摘要：為探究軟弱夾層數(shù)量對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，文章依托某多軟弱夾層公路隧道實(shí)際工程，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件建立多軟弱夾層隧道計(jì)算模型，通過(guò)典型斷面數(shù)值反演，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模型和研究方法的可靠性，得到如下結(jié)論：（1）對(duì)比分析數(shù)值仿真結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，典型斷面圍巖變形模擬值和監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，模擬值略小，差值在容許范圍內(nèi)，即數(shù)值模型可行；（2）對(duì)比4種工況模擬結(jié)果可知，軟弱夾層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定有較大影響，圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)范圍隨軟弱夾層數(shù)量的增加而增大，且在軟弱夾層附近出現(xiàn)集中，顯著增加了隧道破壞風(fēng)險(xiǎn)；（3）圍巖位移受軟弱夾層影響最大，故應(yīng)當(dāng)將其作為穿越多軟弱夾層的公路隧道圍巖穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：多軟弱夾層；數(shù)值反演；隧道圍巖穩(wěn)定；FLAC 3D

0引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，公路交通發(fā)展迅速，我國(guó)隧道事業(yè)建設(shè)水平也不斷提高。我國(guó)地形、地質(zhì)情況復(fù)雜多樣，由于地形條件的限制，公路隧道建設(shè)不可避免地需要穿越地質(zhì)條件復(fù)雜的地帶。軟弱夾層作為常見(jiàn)的不良地質(zhì)，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定有極大的影響。大量工程實(shí)踐表明：隧道失穩(wěn)和坍塌大多發(fā)生在軟弱夾層附近，而穿越多軟弱夾層的隧道，其圍巖失穩(wěn)破壞情況更加嚴(yán)重。因此，進(jìn)行多軟弱夾層條件下的隧道圍巖穩(wěn)定性研究十分必要。

何知思［1］采用Midas GTS軟件建立軟弱圍巖隧道模型，分析夾層厚度、傾角、位置等指標(biāo)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，根據(jù)影響程度對(duì)軟弱夾層圍巖進(jìn)行分級(jí)，并依托某高鐵隧道工程實(shí)例驗(yàn)證該分級(jí)方法的可靠性。石少帥等［2］依托宜巴高速公路隧道工程實(shí)例，針對(duì)該區(qū)軟弱夾層不良地質(zhì)，采用FLAC 3D軟件模擬不同傾角及位置的軟弱夾層對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，得出圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律。萬(wàn)桂軍等［3］以貴州某高速公路隧道為研究對(duì)象，采用FLAC 3D軟件建立淺埋小凈距軟弱夾層段隧道三維計(jì)算模型，研究含軟弱夾層段隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形、受力響應(yīng)規(guī)律。郭富利等［4］結(jié)合工程實(shí)際，考慮軟弱夾層與隧道掌子面圍巖的各種組合方式，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)建立軟弱夾層隧道圍巖的力學(xué)模型，揭示軟弱夾層圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理。文海家等［5］基于某山嶺隧道工程實(shí)例，運(yùn)用FLAC 3D軟件模擬穿越兩條軟弱夾層隧道的開(kāi)挖過(guò)程，深入研究隧道開(kāi)挖的破壞模式，對(duì)比分析含單條和兩條軟弱夾層隧道圍巖破壞模式的差異性。

為探究軟弱夾層數(shù)量對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定的影響，本文依托某多軟弱夾層公路隧道實(shí)際工程，運(yùn)用FLAC 3D軟件建立多軟弱夾層隧道計(jì)算模型，通過(guò)典型斷面數(shù)值反演，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模型和研究方法的可靠性；考慮夾層數(shù)量對(duì)圍巖的影響，模擬4種工況隧道的圍巖變形、應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)展情況，進(jìn)行隧道圍巖穩(wěn)定性分析。

1 依托工程概述

依托工程為在建公路中長(zhǎng)隧道工程，隧道總長(zhǎng)為1 175 m，埋深約為150 m。隧道所在區(qū)域?yàn)闃?gòu)造剝蝕中低山丘陵地貌，地勢(shì)起伏較大，上覆碎石土和粉質(zhì)黏土，下伏砂巖、泥巖及頁(yè)巖。地表水主要為降雨所致地表徑流；地下水不發(fā)育，主要為基巖裂隙潛水。隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，主要由中風(fēng)化砂巖和少部分夾泥巖、強(qiáng)風(fēng)化軟巖等軟巖組成。隧道附近有多條軟弱夾層，圍巖較軟，完整性和自穩(wěn)性較差。隧道開(kāi)挖過(guò)程采用噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。

2 模型建立及工況設(shè)置

選取該隧道段某穿越多軟弱夾層的典型斷面進(jìn)行數(shù)值仿真分析。該斷面主要以灰色中風(fēng)化砂巖為主，斷面圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，局部松散破碎，泥巖填充裂隙從而形成軟弱夾層。掌子面位置共計(jì)兩條軟弱夾層穿過(guò)隧道，圍巖整體性和自穩(wěn)能力較差。

運(yùn)用FLAC 3D軟件建立隧道三維計(jì)算模型，如下頁(yè)圖1所示（僅展示典型斷面模型）?？紤]隧道的空間效應(yīng)，計(jì)算模型整體寬100 m、高100 m、縱向深28 m。隧道洞口寬11.21 m、高8.69 m，位于計(jì)算模型中心位置。隧道采用臺(tái)階法開(kāi)挖，模型以每天掘進(jìn)2 m作為一個(gè)施工步模擬開(kāi)挖過(guò)程，監(jiān)測(cè)開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)斷面（隧道開(kāi)挖方向中心位置）圍巖變形、應(yīng)力情況。計(jì)算模型選用Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)軟弱夾層，軟弱夾層及圍巖均選用實(shí)體單元，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，軟弱接觸面選用接觸面單元，具體物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置如表1所示。隧道開(kāi)挖考慮初支噴射混凝土，彈性模量20.5 GPa，泊松比0.2，等效厚度為25 cm。

先將典型斷面數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。該斷面共設(shè)置兩條軟弱夾層：第一條軟弱夾層（厚度為2.5 m）以30°角穿過(guò)隧道中心；第二條軟弱夾層（厚度為20 m）位于隧道右下方，角度為33°。

考慮到隧道沿線軟弱夾層分布情況存在差異，隧道周?chē)赡艹霈F(xiàn)存在多條軟弱夾層的情況，故而建立不同夾層數(shù)量（0～3條）的隧道模型，進(jìn)行4種工況隧道圍巖穩(wěn)定性分析，指導(dǎo)多軟弱夾層隧道設(shè)計(jì)。工況1：無(wú)軟弱夾層；工況2：1條穿越隧道中心的軟弱夾層；工況3：在工況2的基礎(chǔ)上增加一條位于洞口上方的軟弱夾層（距隧道洞口1 m）；工況4：在工況3的基礎(chǔ)上增加一條位于洞口下方的軟弱夾層（距隧道洞口1 m）。軟弱夾層相互平行，夾層厚度為1 m、傾角為45°。軟弱夾層設(shè)置如圖2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 典型斷面對(duì)比分析

拱頂沉降和洞周收斂分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，拱頂沉降大于洞周收斂，符合工程實(shí)際。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，拱頂沉降及洞周收斂的監(jiān)測(cè)值和模擬值變化趨勢(shì)均保持一致，變化曲線近似拋物線，變化過(guò)程可分為3個(gè)階段：（1）急速增長(zhǎng)階段（0～8 d），位移變化量占總變化量的60%～70%；（2）緩慢增加階段（9～19 d），位移變化量占總變化量的25%～30%；（3）穩(wěn)定不變階段（20～28 d），位移變化量占總變化量的0～5%。拱頂沉降和洞周收斂主要集中在前期監(jiān)測(cè)掌子面開(kāi)挖以前，開(kāi)挖以后對(duì)監(jiān)測(cè)掌子面的擾動(dòng)變小，對(duì)應(yīng)的圍巖位移發(fā)展變小。由于數(shù)值模擬方法與實(shí)際施工存在差異（數(shù)值模擬支護(hù)措施立即生效，而實(shí)際施工支護(hù)措施生效時(shí)間滯后，圍巖已發(fā)生一定程度的變形），造成整體上模擬值小于實(shí)測(cè)值，但總體差值較小，且變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明模擬結(jié)果的可靠性及數(shù)值方法模擬多軟弱夾層隧道的可行性。

3.2 四種工況隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

3.2.1 圍巖位移

不同工況下的隧道豎向位移最大值曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著軟弱夾層數(shù)量的增加，最大正向位移線性增大；最大負(fù)向位移先緩慢增大，然后急劇增大，最后保持平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，軟弱夾層數(shù)量及位置分布對(duì)豎向位移影響很大，且拱頂沉降（負(fù)向位移）對(duì)軟弱夾層的數(shù)量和位置變化更加敏感，第二條軟弱夾層靠近隧道頂部，導(dǎo)致頂部沉降顯著增大；第三條軟弱夾層離隧道頂部較遠(yuǎn)，對(duì)頂部沉降影響相對(duì)較小。工況1掌子面無(wú)軟弱夾層存在，開(kāi)挖完成后圍巖豎向位移以隧道中心呈左右對(duì)稱分布，隧道拱底位置發(fā)生最大正向豎向位移，拱頂位置發(fā)生最大負(fù)向位移。分析原因，隧道開(kāi)挖破壞圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，引起隧底隆起和拱頂沉降。工況2由于隧道中心軟弱夾層的加入，破壞了原始的對(duì)稱分布狀態(tài)，最大正向位移由拱底中心轉(zhuǎn)移到拱底左側(cè)與軟弱夾層交匯的地方。工況3拱頂左側(cè)（靠近上方夾層處）出現(xiàn)最大負(fù)向位移，正向位移和負(fù)向位移相比于工況1、工況2顯著增大，即拱頂沉降急劇增加，因此上方軟弱夾層的存在顯著增大了圍巖變形，加劇了隧道失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。同樣，由于下方軟弱夾層的存在，工況4最大正向位移轉(zhuǎn)移到拱底右側(cè)，上方負(fù)向位移與工況3相比變化較小。

不同工況下的隧道水平位移最大值曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著軟弱夾層數(shù)量的增加，正向位移變化更加明顯，其先保持不變，然后急劇增大，最后保持平穩(wěn)；負(fù)向位移逐漸增大，在下方夾層加入后增大明顯。開(kāi)挖完成后，工況1圍巖水平位移以隧道中心呈左右對(duì)稱分布，最大正向水平位移和最大負(fù)向水平位移位于左右拱腰位置，拱腰圍巖向臨空面發(fā)生位移。由于軟弱夾層的加入，工況2的水平位移不再呈左右對(duì)稱分布，最大水平正向位移位置和大小沒(méi)有發(fā)生變化，最大負(fù)向水平位移增大，并轉(zhuǎn)移至隧道右側(cè)拱腰軟弱夾層交匯位置。工況3隧道左側(cè)拱腰距軟弱夾層最近位置發(fā)生最大正向水平位移，正向位移顯著增大，說(shuō)明上方軟弱夾層對(duì)隧道左拱腰的水平位移影響較大，應(yīng)加強(qiáng)該位置的支護(hù)與檢測(cè)；負(fù)向位移也增大，最大負(fù)向水平位移發(fā)生在隧道右側(cè)拱腰軟弱夾層交匯位置。由于下方軟弱夾層的加入，工況4的最大水平正向位移和最大負(fù)向水平位移均發(fā)生在隧道拱腰與軟弱夾層的交匯位置，與工況3相比，最大正向水平位移變化較小，最大負(fù)向水平位移顯著增大。綜上，最大水平位移集中在軟弱夾層與隧道拱腰的交匯位置，夾層數(shù)量的增加會(huì)引起隧道位移的增加和位移最大位置的重分布，上下軟弱夾層（工況3、工況4）的加入會(huì)引起附近位置圍巖水平位移的劇烈增加，加劇隧道失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 圍巖應(yīng)力

不同工況下的隧道最大主應(yīng)力最大值曲線如圖6所示，各工況下圍巖的最大主應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。由圖6可知，隨著夾層數(shù)量的增加，最大主應(yīng)力總體呈增大趨勢(shì)，在工況3處顯著增大。最大主應(yīng)力分布隨夾層數(shù)量和位置的變化而發(fā)生改變，工況1圍巖最大主應(yīng)力呈左右對(duì)稱分布，最大值位于左右拱腰處。工況2因中部軟弱夾層的加入，最大主應(yīng)力不再呈對(duì)稱分布，隧道開(kāi)挖卸載后上部圍巖擠壓拱腳，引起該處的應(yīng)力集中，左側(cè)最大主應(yīng)力最大值由拱腰位置發(fā)展到拱腳位置。工況3的圍巖兩側(cè)不再均有應(yīng)力較大區(qū)域，最大主應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在圍巖右側(cè)，右側(cè)拱腳處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。工況4左右兩側(cè)最大主應(yīng)力沿夾層發(fā)展，主要分布在軟弱夾層外側(cè)，且在拱腳處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

不同工況下的隧道最小主應(yīng)力最大值曲線如下頁(yè)圖7所示，各工況下圍巖的最小主應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，少部分區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力顯著大于最大拉應(yīng)力。由圖7可知，隨著夾層數(shù)量的增加，最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力總體上均呈不斷增大的趨勢(shì)，且在工況3處增加更加明顯。同樣，不同工況下的最小主應(yīng)力呈現(xiàn)不同的分布，工況1圍巖最小主應(yīng)力呈左右對(duì)稱分布，整體上受壓，在拱頂和拱底位置出現(xiàn)少量拉應(yīng)力。相較工況1，工況2壓應(yīng)力基本保持不變，拉應(yīng)力明顯增加，受拉區(qū)主要分布在拱底及右側(cè)軟弱夾層處，并少量延伸到右拱腰附近。工況3受拉區(qū)域有所減少，主要分布在拱頂和拱底位置，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力較工況1、2顯著增大。相較工況3，工況4的拉壓應(yīng)力值和拉壓區(qū)分布變化不大。

3.2.3 圍巖塑性區(qū)

各工況圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況如圖8所示，其中，淺灰色表示該區(qū)域沒(méi)有塑性發(fā)展；深灰色表示該區(qū)域圍巖發(fā)生破壞（開(kāi)挖期間），應(yīng)力值降至屈服面以下。隨著夾層數(shù)量的增加，圍巖塑性區(qū)分布不斷變化，剪切破壞加劇。

工況1的隧道圍巖僅拱底位置沒(méi)有發(fā)生塑性變形，左右拱腳附近區(qū)域和右拱腰小部分區(qū)域均發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)整體上呈對(duì)稱式分布。受軟弱夾層影響，工況2的隧道圍巖四周塑性區(qū)范圍整體增大，左拱腰塑性區(qū)面積增大，右拱腰塑性區(qū)沿第一條軟弱夾層向上發(fā)展，左右拱腳位置均發(fā)生剪切破壞，且左側(cè)受軟弱夾層影響破壞面積更大。工況3在兩條軟弱夾層的共同影響下，整體上塑性區(qū)面積明顯增加，拱頂左右兩側(cè)出現(xiàn)較大的塑性區(qū)域，受剪破壞區(qū)主要集中在左側(cè)拱腳和拱腰位置，并沿第二條軟弱夾層向下發(fā)展。工況4整體塑性區(qū)范圍繼續(xù)擴(kuò)展，夾層位置塑性區(qū)范圍明顯增大，塑性破壞區(qū)主要集中在右側(cè)拱腳位置，并沿隧道下側(cè)軟弱夾層向上發(fā)展，中部夾層與隧道輪廓交界位置也發(fā)生少量剪切破壞。綜上，軟弱夾層對(duì)隧道塑性發(fā)展具有較大影響：隨著軟弱夾層數(shù)量的增加，塑性區(qū)面積不斷增加，當(dāng)存在3條軟弱夾層時(shí)，隧道周?chē)蛫A層附近均為塑性區(qū)，并沿夾層不斷發(fā)展。

3.3 判定指標(biāo)對(duì)比分析

為探究軟弱夾層數(shù)量對(duì)圍巖位移和應(yīng)力的影響程度，以工況1（無(wú)軟弱夾層）的位移、應(yīng)力值作為基準(zhǔn)，將其位移、應(yīng)力值定為無(wú)量綱常數(shù)1，其他各工況位移、應(yīng)力值對(duì)應(yīng)按比例進(jìn)行調(diào)整（各工況值/工況1值），處理完成后的位移、應(yīng)力無(wú)量綱值則代表軟弱夾層數(shù)量對(duì)位移、應(yīng)力的影響程度大小，繪制各工況軟弱夾層數(shù)量的變形、應(yīng)力影響程度曲線如圖9所示。由圖9可以看出，軟弱夾層對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度由大到小依次為：水平位移、豎向位移、大小主應(yīng)力。其中，軟弱夾層數(shù)量對(duì)水平位移的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎向位移和大小主應(yīng)力。最大、最小主應(yīng)力保持一致變化的趨勢(shì)，而正、負(fù)向位移變化趨勢(shì)則不同，表明軟弱夾層數(shù)量對(duì)大小應(yīng)力的影響程度保持一致，對(duì)正負(fù)位移的影響程度有一定差異。因此，通過(guò)分析不同工況軟弱夾層數(shù)量的變形、應(yīng)力影響程度曲線可知，圍巖位移受軟弱夾層數(shù)量的影響最大，可作為隧道穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

為探究軟弱夾層數(shù)量對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定的影響，本文依托某多軟弱夾層公路隧道實(shí)際工程，運(yùn)用FLAC 3D有限差分軟件建立多軟弱夾層隧道三維計(jì)算模型，并結(jié)合典型斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)值反演，驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性；模擬考慮夾層數(shù)量的4種工況，探究夾層數(shù)量對(duì)隧道圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)發(fā)展的影響，得到結(jié)論如下：

（1）由對(duì)比分析結(jié)果可知，因數(shù)值模擬與實(shí)際施工的差異，典型斷面模擬值略小于實(shí)測(cè)值，差值在可容許范圍內(nèi)；拱頂沉降和洞周收斂模擬值和監(jiān)測(cè)值表現(xiàn)為一致的變化趨勢(shì)，先急速增長(zhǎng)，再緩慢增加，最后穩(wěn)定不變。同時(shí)，驗(yàn)證了數(shù)值方法模擬多軟弱夾層隧道的可行性。

（2）由4種工況的模擬結(jié)果可知，軟弱夾層的存在對(duì)隧道圍巖變形、應(yīng)力及塑性區(qū)分布有較大影響。而隨著軟弱夾層數(shù)量的增加，圍巖整體變形、應(yīng)力、塑性區(qū)范圍均表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，且在隧道周?chē)蛫A層附近出現(xiàn)集中現(xiàn)象，加劇了隧道失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）分析不同軟弱夾層數(shù)量時(shí)隧道圍巖的位移和應(yīng)力變化情況可知，隧道圍巖位移受軟弱夾層數(shù)量的影響最大，可將其作為隧道圍巖穩(wěn)定性的判斷指標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：龐杰忠（1981—），工程師，主要從事公路橋隧施工工作。