張智博

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000）

引言

富水軟巖隧道施工是山嶺隧道施工過程中的重要難題，水的存在會(huì)導(dǎo)致軟巖承載力急劇下降，嚴(yán)重影響隧道施工安全［1-3］。國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一些研究，郭軍等［4］采用Midas/GTS 有限元軟件進(jìn)行模擬分析，得出隧道拱腳圍巖變形較大，相比于三臺(tái)階開挖法，采用中隔壁法控制圍巖變形更好；于海東［5］以某隧道施工為研究對象，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法重點(diǎn)分析了富水隧道開挖變形，結(jié)果表明，拱腳處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱頂處豎向變形最大，現(xiàn)場監(jiān)測值和數(shù)值模擬值較為接近，驗(yàn)證了所提富水軟弱圍巖隧道施工技術(shù)的可靠性；張智健等［6］以某隧道工程為研究對象，采用數(shù)值模擬分析了含斷層帶隧道開挖穩(wěn)定性，研究表明，距離斷層越遠(yuǎn)，圍巖穩(wěn)定性越好，斷層夾角越大，圍巖突變越嚴(yán)重，且斷層破裂帶對富水軟弱圍巖隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和控制。

1 工程概況

某山區(qū)富水地區(qū)擬建隧道全長326.4 m，山體上部叢林茂盛，山坡自然坡度約30°～38°，圍巖為IV 級和V 級，穩(wěn)定性較差，且?guī)r體中富含水源，隧道埋深介于130～160 m 之間。隧道最大寬度和高度分別為10.8 m 和8.6 m，隧道所處位置附近以黃土層、礫石層和中風(fēng)化灰?guī)r層為主。擬采用預(yù)留核心土上下臺(tái)階開挖方法，隧道斷面施工工序見圖1。先進(jìn)行上臺(tái)階開挖和支護(hù)，然后進(jìn)行核心土開挖，最后進(jìn)行下臺(tái)階開挖，每個(gè)開挖進(jìn)尺為2.5 m，其中上臺(tái)階比核心土和下臺(tái)階各一個(gè)和兩個(gè)循環(huán)，右線超左線25 m。

圖1 隧道斷面施工工序

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件Midas/GTS 建模得到的隧道數(shù)值模型見圖2。隧道斷面的最大寬和高分別為10.8 m 和8.6 m，模型長、寬分別取120 m 和60 m，高度80 m，除模型上部邊界為自由面（為自由透水邊界），其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束。隧道圍巖采用實(shí)體單元建立、襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，均采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。隧道支護(hù)形式為初支和二次支護(hù)，即鋼拱架+噴射混凝土+錨桿支護(hù)，初支噴漿厚度為25 cm，錨桿直徑為30 mm，長度為3.5 m。由于隧道頂部位于地下水位15 m 以下，在模型上部施加15 m的靜水壓力（即0.15 MPa），即在模型頂面施加面荷載?？紤]流固耦合作用與不考慮流固耦合作用兩種工況隧道圍巖變形與支護(hù)受力進(jìn)行對比分析，施工采用預(yù)留核心土上下臺(tái)階開挖方法施工方式，每次開挖進(jìn)尺2.5 m，先進(jìn)行上臺(tái)階開挖，然后進(jìn)行核心土開挖，后進(jìn)行下臺(tái)階開挖。

圖2 數(shù)值模型

2.2 參數(shù)賦值

表1 為土層的物理力學(xué)參數(shù)，表2 為噴射混凝土和錨桿力學(xué)參數(shù)。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

表2 噴射混凝土和錨桿力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 開挖完成后位移分析

隧道開挖后，由于圍巖被擾動(dòng)，會(huì)重新進(jìn)行應(yīng)力分布，導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形，尤其是高壓富水軟巖隧道。在隧道的變形分析過程中，是否考慮流固耦合作用，對結(jié)果的影響非常重要。為了對比考慮流固耦合作用前后隧道變形的差異，圖3 和圖4 給出了隧道開挖完成后水平和豎向位移云圖。由圖3 可知，隧道開挖完成后，考慮流固耦合作用前后，圍巖最大水平位移分別為15.8 mm 和20.5 mm，二者最大水平位移均發(fā)生在拱腰附近?？紤]流固耦合作用后的最大水平位移比不考慮時(shí)增大了29.7%。由圖4 可知，考慮流固耦合作用前后，圍巖最大豎向位移分別為27.6 mm 和47.2 mm，二者最大豎向位移均發(fā)生在拱頂附近?？紤]流固耦合作用后的最大豎向位移比不考慮時(shí)增大了71.1%。

圖3 開挖完成后水平位移云圖

圖4 開挖完成后豎向位移云圖

從整體云圖來看，考慮流固耦合作用后圍巖變形整體增大許多。實(shí)際上，高壓富水隧道開挖后會(huì)形成水力臨空面，與此同時(shí)產(chǎn)生較大的水力坡度，有效應(yīng)力增大，考慮流固耦合作用所得到的與實(shí)際更為接近。

3.2 初期支護(hù)后圍巖應(yīng)力分析

初期支護(hù)的支護(hù)作用發(fā)揮直接關(guān)系到隧道的安全性與穩(wěn)定性，表3、表4 分別給出了考慮流固耦合作用前后的隧道關(guān)鍵點(diǎn)最大和最小主應(yīng)力值。

表3 各監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力值（不考慮滲流作用）

表4 各監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力值（考慮滲流作用）

由表3、表4 可知，對于最大主應(yīng)力，考慮流固耦合作用前后的值分別為0.48 MPa 和1.27 MPa，均發(fā)生在拱底附近，說明考慮流固耦合作用后，圍巖拉應(yīng)力增大了1.6 倍。對于最小主應(yīng)力，考慮流固耦合作用前后的值分別為12.66 MPa 和18.48 MPa，均發(fā)生在拱頂附近，說明考慮流固耦合作用后，圍巖壓應(yīng)力增大了46.1%。

綜合來看，考慮流固耦合作用后，圍巖的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均明顯增大，因此，對于富水軟巖隧道，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)要重點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)加固，防止隧道發(fā)生失穩(wěn)。

3.3 隧道圍巖塑性區(qū)云圖分析

考慮流固耦合作用前后開挖完成后隧道圍巖塑性區(qū)云圖見圖5。

圖5 開挖完成后隧道圍巖塑性區(qū)云圖

由圖5 可知，考慮流固耦合作用后，圍巖的塑性區(qū)明顯較不考慮時(shí)增大，因?yàn)樗淼篱_挖過程中，部分圍巖因出現(xiàn)應(yīng)力集中被壓縮，由于水的存在，會(huì)形成超靜孔隙水壓力，此時(shí)圍巖更容易發(fā)生屈服，即塑性區(qū)明顯擴(kuò)大，與實(shí)際監(jiān)測的規(guī)律相符合。

4 結(jié)語

（1）考慮流固耦合作用后的最大水平位移和最大豎向位移比不考慮時(shí)分別增大了29.7%和71.1%；圍巖最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別增大了1.6 倍和46.1%。（2）考慮流固耦合作用后，圍巖的塑性區(qū)明顯增大，更容易發(fā)生屈服。（3）高壓富水隧道開挖后會(huì)形成水力臨空面，與此同時(shí)產(chǎn)生較大的水力坡度，有效應(yīng)力增大，考慮流固耦合作用所得到的與實(shí)際更為接近。對于富水軟巖隧道，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)要重點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)加固，防止隧道發(fā)生失穩(wěn)。