高川川

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

在不良地質(zhì)段開挖隧道具備一定的難度，通常開挖完隧道后容易導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。特別是地下水位較高的不良地段，因滲流場的作用容易使隧道在開挖時出現(xiàn)受力以及變形的變化。以某不良地段下隧道開挖區(qū)施工以及支護(hù)情況作為研究背景，以建立有限元的方式對不良地段隧道襯砌結(jié)構(gòu)因滲流場影響所改變的受力及變形情況進(jìn)行分析。

1 有限元模型

在不良地質(zhì)段開挖隧道容易因地下水的影響導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。利用ABAQUS 軟件建立滲流作用下隧道的有限元模型，并以該模型對不良地質(zhì)段開挖隧道時所受滲流作用的過程進(jìn)行模擬。模型建立時所選取的圍巖尺寸為100 m×100 m，以實(shí)際隧道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計尺寸進(jìn)行建模，具體如圖1 所示。為使模型與實(shí)際更加貼合，以將透水孔設(shè)置在拱腳的方式對支護(hù)結(jié)構(gòu)的透水性進(jìn)行模擬，以便于模擬支護(hù)后支護(hù)結(jié)構(gòu)的排水性。本模型所采取的斷面開挖方式為上下臺階法。

2 滲流參數(shù)分析結(jié)果

分析開挖導(dǎo)致的孔隙水壓力及孔隙比變化。將開挖隧道前孔隙水壓力為0 的點(diǎn)設(shè)置在頂面以下-20 m 處，將孔隙比的初始值設(shè)定為0.2，在該狀態(tài)下，隨著深度的不斷增加孔隙水壓力不斷上升。

邊界處開挖時，該處的孔隙水壓力因滲流作用散失約束而得以釋放降低。將不透水層設(shè)定為襯砌，并在拱腳處安放透水層，在襯砌完成施工后，因限制了邊界的滲流，使得最終孔隙水壓力表現(xiàn)為有負(fù)值出現(xiàn)在拱頂以及拱底處，意思既該處無水，因?yàn)楣澳_處透水層的存在，因此襯砌施工完成后，使孔隙水壓力表現(xiàn)為拱頂以及拱底處數(shù)值不斷上升，并有較大的水壓保持在兩側(cè)拱腰處。

隨著隧道的不斷開挖，拱頂和拱底兩處孔隙比所呈現(xiàn)規(guī)律為不斷的上升，而拱腰處則是不斷下降，總體而言所呈現(xiàn)的規(guī)律為對稱分布。與拱頂孔隙比的增加量相比，拱腰處的孔隙比降低量較小，分析原因可知，拱頂處主要是因?yàn)樨Q向位移所導(dǎo)致孔隙比增加，而拱腰處主要是因?yàn)樗轿灰扑鶎?dǎo)致的孔隙比降低。

為對隧道開挖各個過程孔隙比以及孔隙水壓力的變化規(guī)律進(jìn)行研究，將兩者關(guān)系繪制如圖2、圖3 曲線圖所示。

圖1 有限元網(wǎng)格

從圖2 中可知，隨著開挖支護(hù)施工的不斷進(jìn)行，孔隙水壓力所呈現(xiàn)的趨勢為孔隙水壓力在開挖之后較快的降低，而在支護(hù)完上臺階之后，孔隙水壓力不斷的上升，呈現(xiàn)出最終孔隙水壓力相對變化較小的規(guī)律，從其變化的趨勢可看出，孔隙水壓力所受到的開挖支護(hù)下斷面的影響較小，主要影響因素為開挖上臺階之后的孔隙水壓力得到釋放為主。兩側(cè)拱腳處所呈現(xiàn)的變化規(guī)律基本相同，且其僅有較小的孔隙水壓力變化。拱頂處的變化的孔隙水壓力程度相比拱底較低，原因在于其下部初始的孔隙水壓力較大，在開挖完上臺階之后，孔隙水壓力得到較為迅速的釋放，但在完成支護(hù)之后，排水邊界僅依靠所預(yù)留的排水孔提供，因此，隨著時間的不斷增加，孔隙水壓力不斷上升，但其最終所能得到的釋放程度較小。

根據(jù)圖3 的模擬結(jié)果可知，隨著隧道的不斷開挖，孔隙比的變化規(guī)律同孔隙水壓力的變化規(guī)律一致。孔隙比在兩側(cè)的拱腳處不斷降低，而拱頂以及拱腰則表現(xiàn)為不斷上升，并且相比于拱腰處孔隙比的增大量，拱底處的增加量較大。但拱頂和拱底孔隙比的增加量與拱腰減小量的相對比值較小。

圖2 孔隙水壓力隨隧道開挖的變化曲線

圖3 孔隙水孔隙比隨隧道開挖變化曲線

3 滲流作用下隧道位移隨開挖的變化

3.1 圍巖應(yīng)力的變化

在拱頂及拱底處的水平應(yīng)力變化規(guī)律為向右，而在拱腰處的水平應(yīng)力變化規(guī)律為向左。相比于拱腰，拱腳處有較大的水平應(yīng)力。應(yīng)力分布方式為對稱分布，且有應(yīng)力尖角出現(xiàn)在拱頂及拱腳兩側(cè)。

拱頂及拱底處的豎向應(yīng)力釋放較為明顯，僅有較小的豎向應(yīng)力。在拱腳處有相對較大的水平應(yīng)力，并呈現(xiàn)出對稱分布的形式。

為對分析隧道圍巖應(yīng)力的變化，將開挖隧道時的應(yīng)力變化繪制成如圖4、圖5 所示曲線圖。

從圖4 可知，在拱腳處圍巖的豎向位移有向上擠壓的趨勢，因此在該條件下豎向應(yīng)力相應(yīng)上升，但下臺階在開挖后的豎向位移持續(xù)性的降低直至初始的時期，因此該種情況下的豎向應(yīng)力也有所下降。拱頂處位移的變呈現(xiàn)出先降低后上升的趨勢，主要是因?yàn)樵诳紫端畨毫υ谕瓿芍ёo(hù)不斷上升。

圖4 豎向應(yīng)力隨隧道開挖過程的變化曲線

從圖5 可看出，圍巖的水平位移及水平應(yīng)力變化規(guī)律一致。因?yàn)楣把尸F(xiàn)出先縮小再增大的變化趨勢，因此應(yīng)力具有先降低后增大的趨勢，拱頂及拱底的變化也相應(yīng)的具有下降趨勢，但因改變了孔隙的水壓力，導(dǎo)致有明顯的應(yīng)力下降。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化

圖5 水平應(yīng)力隨隧道開挖過程的變化曲線

隧道開挖后的支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向及水平應(yīng)力變化規(guī)律。①拱頂處襯砌的水平應(yīng)力較小，拱底則具有相對較大的水平應(yīng)力。根據(jù)拱腰位移的變化和排水邊界，可知拱腰具有相對較大的水平應(yīng)力；②豎向應(yīng)力在拱頂及拱底處較大，而拱頂兩側(cè)則是相對較小的豎向應(yīng)力，襯砌內(nèi)邊界的豎向應(yīng)力則相對較大，整體上呈現(xiàn)出對稱的應(yīng)力分布。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)變形的特點(diǎn)導(dǎo)致拱腰應(yīng)力的分布所表現(xiàn)的趨勢為向上變化。

在完成開挖到施加支護(hù)的這段時間里，由于襯砌尚未施工而沒有應(yīng)力的變化。既下臺階施工襯砌前，沒有豎向應(yīng)力在拱腰和拱底處產(chǎn)生，拱腰則是因?yàn)橄蛏献兓囊?guī)律，導(dǎo)致其呈現(xiàn)的應(yīng)力變化規(guī)律為不斷上升。在上臺階襯砌完成施工之后，拱頂?shù)呢Q向應(yīng)力隨之發(fā)生改變，并在初始階段有較為迅速的上升。在完成襯砌的施工后，拱頂?shù)乃綉?yīng)力隨其位移的變化而變化，但其改變量相對較小。而僅在完成下臺階的襯砌施工后，拱腰及拱底才會出現(xiàn)應(yīng)力變化，根據(jù)圍巖位移的水平變化趨勢，這兩處的應(yīng)力變化呈現(xiàn)出增加的趨勢。

4 結(jié)語

通過上述分析，主要得出下列結(jié)論：①孔隙水壓力會由于隧道的開挖而不斷下降，并且其孔隙水壓力隨開挖區(qū)域的距離呈現(xiàn)出距離越遠(yuǎn)變化越低的規(guī)律。但在襯砌完工后，拱腰處呈現(xiàn)出孔隙水壓力不斷上升的現(xiàn)象，而拱腳處則變化不大，主要是因?yàn)樵诠澳_處設(shè)置了隧道襯砌排水口所致；②在滲流場的作用下，最大的水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰位置，而拱頂處的豎向應(yīng)力最大。在施工襯砌結(jié)構(gòu)前應(yīng)加固拱頂及拱腰。

通過對比無滲流場作用下開挖隧道時的圍巖變形和應(yīng)力及襯砌受力，得出結(jié)果為：隧道圍巖的變形及應(yīng)力在有滲流場作用時更大，且襯砌的最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰處。因此建議在開挖隧道前應(yīng)對拱腰位置采取系統(tǒng)錨桿注漿的方式進(jìn)行加固。