為120 m×120 m×210 m，整個(gè)數(shù)學(xué)模型共劃分為97 679個(gè)實(shí)體單元、4 480個(gè)板單元、17 469個(gè)節(jié)點(diǎn)。

隧道數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖1，開(kāi)挖網(wǎng)格組見(jiàn)圖2。

圖1 隧道數(shù)值計(jì)算模型圖

圖2 開(kāi)挖網(wǎng)格組分布圖

根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定巖體的物理力學(xué)參數(shù)，采用等效連續(xù)介質(zhì)模型，D-P彈塑性屈服準(zhǔn)則。巖體采用實(shí)體單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)用板單元模擬；模型的上部為自由邊界，底部為固定邊界。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，隧道埋深較大，隧道在垂直方向的初始地應(yīng)力取巖體的自重，水平方向的初始地應(yīng)力按側(cè)壓力系數(shù)K=1時(shí)考慮。各級(jí)圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、注漿區(qū)及破碎帶的模擬計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模擬計(jì)算參數(shù)表

2 不考慮滲流作用的圍巖開(kāi)挖變形影響因素分析

2.1 圍巖等級(jí)對(duì)圍巖開(kāi)挖變形影響分析

為排除施工方法及支護(hù)對(duì)圍巖開(kāi)挖變形的影響，本小節(jié)所模擬的III，IV，V級(jí)圍巖開(kāi)挖均采用全斷面法，圍巖均處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)。

隧道開(kāi)挖尺寸如圖3所示。取第12步開(kāi)挖后隧道斷面為研究斷面(以下各節(jié)數(shù)值模擬均取此斷面為研究斷面)，提取拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂計(jì)算結(jié)果，如圖4所示，其中圖中水平軸負(fù)值表示該斷面未開(kāi)挖，正值表示該斷面已開(kāi)挖。

圖3 隧道開(kāi)挖尺寸布置圖(尺寸單位：m)

圖4 III、IV、V級(jí)圍巖位移場(chǎng)曲線圖

由圖4可見(jiàn)：

1) III，IV，V級(jí)圍巖在無(wú)支護(hù)的情況下，拱頂下沉、拱底隆起和水平收斂的變化規(guī)律基本一致，均隨著距離的增大而增大，變形速度表現(xiàn)為隨著掌子面的臨近而增大，隨著掌子面的遠(yuǎn)離而減??；各級(jí)圍巖開(kāi)挖前位移變化量與開(kāi)挖后位移變化量之比均約為3∶7。

2) 隨著圍巖等級(jí)的降低，圍巖變形速度增加。在隧道施工監(jiān)控中，位移速度是決定監(jiān)控量測(cè)頻率的一項(xiàng)重要指標(biāo)。若每步開(kāi)挖需要1 d，則可以假定當(dāng)位移速度大于0.5 mm/步時(shí)，屬于急劇變形階段；位移速度小于0.1 mm/步時(shí),變形基本收斂。

①對(duì)于III級(jí)圍巖，整個(gè)開(kāi)挖階段的位移變化都比較平緩，只有在[0，0.2R]階段(R為隧道跨徑，約為10 m)表現(xiàn)出位移的急劇變化，在開(kāi)挖后距掌子面1.2R時(shí)，此時(shí)變形量占總變形的90%，變形基本收斂。

②對(duì)于IV級(jí)圍巖，整個(gè)開(kāi)挖階段的位移變化速度相對(duì)III級(jí)圍巖更快，在[-0.4，0.6R]階段表現(xiàn)出位移的急劇變化，在開(kāi)挖后距掌子面2.0R時(shí)，此時(shí)變形量占總變形的96 %，變形基本收斂。

③對(duì)于V級(jí)圍巖，整個(gè)開(kāi)挖階段的位移變化速度最快，在[-0.8，1.2R]階段表現(xiàn)出位移的急劇變化，在開(kāi)挖后距掌子面2.8R時(shí)，此時(shí)變形量占總變形的98 %，變形基本收斂。

3) 隨著圍巖等級(jí)的降低，圍巖最終變形量依次增大。其中III，IV，V級(jí)圍巖豎向總位移比例約為1∶1.6∶3.5，水平總位移比例約為1∶8∶54。水平位移比例明顯大于豎向位移比例，這是由于隨著圍巖等級(jí)的降低，泊松比逐漸增大、黏聚力及內(nèi)摩擦角逐漸減小等因素的綜合影響造成的。

2.2 支護(hù)(初支)對(duì)圍巖開(kāi)挖變形影響分析

在本次模擬中，III，IV，V級(jí)圍巖均采用全斷面法，以排除開(kāi)挖方法對(duì)圍巖變形的影響。初噴在圍巖開(kāi)挖后跟進(jìn)施作，二襯只在開(kāi)挖前20 m施作，仰拱只在開(kāi)挖前30 m施作，二襯和仰拱只作為開(kāi)挖前支護(hù)條件，不隨著開(kāi)挖的進(jìn)行而跟進(jìn)施作，因此本次僅模擬初支對(duì)圍巖開(kāi)挖變形的影響，不考慮二襯、仰拱及開(kāi)挖方法的影響。III，IV級(jí)圍巖初支布置形式相同，均無(wú)仰拱，初噴不封閉，只是初支厚度不同。V級(jí)圍巖有仰拱，初噴封閉。

各級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)同表1所示。

各級(jí)圍巖支護(hù)布置形式見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 III，IV級(jí)圍巖支護(hù)布置形式

圖6 V級(jí)圍巖支護(hù)布置形式

提取拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂計(jì)算結(jié)果并對(duì)比上節(jié)無(wú)支護(hù)結(jié)果，見(jiàn)圖7。

圖7 有無(wú)支護(hù)位移場(chǎng)曲線對(duì)比圖

由圖7可見(jiàn)：

1) 各級(jí)圍巖在有、無(wú)初支情況下，變形規(guī)律基本一致。均表現(xiàn)出位移隨著距離的增大而增大，變形速度表現(xiàn)為隨著掌子面的臨近而增大，隨著掌子面的遠(yuǎn)離而減小等特征。

2) 各級(jí)圍巖在有、無(wú)初支情況下，開(kāi)挖前的拱頂下沉、拱底隆起和水平收斂曲線基本重合，即支護(hù)對(duì)圍巖開(kāi)挖前的變形基本沒(méi)有影響。這是由于支護(hù)是在圍巖開(kāi)挖后施作的，對(duì)前方未開(kāi)挖圍巖擾動(dòng)較小。在開(kāi)挖后，各級(jí)圍巖在支護(hù)作用下的圍巖變形均比無(wú)支護(hù)情況要小，表現(xiàn)出初支對(duì)抵制圍巖開(kāi)挖變形的作用。

3) 對(duì)于不同的圍巖等級(jí)，初支對(duì)于圍巖開(kāi)挖后變形的影響程度隨著圍巖等級(jí)的降低而增大。

①對(duì)于III級(jí)圍巖，在支護(hù)下圍巖變形總量與無(wú)支護(hù)下圍巖變形總量之比約為0.98∶1，且變形曲線基本完全重合。因此初支對(duì)于圍巖開(kāi)挖變形的影響可以忽略不計(jì)，只是作為一種安全儲(chǔ)備。

②對(duì)于IV級(jí)圍巖，在支護(hù)下圍巖變形總量與無(wú)支護(hù)下圍巖變形總量之比約為0.90∶1，即支護(hù)作用減少了約10%的圍巖變形。在支護(hù)作用下，開(kāi)挖后的圍巖變形速度有所減小，變形基本收斂距離也有所減小，由原來(lái)的2.0R降至1.6R。

③對(duì)于V級(jí)圍巖，有、無(wú)支護(hù)情況下圍巖豎向變形與水平變形有所不同。有、無(wú)支護(hù)下圍巖豎向變形總量之比約為0.75∶1，水平變形總量之比約為0.45∶1，即支護(hù)作用減少了約25%的圍巖豎向變形、55%的圍巖水平變形?？梢?jiàn)，支護(hù)對(duì)于圍巖水平變形的限制更為明顯。在支護(hù)作用下，開(kāi)挖后的圍巖變形速度大幅減小，變形基本收斂，距離也大幅減小，由原來(lái)的2.8R降至2.0R。

2.3 開(kāi)挖方法對(duì)圍巖開(kāi)挖變形影響分析

隧道開(kāi)挖是施工的重要工序，開(kāi)挖方法的選擇不僅決定隧道的施工進(jìn)度，而且嚴(yán)重影響到施工安全，科學(xué)合理的選擇隧道開(kāi)挖方法十分重要。隧道開(kāi)挖掘進(jìn)方法分機(jī)械掘進(jìn)與鉆爆開(kāi)挖兩大類。其中機(jī)械掘進(jìn)有TBM、盾構(gòu)兩種方式，鉆爆法開(kāi)挖分全斷面法、臺(tái)階法，其中臺(tái)階法又分二臺(tái)階、三臺(tái)階及三臺(tái)階預(yù)留核心土法，其它主體方法還有CD、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法，一般根據(jù)圍巖等級(jí)及施工條件的不同采用不同的施工方法改善隧道開(kāi)挖后圍巖的受力和變形。在依托工程小北山1號(hào)隧道施工中，III級(jí)圍巖一般采用全斷面法，IV級(jí)圍巖一般采用臺(tái)階法，V級(jí)圍巖一般采用環(huán)形臺(tái)階法(三臺(tái)階預(yù)留核心土法)。

本次數(shù)值模擬主要針對(duì)IV、V級(jí)圍巖，對(duì)比分析采用全斷面法與臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)圍巖變形的影響。對(duì)于IV級(jí)圍巖，采用二臺(tái)階法開(kāi)挖，設(shè)臺(tái)階長(zhǎng)度為10 m；對(duì)于V級(jí)圍巖采用環(huán)形臺(tái)階法開(kāi)挖，設(shè)預(yù)留核心土長(zhǎng)度為4 m，下臺(tái)階為6 m?？紤]圍巖的支護(hù)作用，IV、V級(jí)圍巖的支護(hù)方式及相關(guān)參數(shù)同上節(jié)。

臺(tái)階法開(kāi)挖形式及網(wǎng)格組劃分見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 臺(tái)階法開(kāi)挖形式圖

圖9 臺(tái)階法開(kāi)挖網(wǎng)格組圖

提取拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂計(jì)算結(jié)果并對(duì)比上節(jié)全斷面法結(jié)果，見(jiàn)圖10。

圖10 全斷面、臺(tái)階法位移場(chǎng)曲線對(duì)比圖

由圖10可見(jiàn)：

1) 對(duì)于IV，V級(jí)圍巖，隧道采用臺(tái)階法開(kāi)挖與全斷面法開(kāi)挖時(shí)圍巖的變形過(guò)程有所不同，但最終變形量基本一致。由此可見(jiàn)，開(kāi)挖方法的不同只是影響了圍巖的變形過(guò)程。

2) 相比于全斷面法，臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)圍巖拱頂下沉、拱底隆起和水平收斂3個(gè)變形指標(biāo)的影響程度不同。對(duì)拱底隆起影響最大，水平收斂次之，對(duì)拱頂下沉影響最小，以V級(jí)圍巖為例。

①拱底隆起。當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖到研究斷面時(shí)，拱底測(cè)點(diǎn)隆起值比全斷面法隆起值大4.6 mm，該測(cè)點(diǎn)位移釋放系數(shù)已達(dá)到25%，此時(shí)全斷面法開(kāi)挖的拱底位移釋放系數(shù)僅為2.7%，臺(tái)階法明顯比全斷面法產(chǎn)生了更多的拱底隆起變形；當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖到研究斷面，即開(kāi)挖到拱頂測(cè)點(diǎn)時(shí)，拱底測(cè)點(diǎn)位移釋放系數(shù)達(dá)到82%，全斷面法開(kāi)挖的位移釋放系數(shù)僅為40%，臺(tái)階法相對(duì)于全斷面法已經(jīng)完成了大部分的拱底隆起變形，以上均體現(xiàn)出上臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)于拱底圍巖較大的卸載作用。

②水平收斂。當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖到研究斷面時(shí)，水平收斂值比全斷面法水平收斂值大0.44 mm，該水平測(cè)線的位移釋放系數(shù)達(dá)到9.2%，此時(shí)全斷面法開(kāi)挖的水平位移釋放系數(shù)為5.0%，臺(tái)階法比全斷面法產(chǎn)生了稍多水平收斂變形；當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖到研究斷面，即水平測(cè)線完全開(kāi)挖時(shí)，水平測(cè)線位移釋放系數(shù)達(dá)到68%，全斷面法開(kāi)挖的位移釋放系數(shù)為51%，臺(tái)階法相對(duì)全斷面法完成了更多的水平收斂變形，體現(xiàn)出上臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)于拱腰圍巖一定的卸載作用。

③拱頂下沉。當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖到研究斷面，即開(kāi)挖到拱頂測(cè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)于V級(jí)圍巖，拱頂測(cè)點(diǎn)下沉值比全斷面法下沉值小1.8 mm，該測(cè)點(diǎn)位移釋放系數(shù)已達(dá)到28%，此時(shí)全斷面法開(kāi)挖的拱頂位移釋放系數(shù)為39%，兩者相差11%；而對(duì)于IV級(jí)圍巖，此時(shí)采用臺(tái)階法與全斷面法開(kāi)挖的拱頂位移釋放系數(shù)差值卻僅為1.4%，這主要是由于核心土對(duì)開(kāi)挖面的支承作用，有效地抑制了拱頂下沉。當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖到研究斷面時(shí)，拱頂測(cè)點(diǎn)位移釋放系數(shù)達(dá)到89%，全斷面法開(kāi)挖的位移釋放系數(shù)為91%，此時(shí)臺(tái)階法與全斷面法拱頂下沉總量基本相同，可以看出拱頂下沉在上臺(tái)階開(kāi)挖后已基本完成，下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)于拱頂變形影響很小。

③采用臺(tái)階法開(kāi)挖相比全斷面法開(kāi)挖會(huì)改善圍巖的變形速度及變形收斂時(shí)間。以V級(jí)圍巖拱底隆起指標(biāo)為例，采用全斷面法開(kāi)挖引起拱底最大隆起變形速度發(fā)生在斷面開(kāi)挖前后，最大隆起變形速度高達(dá)4.9 mm/步(每步開(kāi)挖2 m)，隆起變形大于2.0 mm/步的范圍為[-0.4R，0.4R]，隆起變形基本收斂距離為2.6R；而采用臺(tái)階法開(kāi)挖引起拱底最大隆起變形速度發(fā)生在上臺(tái)階開(kāi)挖前后，最大隆起變形速度為3.1 mm/步，隆起變形大于2.0 mm/步的范圍為[-R，-0.6R]，隆起變形基本收斂距離為1.6R。

3 考慮滲流作用的圍巖開(kāi)挖變形分析

完全應(yīng)力-滲流耦合分析并不遵循穩(wěn)態(tài)的孔隙水壓力恒定的假設(shè)，適用于模擬完全耦合形式的瞬態(tài)滲流現(xiàn)象中的應(yīng)力分析及非穩(wěn)態(tài)條件。與固結(jié)分析不同，可以定義隨時(shí)間變化的滲流邊界條件、邊界流量等。換言之，在完全應(yīng)力-滲流耦合分析中，可以使用非穩(wěn)態(tài)滲流分析的邊界條件和結(jié)構(gòu)的荷載及邊界條件。

這類分析可以用于降雨條件下的巖土穩(wěn)定分析和大型水庫(kù)水位變化的穩(wěn)定性分析等。特別是可采用全部的滲流邊界條件(水頭/流量)，不僅用于分析超孔隙水壓力的變化，而且也可分析固結(jié)孔隙水壓力的整體變化。

由于小北山一號(hào)隧道上方存在龍?zhí)斗逅畮?kù)，水源供應(yīng)充足，滲流條件相對(duì)穩(wěn)定，另外針對(duì)IV級(jí)圍巖150 m水頭差情況，分別進(jìn)行了連續(xù)滲流-應(yīng)力分析和完全應(yīng)力滲流數(shù)值模擬分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)于隧道圍巖變形影響基本相同，如圖11所示，因此，在以下模擬中均采用連續(xù)滲流-應(yīng)力分析。

圖11 不同應(yīng)力-滲流耦合分析方法結(jié)果對(duì)比圖

假定隧道開(kāi)挖前，地下水位面以下圍巖處于飽和狀態(tài)。設(shè)模型的底部、左右兩側(cè)及后邊界為不透水邊界，上邊界為自由邊界。隧道開(kāi)挖后，地下水在隧道開(kāi)挖區(qū)域的邊界上為自由透水邊界，滲流水壓力為零。

在模擬分析中支護(hù)條件、邊界條件等均與不考慮滲流情況一致，水位條件分水位面在隧道上方50，100，150，200 m(即水頭差為50，100，150，200 m)4種情況討論，通過(guò)添加節(jié)點(diǎn)水頭的方式為圍巖設(shè)置水位條件，模型總高210 m，隧道中心標(biāo)高60 m。

水頭條件添加方式如下。

1) 水頭差為50 m情況，設(shè)110 m水位線以下模型底部、左右兩側(cè)及后邊界節(jié)點(diǎn)總水頭為110 m，隧道開(kāi)挖邊界節(jié)點(diǎn)壓力水頭為0。

2) 水頭差為100 m情況，設(shè)160 m水位線以下模型底部、左右兩側(cè)及后邊界節(jié)點(diǎn)總水頭為160 m，隧道開(kāi)挖邊界節(jié)點(diǎn)壓力水頭為0。

3) 水頭差為150 m情況，210 m水位線剛好在模型頂面，設(shè)整個(gè)模型底部、左右兩側(cè)及后邊界節(jié)點(diǎn)總水頭為210 m，隧道開(kāi)挖邊界節(jié)點(diǎn)壓力水頭為0。

4) 水頭差為200 m情況，260 m水位線在模型上方，設(shè)整個(gè)模型底部、左右兩側(cè)及后邊界節(jié)點(diǎn)總水頭為260 m，隧道開(kāi)挖邊界節(jié)點(diǎn)壓力水頭為0。

3.1 不同水位下圍巖開(kāi)挖滲流場(chǎng)分析

均質(zhì)圍巖在無(wú)注漿加固、不考慮襯砌堵水情況下，各等級(jí)圍巖在同水位情況下的孔隙水壓力分布相同。運(yùn)用有限元進(jìn)行滲流分析后，得到水頭差分別為50，100，150，200 m時(shí)圍巖開(kāi)挖前、后孔隙水頭分布圖見(jiàn)圖12。

圖12 不同水頭差圍巖開(kāi)挖前孔隙水頭分布云圖

水頭差為50，100，150，200 m時(shí)，圍巖開(kāi)挖后水頭分布見(jiàn)圖13。

圖13 不同水頭差圍巖開(kāi)挖后孔隙水頭分布云圖

由圖12及圖13可見(jiàn)：

隧道開(kāi)挖后，圍巖的滲流場(chǎng)產(chǎn)生變化，水向隧道內(nèi)滲流，滲流速度矢量的方向?yàn)樗淼缽较蚍较?。總水頭值表現(xiàn)為沿著隧道徑向方向逐漸減小至其位置水頭值，孔隙水壓力表現(xiàn)為在隧道在開(kāi)挖后開(kāi)挖邊界孔隙水壓力降為0，同時(shí)其周圍一定區(qū)域內(nèi)孔隙水壓力也大幅減小，滲流場(chǎng)在隧道的周圍形成了一個(gè)降水漏斗區(qū)，并且隨著水位面的提高，水頭差增大，孔隙水壓的減小值變大。

3.2 不同水位下圍巖開(kāi)挖位移場(chǎng)分析

提取III，IV，V級(jí)圍巖不同水頭差下拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)比不考慮滲流情況計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖14～圖16。

圖14 III級(jí)圍巖在不同水頭差下滲流場(chǎng)曲線圖

圖15 IV級(jí)圍巖在不同水頭差下滲流場(chǎng)曲線圖

圖16 V級(jí)圍巖在不同水頭差下滲流場(chǎng)曲線圖

由圖14～圖16可見(jiàn)：

1) 各級(jí)圍巖在是否考慮滲流影響時(shí)的拱頂下沉、拱底隆起和水平收斂曲線變化的總體規(guī)律大致相同。滲流水對(duì)圍巖變形影響貫穿整個(gè)變形過(guò)程，且隨著開(kāi)挖距離的增加而增大。

2) 各級(jí)圍巖在是否考慮滲流情況時(shí)對(duì)拱頂下沉、拱底隆起值及水平收斂變化的影響有所不同。拱頂下沉、水平收斂值在考慮滲流影響時(shí)均比不考慮滲流影響的變形值大，且隨著水頭差的提高而增大；而拱底隆起值恰恰相反，拱底在考慮滲流影響時(shí)比不考慮滲流影響的隆起值要小，且隨著水頭差的提高而減小。

這是由于隧道有水開(kāi)挖時(shí)的滲流現(xiàn)象改變的孔隙水壓力分布，隧道開(kāi)挖區(qū)域孔隙水壓力大幅減小，滲流場(chǎng)在隧道的周圍形成了一個(gè)降水漏斗區(qū)，導(dǎo)致整個(gè)隧道向下的固結(jié)沉降和水平方向的兩腰收斂，且隨著水位面的提高，水頭差增大，孔隙水壓的減小值變大，固結(jié)沉降和兩腰收斂值也增大。

3) 隧道在有水開(kāi)挖時(shí)，滲流場(chǎng)會(huì)影響隧道的凈空大小，且影響程度隨著水頭差的增大而增大。以IV級(jí)圍巖隧道為例，在50，100，150，200 m水頭差下的開(kāi)挖變形后隧道凈高(拱頂、拱底之間距離)分別比不考慮滲流情況減小約0.21，0.58，0.66，0.91 mm，開(kāi)挖變形后隧道凈寬(水平測(cè)線

長(zhǎng)度)相比不考慮滲流情況減小約1.33，2.55，3.77，4.91 mm，可見(jiàn)有水開(kāi)挖滲流場(chǎng)會(huì)減小隧道的凈空，且主要影響隧道凈寬。

4) 隨著圍巖等級(jí)的降低，滲流對(duì)圍巖開(kāi)挖變形的影響逐漸增大，主要表現(xiàn)為圍巖變形值的增大和變形收斂距離增加。

4 結(jié)論

1) 圍巖變形在開(kāi)挖前就已產(chǎn)生并貫穿整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程，不同等級(jí)圍巖變形程度不同，隨著圍巖等級(jí)的降低，圍巖變形速度、變形總量及變形基本收斂距離依次增加。

2) 支護(hù)主要影響圍巖開(kāi)挖后的變形且隨著圍巖等級(jí)的降低，支護(hù)的作用越來(lái)越明顯。對(duì)于低等級(jí)圍巖，支護(hù)能有效地減小圍巖的開(kāi)挖變形。

3) 采用臺(tái)階法開(kāi)挖相比于全斷面法能有效地降低圍巖開(kāi)挖位移變形速度，能控制低等級(jí)圍巖開(kāi)挖位移急劇變形，使圍巖變形平緩化，同時(shí)臺(tái)階法能顯著減少圍巖變形基本收斂距離。

4) 滲流對(duì)隧道開(kāi)挖圍巖變形的影響主要體現(xiàn)在滲流場(chǎng)在隧道的周圍形成了一個(gè)降水漏斗區(qū)，導(dǎo)致整個(gè)隧道向下的固結(jié)沉降和水平方向的兩腰收斂，使得隧道凈空減小，并且對(duì)這些現(xiàn)象影響程度隨著地下水位的提高，圍巖等級(jí)的降低而增大。

[1] 楊會(huì)軍,王夢(mèng)恕.隧道圍巖變形影響因素分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2006,28(3):92-96.

[2] 王曉.考慮滲流作用的隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬及其影響因素分析[D].西安：西安理工大學(xué),2015.

[3] 李曉紅, 李登新,靳曉光,等.初期支護(hù)對(duì)軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性和位移影響分析[J].巖土力學(xué),2005, 26(8):1207-1210.

[4] 李鵬飛,張頂立,趙勇.滲流作用下海底隧道開(kāi)挖面圍巖穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2013,26(3):130-136.

[5] 高健,張義同,喬金麗.滲透力對(duì)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009(10):1547-1553.

[6] LEE I M, NAM S W. The study of seepage forces acting on the tunnel lining and tunnel face in shallow tunnels[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2001,16(1):31-40.

[7] 李之達(dá),黃彬,王花平,等.公路隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖特性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2011,35(2):219-222.