摘要：為研究高地應(yīng)力軟巖隧道變形特性，文章依托某實(shí)際工程，運(yùn)用FLAC 3D軟件模擬圍巖力學(xué)參數(shù)不變化、圍巖僅受?chē)鷫簭?qiáng)化、圍巖僅受應(yīng)變軟化、圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用四種工況，并深入研究了隧道埋深和側(cè)壓力系數(shù)的影響，得到如下結(jié)論：（1）考慮隧道圍巖受到圍巖強(qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用更符合實(shí)際工程中高地應(yīng)力軟巖的力學(xué)規(guī)律，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果合理，可用于數(shù)值模擬；（2）增大隧道埋深會(huì)增大圍巖變形，但對(duì)塑性區(qū)形狀無(wú)影響；（3）側(cè)壓力系數(shù)對(duì)隧道變形有較大影響，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致隧道變形增大；不同的側(cè)壓力系數(shù)時(shí)，隧道塑性區(qū)形狀也不同。

關(guān)鍵詞：隧道；高地應(yīng)力；軟巖；FLAC 3D；應(yīng)變軟化

0引言

隨著我國(guó)西部地區(qū)的不斷開(kāi)發(fā)，隧道修建不可避免地要經(jīng)過(guò)地應(yīng)力較高的軟巖地區(qū)，其大變形災(zāi)害問(wèn)題是目前面臨的一大難題，諸多學(xué)者曾對(duì)此進(jìn)行研究。汪波等［1］認(rèn)為支護(hù)可以有效緩解高地應(yīng)力軟巖隧道的變形災(zāi)害，并通過(guò)資料調(diào)研總結(jié)常見(jiàn)支護(hù)模式，對(duì)其有效性進(jìn)行了深入分析。富志鵬等［2］探索適用于高地應(yīng)力條件下的軟巖隧道大變形控制技術(shù)，提出兩種支護(hù)方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析其加固效果。楊鑫等［3］依托中老鐵路某隧道，研究了在開(kāi)挖過(guò)程中隧道圍巖及初支結(jié)構(gòu)的變形破壞特性，并提出了相應(yīng)的控制措施。王哲等［4］通過(guò)資料調(diào)研，總結(jié)歸納了軟巖隧道大變形的機(jī)理，并基于彈塑性理論和回歸分析提出相應(yīng)的預(yù)測(cè)辦法。馬棟等［5］將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了高地應(yīng)力軟巖隧道的大變形規(guī)律，并對(duì)其二次襯砌的時(shí)機(jī)進(jìn)行了探討。

學(xué)者們多采用傳統(tǒng)彈塑性理論分析高地應(yīng)力軟巖隧道，但傳統(tǒng)方法忽略了此類(lèi)隧道特殊的力學(xué)特性和工程特性，所得結(jié)果與工程實(shí)際偏差過(guò)大。本文依托某實(shí)際工程隧道，根據(jù)資料調(diào)研對(duì)圍巖設(shè)置不同的力學(xué)參數(shù)，采用FLAC 3D軟件對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)不變化、圍巖僅受?chē)鷫簭?qiáng)化、圍巖僅受應(yīng)變軟化、圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用這4種工況進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了隧道埋深和側(cè)壓力系數(shù)對(duì)其圍巖變形的影響。

1 工程概況

依托工程為一單洞雙線隧道，其最大埋深高達(dá)952 m。該隧道圍巖多為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，其斷層部分主要為泥巖和碎裂巖，節(jié)理發(fā)育，涌水風(fēng)險(xiǎn)大；其他部分主要以千枚巖為主，具有大變形現(xiàn)象，工程地質(zhì)條件差，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

2 圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 工況設(shè)置

根據(jù)資料調(diào)研，千枚巖對(duì)圍壓變化較為敏感，當(dāng)圍壓較小時(shí)，為彈脆塑性模型，隨著圍壓的不斷增大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化模型。因此，在進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，需要注意千枚巖隧道圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，特別是應(yīng)力峰值之后的變化規(guī)律。根據(jù)應(yīng)變軟化模型，可將隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力場(chǎng)分為彈性區(qū)、塑性區(qū)和殘余區(qū)3個(gè)部分，將圍巖的參與強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度之比視為應(yīng)變軟化系數(shù)，將從塑性區(qū)變?yōu)闅堄鄥^(qū)時(shí)的塑性剪切應(yīng)變視為殘余應(yīng)變。此外，隧道圍巖處于三維應(yīng)力場(chǎng)，其徑向應(yīng)力又會(huì)對(duì)圍巖有強(qiáng)化作用。為更準(zhǔn)確地分析該工程隧道圍巖變形特征，現(xiàn)設(shè)置如下4種工況：圍巖力學(xué)參數(shù)不變化、圍巖僅受?chē)鷫簭?qiáng)化、圍巖僅受應(yīng)變軟化、圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用，其參數(shù)變化如下頁(yè)表1所示。其中，σ表示應(yīng)力，ε表示應(yīng)變。圍巖重度為2 400 kg·m-3。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)依托工程實(shí)際情況，在ANSYS軟件中取隧道的一半建立三維模型，其長(zhǎng)寬高分別為50 m、20 m和100 m。將模型導(dǎo)入FLAC 3D軟件中，設(shè)置前、后、左邊界為法向約束，設(shè)置上、下、右邊界為應(yīng)力約束，模擬三臺(tái)階法循環(huán)開(kāi)挖，其進(jìn)度為1 m。模型如圖1所示。

2.3 結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖結(jié)束后，4種工況下隧道徑向應(yīng)力隨著深度的變化情況如下頁(yè)圖2所示。由圖2可知，因4種工況均未設(shè)置隧道初支，故其初始應(yīng)力均為0，最終應(yīng)力與初始地應(yīng)力一致，約為20 MPa。但是由于設(shè)置了不同的圍巖參數(shù)變化規(guī)律，其徑向應(yīng)力的變化路徑也不相同。相較而言，在圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的工況下，徑向應(yīng)力增長(zhǎng)速度最快，擾動(dòng)范圍最??；當(dāng)圍巖僅受應(yīng)變軟化時(shí)，徑向應(yīng)力增長(zhǎng)速度最慢，擾動(dòng)范圍最大。圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用下的徑向應(yīng)力增長(zhǎng)速度稍強(qiáng)于圍巖僅受應(yīng)變軟化的工況，主要原因是圍巖受到三向壓縮作用，使其力學(xué)參數(shù)有一定的強(qiáng)化。

該數(shù)值仿真計(jì)算模型總體積為1×105 m3，四種工況下塑性區(qū)體積分別3.39×103 m3、4.16×103 m3、1.33×104 m3、1.21×104 m3，分別占總體積的3.39%、4.16%、13.3%、12.1%，且其分布形式均為圓形。

為分析隧道拱頂、拱肩、拱腰等特征點(diǎn)位移隨開(kāi)挖步數(shù)的變化情況，取隧道深度為10 m處的斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到相應(yīng)的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3（a）可知，4種工況下的拱頂沉降最大值分別為7.23 cm、3.59 cm、37.07 cm、12.24 cm。其中，當(dāng)圍巖僅受應(yīng)變軟化影響時(shí)，拱頂沉降值最大，是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的5.13倍；當(dāng)圍巖僅受?chē)鷫簭?qiáng)化影響時(shí)，拱頂沉降最小，是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的0.50倍；當(dāng)圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用時(shí)，其拱頂沉降是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的1.69倍。

由圖3（b）可知，4種工況下拱肩水平收斂最大值分別為4.80 cm、3.04 cm、18.34 cm、8.01 cm。其中，當(dāng)圍巖僅受應(yīng)變軟化影響時(shí)，拱肩水平收斂值最大，是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的3.82倍；當(dāng)圍巖僅受?chē)鷫簭?qiáng)化影響時(shí)，拱肩水平收斂最小，是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的0.63倍；當(dāng)圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用時(shí)，其拱肩水平收斂是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的1.67倍。

由圖3（c）可知，4種工況下拱腰水平收斂最大值分別為7.19 cm、4.21 cm、23.76 cm、10.39 cm。其中，當(dāng)圍巖僅受應(yīng)變軟化影響時(shí)，拱腰水平收斂值最大，是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的3.30倍；當(dāng)圍巖僅受?chē)鷫簭?qiáng)化影響時(shí)，拱肩水平收斂最小，是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的0.59倍；當(dāng)圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用時(shí)，其拱腰水平收斂是圍巖力學(xué)參數(shù)不變化的1.45倍。

通過(guò)上述仿真分析計(jì)算可知，工況4（圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用）考慮全面，符合該工程圍巖力學(xué)規(guī)律且計(jì)算結(jié)果合理，可將其用于高地應(yīng)力軟巖隧道開(kāi)挖施工的數(shù)值仿真計(jì)算。

3 影響因素分析

3.1 埋深對(duì)隧道圍巖的影響

設(shè)置模型圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用，采用實(shí)體單元模擬隧道初支，初支距掌子面1 m，為C25噴射混凝土，厚度為30 cm，泊松比為0.2，重度為2 200 kg瘙簚m-3?？紤]到隧道埋深的增加會(huì)改變模型的自重應(yīng)力和隧道圍巖的力學(xué)特性，故設(shè)置8種不同埋深的工況，取隧道深度為10 m處的斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則其拱頂沉降、拱肩水平收斂、拱腰水平收斂以及拱底隆起最終值如表2所示。由表2可知，隨著隧道埋深的增加，隧道各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值也不斷增大。

如圖4所示為8種不同埋深工況下隧道圍巖塑性區(qū)的體積變化情況，其形狀均為圓形，故可知隧道埋深不會(huì)改變塑性區(qū)形狀。在8種不同埋深工況下，塑性區(qū)體積分別占總體積的4.45%、8.68%、11.41%、13.05%、13.12%、13.027%、13.31%、13.45%。即當(dāng)隧道埋深＜1 000 m，塑性區(qū)體積隨著埋深有明顯增大；當(dāng)隧道埋深＞1 000 m，塑性區(qū)體積隨埋深變化較小。

同時(shí)，不同隧道埋深工況下掌子面的最大擠出變形量分別為17.77 cm、53.55 cm、92.83 cm、127.09 cm、126.5 cm、146.57 cm、162.62 cm、210.91 cm，其位置均位于上臺(tái)階中心處，相較于其他位置，臺(tái)階中心處的擠出變形更為明顯，且隨著隧道埋深的增大，隧道掌子面擠出變形有明顯增大。故當(dāng)隧道埋深增加時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取一定的措施支護(hù)掌子面。

3.2 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)隧道圍巖的影響

側(cè)壓力系數(shù)是指水平地應(yīng)力與豎向地應(yīng)力之比，一般為0.5～5.0［6］。上文所有工況均取側(cè)壓力系數(shù)為1進(jìn)行仿真計(jì)算。為進(jìn)一步研究側(cè)壓力系數(shù)對(duì)隧道圍巖的影響，選取隧道埋深為750 m，分別設(shè)置7種不同的壓力系數(shù)，取隧道深度為10 m處的斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則其拱頂沉降、拱肩水平收斂、拱腰水平收斂以及拱底隆起最終值如表3所示。由表3可知，一般而言，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，隧道各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值也不斷增大，但當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)過(guò)小時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移也會(huì)增大。

如后頁(yè)圖5所示為7種不同側(cè)壓力系數(shù)工況下隧道圍巖塑性區(qū)的體積變化情況。由圖5可知，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為0.5時(shí)，塑性區(qū)形狀為上下窄中間寬；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為0.75、1、1.25時(shí)，其形狀近似為圓形；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)繼續(xù)增大后，塑性區(qū)形狀為上下寬中間窄。7種不同側(cè)壓力系數(shù)工況下，塑性區(qū)體積分別占總體積的28.7%、10.18%、11.41%、11.24%、14.78%、23.3%、32.41%。即當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為0.75、1、1.25時(shí)，其塑性區(qū)體積較為接近；側(cè)壓力系數(shù)過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)造成塑性區(qū)體積增大。

不同側(cè)壓力系數(shù)工況下掌子面的最大擠出變形量分別為86.31 cm、73.95 cm、92.83 cm、112.12 cm、137.34 cm、168.5 cm、216.5 cm，其位置均位于上臺(tái)階中心處。相較于其他位置，臺(tái)階中心處的擠出變形更為明顯。隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，隧道掌子面擠出變形有明顯增大。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)過(guò)小時(shí)，其隧道掌子面擠出變形也有所增大。

4 結(jié)語(yǔ)

為研究高地應(yīng)力的軟巖隧道的變形特性，本文依托某實(shí)際工程隧道，根據(jù)資料調(diào)研對(duì)圍巖設(shè)置不同的力學(xué)參數(shù)，采用FLAC 3D軟件對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)不變化、圍巖僅受?chē)鷫簭?qiáng)化、圍巖僅受應(yīng)變軟化、圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用這4種工況進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了隧道埋深和側(cè)壓力系數(shù)對(duì)其圍巖變形的影響，得到如下結(jié)論：

（1）考慮隧道圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化和應(yīng)變軟化耦合作用，更全面地考慮了高地應(yīng)力軟巖隧道實(shí)際工程特性，符合圍巖力學(xué)規(guī)律且計(jì)算結(jié)果合理，故認(rèn)為可將其用于高地應(yīng)力軟巖隧道開(kāi)挖施工的數(shù)值仿真計(jì)算。

（2）在考慮圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化及應(yīng)變軟化耦合作用的情況下，隧道埋深越大，則其各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移越大，掌子面變形量越大；不同埋深情況下，隧道塑性區(qū)均為圓形；當(dāng)隧道埋深＜1 000 m，塑性區(qū)體積隨著埋深明顯增大；當(dāng)隧道埋深＞1 000 m，塑性區(qū)體積隨埋深變化較小。

（3）在考慮圍巖受?chē)鷫簭?qiáng)化及應(yīng)變軟化耦合作用的情況下，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)分別為0.75、1、1.25時(shí)，隧道變形特征較為相似；側(cè)壓力系數(shù)過(guò)小或過(guò)大，都會(huì)造成隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移、塑性區(qū)面積及掌子面變形量的增大；改變側(cè)壓力系數(shù)會(huì)改變塑性區(qū)形狀，當(dāng)系數(shù)過(guò)小時(shí)，為上下窄中間寬，當(dāng)系數(shù)過(guò)大時(shí)，為上下寬中間窄。

參考文獻(xiàn)：

［1］汪 波，喻 煒，訾 信，等.軟巖大變形隧道不同支護(hù)模式的合理性探討——以木寨嶺公路隧道為例［J］.隧道建設(shè)（中英文），2023，43（1）：36-47.

［2］富志鵬，李博融，徐 晨，等.高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，43（1）：133-142.

［3］楊 鑫，王建軍，周 波，等.中老鐵路沙嫩山隧道施工變形特征及控制技術(shù)［J］.人民長(zhǎng)江，2022，53（S2）：109-112.

［4］王 哲，劉 欽，劉 磊，等.軟巖隧道大變形研究現(xiàn)狀及控制對(duì)策［J］.鐵道建筑，2022，62（12）：138-142.

［5］馬 棟，晉劉杰，王武現(xiàn)，等.基于數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的高地應(yīng)力軟巖隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（4）：137-146.

［6］沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：周小喜（1975—），高級(jí)工程師，主要從事公路工程施工管理工作。