摘要：為研究富水砂層影響下隧道開挖失穩(wěn)破壞機理，文章依托某隧道實際工程，通過FLAC 3D軟件進行建模與計算，考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等因素影響，分析各因素對圍巖變形破壞的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隧道拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值明顯大于其他位置的地表沉降值，拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移隨著深度的增加而逐漸增大，隧道拱頂位置的沉降達到最大值；隨著富水砂層厚度的逐漸減小以及隔水層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減?。桓凰皩雍透羲畬拥暮穸葘λ淼绹鷰r變形存在較大影響，在隧道的選線過程中，應(yīng)保證隧道拱頂與富水砂層之間存在足夠的安全距離；隨著隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小。在隧道施工過程中，可考慮通過超前加固措施或者向隔水層進行注漿加固以提高隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角，降低隔水層的滲透性。

關(guān)鍵詞：富水砂層；隧道圍巖；數(shù)值計算；FLAC 3D

中圖分類號：U458.1A290954

0 引言

在交通強國戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的大背景下，大量的公路、鐵路線路均需要建設(shè)大量隧道。我國已成為現(xiàn)今世界上隧道數(shù)量最多、規(guī)模最大、工程條件最復(fù)雜、技術(shù)發(fā)展最迅速的國家［1］。由于我國的地形地貌千差萬別，山區(qū)面積較大，工程地質(zhì)情況極其復(fù)雜，在隧道建設(shè)過程中往往不可避免地需要穿越富水地層、軟弱地層、流砂層等不良地質(zhì)區(qū)域，給隧道施工和運營安全帶來很大挑戰(zhàn)。我國對于穿越富水地層的隧道圍巖穩(wěn)定性以及隧道滲流場的研究已有了較多成果。于晨昀等［2］為研究臨近富水破碎構(gòu)造帶的隧道開挖面的穩(wěn)定性問題，建立考慮滲流影響的開挖面巖體破裂角的極限平衡方程，進行牛頓法迭代求解，計算分析巖體破裂角的變化規(guī)律。劉平等［3］以某地鐵隧道實際工程為例，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進行計算，研究了地下水位、流砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。李清川等［4］以某上覆流沙層地鐵隧道實際工程為例，建立開挖面失穩(wěn)破壞力學(xué)模型并進行隧道穩(wěn)定性上限分析，利用強度折減法計算隧道開挖面安全系數(shù)，得到了不同開挖面的臨界土體破裂范圍及破壞模式。張向東等［5］以某隧道實際工程為例，針對滲流條件下的深埋富水隧道圍巖穩(wěn)定性問題，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進行流固耦合計算。方江華等［6］以地鐵富水砂層大斷面暗挖隧道工程為例，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進行計算，得到地層孔隙水壓力、沉降演化過程，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比驗證。馬少坤等［7］建立了有限含水層內(nèi)帶襯砌的隧道滲流模型，基于鏡像法將其轉(zhuǎn)化為無限平面內(nèi)直線多隧道滲流模型，推導(dǎo)出水頭及涌水量的解析公式。蘭慶男等［8］基于滲流場和應(yīng)力場的雙場耦合理論，從圍巖滲流場分布規(guī)律、襯砌結(jié)構(gòu)排水泄壓能力和力學(xué)性能等方面評價結(jié)構(gòu)的安全性、適用性，研究盲管間距對襯砌排水泄壓能力的影響。

由于富水砂層導(dǎo)致隧道圍巖變形破壞的影響因素較多，對該地質(zhì)條件下的圍巖穩(wěn)定性問題需要進行進一步研究。鑒于此，本文依托某隧道實際工程，通過FLAC 3D軟件進行建模與計算，考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等因素影響，分析各因素對圍巖變形破壞的影響規(guī)律，以期為實際隧道工程施工和后續(xù)的研究作出貢獻。

1 工程背景與數(shù)值建模

1.1 工程概況

本文以某隧道實際工程為例，對穿越富水砂層的隧道圍巖穩(wěn)定性及影響因素進行研究。隧道埋深為9～15 m，采用礦山法進行施工。地層巖性組成自上而下分別為：人工素填土、富水砂層、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化花崗巖。隧址區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡單，主要以水平運動和差異性升降為主，地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定。地下水位距離地表約4～6 m，隧道拱頂和地表之間存在0.5～3 m的富水砂層，在地下水滲流的作用下，隧道拱頂位置出現(xiàn)較大沉降，且在局部位置出現(xiàn)突水涌砂現(xiàn)象，給工程造成了較大的安全隱患。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文通過FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型，模型依據(jù)實際隧道斷面建立。其中，隧道洞徑r=6.4 m，隧道埋深h=15.0 m，富水砂層厚度t=2.0 m，隧道拱頂至富水砂層底部間的隔水層厚度d=4.0 m，地下水位hw=6.0 m。為減小由邊界效應(yīng)引起的計算誤差，圍巖采用3.5倍洞徑建立，建立數(shù)值模型如圖1所示。

邊界條件設(shè)置為：模型四周約束法向位移，模型底面約束水平和法向位移；初始地應(yīng)力場僅為重力場，豎直方向上按巖土自重考慮，在模型完成初始地應(yīng)力平衡后，執(zhí)行隧道開挖的命令，將模型四周邊界設(shè)為不透水邊界，底面為固定孔隙水壓力邊界，隧道開挖面設(shè)置為透水邊界，地下水采用各向同性滲流模型進行計算模擬。

1.3 本構(gòu)模型與計算參數(shù)

巖土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG3370.1-2018），選取的計算參數(shù)如表1所示。

2 圍巖變形破壞的影響因素研究

為研究不同因素對富水砂層影響下的隧道圍巖變形破壞的影響規(guī)律，本節(jié)重點考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角四類因素，設(shè)計不同的數(shù)值計算工況。

2.1 富水砂層厚度

為了研究富水砂層厚度對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取富水砂層厚度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m進行數(shù)值計算，得到不同富水砂層厚度下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移情況如圖2所示。

由圖2可知，地表沉降曲線呈現(xiàn)下凹型，拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值明顯大于其他位置的地表沉降值，拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移隨著深度的增加而逐漸增大，隧道拱頂位置的沉降達到最大值。隨著富水砂層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移也在不斷增大，當(dāng)富水砂層厚度從1 m增大到5 m時，隧道拱頂位置的沉降值由129.4 mm增大到230.3 mm，增幅達到了77.9%，拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值由66.9 mm增大到127.9 mm，增幅達到了91.2%，隧道底部位置的隆起量由51.3 mm增大到52.5 mm，增加了2.3%。由此可知，富水砂層的厚度對隧道圍巖變形存在較大影響，在隧道選線的過程中應(yīng)盡量避免穿越較厚的富水砂層。

2.2 隔水層厚度

為了研究隔水層厚度對隧道圍巖變形破壞的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取隔水層厚度為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m進行數(shù)值計算，得到不同隔水層厚度下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移情況如圖3所示。

由圖3可知，隨著隔水層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小，當(dāng)隔水層厚度從2 m增大到6 m時，隧道拱頂位置的沉降值由363.1 mm減小到103.5 mm，降幅達到了71.5%，拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值由134.8 mm減小到55.5 mm，降幅達到了58.8%，隧道底部位置的隆起量由49.1 mm減小到47.9 mm，減小了2.4%。由此可知，隔水層的厚度對隧道圍巖變形存在較大影響，增大隔水層厚度能在很大程度上減小隧道圍巖的變形，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，從而增大隧道施工和運營過程中的安全儲備。

2.3 隔水層粘聚力

為了研究隔水層粘聚力對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取隔水層粘聚力為100 kPa、120 kPa、140 kPa、160 kPa、180 kPa進行數(shù)值計算，得到不同隔水層粘聚力下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著隔水層粘聚力的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移也在不斷減小，同時可以發(fā)現(xiàn)，隔水層粘聚力從100 kPa增大到120 kPa時圍巖變形減小的幅度遠大于隔水層粘聚力從120 kPa增大到180 kPa時圍巖變形減小的幅度。當(dāng)隔水層粘聚力從100 kPa增大到180 kPa時，隧道拱頂位置的沉降值由437.7 mm減小到63.0 mm，降幅為85.6%，拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值由222.4 mm減小到33.7 mm，降幅達到了84.8%，隧道底部位置的隆起量由64.8 mm減小到40.2 mm，減小了40.0%。而當(dāng)隔水層粘聚力從100 kPa增大到120 kPa時，隧道拱頂位置的沉降值由437.7 mm減小到129.4 mm，降幅達到了70.4%，拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值由222.4 mm減小到72.9 mm，降幅達到了67.2%，隧道底部位置的隆起量由64.8 mm減小到55.1 mm，減小了15.0%。由此可知，隔水層粘聚力對隧道圍巖變形存在較大影響，隔水層粘聚力lt;120 kPa時隧道圍巖會產(chǎn)生較大變形，增大隔水層粘聚力能在很大程度上減小隧道圍巖的變形，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。

2.4 隔水層內(nèi)摩擦角

為了研究隔水層內(nèi)摩擦角對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取隔水層內(nèi)摩擦角為16°、18°、20°、22°、24°進行數(shù)值計算，得到不同隔水層內(nèi)摩擦角下的地表沉降、拱頂上方圍巖內(nèi)部位移和隧道開挖面圍巖表面位移如下頁圖5所示。

由圖5可知，隨著隔水層內(nèi)摩擦角的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小，當(dāng)隔水層內(nèi)摩擦角從16°增大到24°時，隧道拱頂位置的沉降值由162.2 mm減小到124.1 mm，減小了23.5%，拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值由89.8 mm減小到62.5 mm，減小了30.4%，隧道底部位置的隆起量由51.8 mm減小到50.2 mm，減小了3.1%。由此可知，隔水層內(nèi)摩擦角對隧道圍巖變形存在一定的影響，但影響程度小于富水砂層厚度、隔水層厚度和隔水層粘聚力。增大隔水層內(nèi)摩擦角能在一定程度上減小隧道圍巖的變形，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，通過向隔水層進行注漿這一措施不僅可以提高隔水層粘聚力，在很大程度上也可以提高隔水層內(nèi)摩擦角，因此可以優(yōu)先考慮對隧道隔水層進行注漿，以增大隧道施工和運營過程中的安全儲備。

3 工程措施建議

根據(jù)上文數(shù)值模擬得到的結(jié)果可知，對于在富水砂層影響下的隧道，拱頂位置的圍巖變形最大，在隧道開挖過程中應(yīng)進行重點支護并進行監(jiān)測。同時，富水砂層厚度、隔水層厚度和隔水層粘聚力對隧道圍巖變形的影響應(yīng)較為明顯。本文針對此類隧道工程的設(shè)計施工提出下列工程措施建議：

（1）在隧道的選線過程中，隧道應(yīng)盡量避免穿越厚度較大的富水砂層，減小隧道施工和運營階段發(fā)生突水涌砂事故的風(fēng)險。若無法避免穿越厚度較大的富水砂層，應(yīng)盡量增大隔水層厚度，保證隧道拱頂與富水砂層之間存在足夠的安全距離，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，隔水層厚度應(yīng)gt;4 m。

（2）隧道拱頂位置的圍巖變形最大，因此，除了在隧道開挖過程中采取必要的支護手段外，還應(yīng)對隧道拱頂位置采取額外的支護措施，防止隧道發(fā)生突水涌砂，甚至塌方事故，增大安全儲備。

（3）根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，隔水層粘聚力對圍巖變形影響最為顯著，當(dāng)粘聚力lt;120 kPa時隧道圍巖會產(chǎn)生較大變形，提高隔水層粘聚力可大大提高隧道的安全儲備。在隧道施工過程中，可考慮通過超前管棚等超前加固措施或者向隔水層進行注漿加固的措施提高隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角，降低隔水層的滲透性。

4 結(jié)語

本文依托某隧道實際工程，通過FLAC 3D軟件進行建模與計算，考慮富水砂層厚度、隔水層厚度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等因素影響，分析各因素對圍巖變形破壞的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）隧道上方地表沉降曲線呈現(xiàn)下凹型，拱頂對應(yīng)位置的地表沉降值明顯大于其他位置的地表沉降值，拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移隨著深度的增加而逐漸增大，隧道拱頂位置的沉降達到最大值。

（2）隨著富水砂層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移也在不斷增大；隨著隔水層厚度的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移不斷減小。富水砂層和隔水層的厚度對隧道圍巖變形存在較大影響，在隧道的選線過程中，隧道應(yīng)盡量避免穿越厚度較大的富水砂層，若無法避免穿越厚度較大的富水砂層，應(yīng)盡量增大隔水層厚度，保證隧道拱頂與富水砂層之間存在足夠的安全距離。

（3）隨著隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角的逐漸增大，地表沉降值和拱頂正上方的圍巖內(nèi)部位移在不斷減小，隔水層粘聚力對隧道圍巖變形存在較大影響，隔水層內(nèi)摩擦角對隧道圍巖變形存在一定的影響，但影響程度小于富水砂層厚度、隔水層厚度和隔水層粘聚力。提高隔水層粘聚力可大大提高隧道的安全儲備。在隧道施工過程中，可考慮通過超前管棚等超前加固措施或者向隔水層進行注漿加固的措施提高隔水層粘聚力和內(nèi)摩擦角，降低隔水層的滲透性。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-23

基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“FRP增強ECC橋面連接板優(yōu)化設(shè)計及力學(xué)性能研究”（編號：2022KY1400）；

2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于BIM的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估及信息管理研究”（編號：2022KY1405）；

2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于BIM的鐵路橋隧參數(shù)化建模及運維監(jiān)測信息可視化管理”（編號：2023KY1436）

作者簡介：左海平（1990—），碩士，講師，研究方向：工程施工技術(shù)。