摘要：文章以水口—崇左—愛(ài)店公路（崇左至愛(ài)店口岸段）觀音山隧道工程為依托，應(yīng)用FLAC 3D有限差分軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析0.5 m、1.0 m、1.5 m三種不同開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性、中夾巖柱應(yīng)力分布特征和孔隙水壓力變化的影響。結(jié)果表明：開(kāi)挖進(jìn)尺越小，圍巖穩(wěn)定性越好，中巖柱處應(yīng)力分布越均勻，圍巖孔隙水壓力變化程度越??；隧道在穿越富水破碎帶時(shí)，應(yīng)選用小進(jìn)尺開(kāi)挖。研究成果可為類(lèi)似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：富水破碎帶圍巖；小凈距隧道；數(shù)值模擬；開(kāi)挖進(jìn)尺；圍巖穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.2" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.055

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0187-05

0引言

隨著我國(guó)交通基建的快速發(fā)展，隧道建設(shè)不可避免地需要穿越一些存在軟弱破碎帶的地區(qū)。由于軟弱破碎帶常存在于復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)等環(huán)境中，因此在隧道施工過(guò)程中，極易引起隧道面巖土體坍塌、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害［1-3］，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和人身財(cái)產(chǎn)安全。

目前許多學(xué)者關(guān)于隧道在富水破碎圍巖地層的施工存在較多研究。李廷春等［4］以福建漳州梁山隧道富水破碎帶為工程背景，對(duì)隧道斷層破碎帶的突水塌陷機(jī)理進(jìn)行了研究；彭潛等［5］憑借ABAQUS軟件，分析隧道在軟弱圍巖段施工中開(kāi)挖進(jìn)尺和開(kāi)挖方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響；潘東東等［6］應(yīng)用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，分析了溶洞在不同水壓下對(duì)圍巖的位移、應(yīng)力及孔壓的影響規(guī)律；李卓霖等［7］依托龍洲灣隧道工程實(shí)例，采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合分析，得到最優(yōu)的富水破碎圍巖段施工工法和參數(shù)；楊青瑩［8］采用數(shù)值模擬的方法依托永蓮隧道工程，研究在不同斷層傾角、厚度以及水頭壓力條件下隧道圍巖的變形規(guī)律；傅鶴林等［9］利用推導(dǎo)理論計(jì)算公式和數(shù)值模擬驗(yàn)證，分析了各參數(shù)對(duì)深埋富水隧道襯砌壓力與變形的影響；韓瑀萱等［10］依托綿九高速公路五里坡隧道工程背景，采用數(shù)值模擬分析隧道在不同傾角、厚度和傾向斷層時(shí)圍巖的變形規(guī)律。

綜合上述學(xué)者的研究，本文依托水口—崇左—愛(ài)店公路（崇左至愛(ài)店口岸段）觀音山隧道為工程背景。利用FLAC 3D軟件，分析小凈距隧道在穿越富水破碎帶時(shí)開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，確定最優(yōu)開(kāi)挖方案，以期為類(lèi)似工程提供參考。

1工程概況

觀音山隧道位于崇左市寧明縣東南方向約15 km，采用分離式+小凈距隧道方案，隧道斷面設(shè)計(jì)采用單心圓曲墻式斷面形式，寬度為13.76 m，高度為10.98 m，兩洞平均長(zhǎng)4 805 m，屬特長(zhǎng)隧道。地層覆蓋層為第四系殘坡積（Q4dl+el）之黏土，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)新?。↘1x）之砂巖泥巖和侏羅系上統(tǒng)（J3）碎屑巖。隧址區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和基巖中裂隙水，水位標(biāo)高為202.16～470.71 m，埋深12.40～80.00 m。圍巖級(jí)別以Ⅲ、Ⅳ級(jí)為主，隧道Ⅳ級(jí)圍巖過(guò)渡段，巖體較破碎，且通常該區(qū)域地下水較豐富，易發(fā)生突水突泥災(zāi)害，軟弱破碎帶支護(hù)結(jié)構(gòu)松散荷載較大，易引發(fā)隧道坍塌事故。

2數(shù)值模擬模型分析

2.1模型的建立

為研究在穿過(guò)富水破碎帶地層時(shí)，隧道開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。依托實(shí)際工程情況，選取里程K34+436～K34+466為研究對(duì)象，此段為洞身段，巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性較差且地下水發(fā)育，開(kāi)挖時(shí)易發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。為消除邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值模型的范圍取為隧道洞徑的3～5倍，則計(jì)算模型尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為145 m×30 m×167 m（175 m），模型底部固定，左右邊界約束水平位移，上部邊界為自由邊界。采用FLAC 3D軟件建模，模型共包含172 212單元和172 311節(jié)點(diǎn)如下頁(yè)圖1所示。

圍巖采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型，采用shell單元進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬中僅考慮初期支護(hù)的作用并不考慮其防水功能，對(duì)破碎段圍巖進(jìn)行弱化處理。根據(jù)工程地質(zhì)資料和相關(guān)規(guī)范，隧道周邊圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2.2施工工況設(shè)計(jì)

在隧道施工中，合理的開(kāi)挖進(jìn)尺是保障其安全與進(jìn)度的關(guān)鍵。如果開(kāi)挖進(jìn)尺選擇不合理，將會(huì)對(duì)施工進(jìn)程產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致隧道坍塌而造成巨大的損失，而在富水軟弱破碎帶施工時(shí)，選擇合理的開(kāi)挖進(jìn)尺就更為重要。依據(jù)工程實(shí)例，左洞為先行洞，采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工；右洞為后行洞，采用CD法施工。為進(jìn)一步研究隧道在穿過(guò)富水軟弱破碎帶時(shí)，開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性影響，設(shè)計(jì)分析了三種開(kāi)挖工況（Ⅰ～Ⅲ），開(kāi)挖工況Ⅰ～Ⅲ分別取0.5 m、1.0 m、1.5 m 開(kāi)挖進(jìn)尺，并取L=15 m處斷面為研究對(duì)象，隧道測(cè)點(diǎn)布置方式如圖2所示。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1圍巖的位移分析

隨著隧道施工完成，取不同開(kāi)挖進(jìn)尺條件下圍巖豎向位移云圖與水平位移云圖進(jìn)行對(duì)比分析，以開(kāi)挖進(jìn)尺為0.5 m時(shí)圍巖的豎向位移云圖與水平位移云圖為例，如圖3所示?？梢钥闯霾煌_(kāi)挖進(jìn)尺條件下圍巖位移規(guī)律大致相同，僅在數(shù)值上略有差異。同時(shí)繪制出不同開(kāi)挖工況下（開(kāi)挖進(jìn)尺=0.5 m、1.0 m、1.5 m）隧道圍巖豎向及水平位移曲線圖，如圖4、圖5所示。

由圖3、圖4可知，左右洞拱頂及拱底處豎向位移值隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加而逐漸增大，并且拱頂、拱底最大變形均出現(xiàn)在隧洞開(kāi)挖進(jìn)口附近。拱頂變形大致呈S形分布，拱底變形大致呈M形分布，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，是因?yàn)樵谒淼篮蠖顺霈F(xiàn)偏壓導(dǎo)致。同時(shí)拱頂豎向位移表現(xiàn)出右洞變形大于左洞變形，而拱頂變形與其相反，這是

由于左洞開(kāi)挖后圍巖發(fā)生應(yīng)力釋放，因此在隧道右洞開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)及時(shí)施加支護(hù)結(jié)構(gòu)。此外，在隧道拱底處3種開(kāi)挖工況引起的豎向位移值有依次增大的趨勢(shì)，但其變化幅度差異不大。

由圖3、圖5可知，隧道開(kāi)挖后隧道的水平位移主要集中在拱腰附近，其水平變形大致呈對(duì)稱分布，隧道外側(cè)位移略大于內(nèi)側(cè)位移，但方向相反，隧道兩側(cè)向內(nèi)收斂；隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，隧道水平收斂幅度也逐漸增大。同時(shí)，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺由0.5 m增加到1.0 m時(shí)，其收斂幅度明顯優(yōu)于開(kāi)挖進(jìn)尺由1.0 m增加至1.5 m時(shí)的情況，故在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，工況Ⅰ的情況對(duì)控制隧道圍巖的橫向變形更為有利。此外，隧道在開(kāi)挖時(shí)，左洞各開(kāi)挖工況收斂幅度不大，而右洞各開(kāi)挖工況收斂幅度明顯大于左洞收斂幅度，可以看出在小凈距隧道開(kāi)挖時(shí)先行洞的開(kāi)挖對(duì)后行洞開(kāi)挖的擾動(dòng)性大。

3.2中夾巖柱應(yīng)力分析

提取隧道中間段中夾巖柱處各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力值。如表2所示為不同開(kāi)挖進(jìn)尺條件下中夾巖柱測(cè)點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力，如圖6所示為中夾巖柱測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力隨開(kāi)挖進(jìn)尺變化特征曲線。

由表2可知，中夾巖柱各測(cè)點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力變化規(guī)律相似，并且?guī)r柱中心處應(yīng)力值最大。巖柱左、右側(cè)主應(yīng)力均隨開(kāi)挖進(jìn)尺增大而減小，而中心主應(yīng)力則略有增大。因?yàn)殚_(kāi)挖進(jìn)尺增大時(shí)，初期支護(hù)閉合晚，巖柱兩側(cè)圍巖發(fā)生了較多的應(yīng)力釋放，故應(yīng)力值減??；而巖柱中心位置則由于巖柱上部圍巖發(fā)生了較大的流變變形，圍巖松弛荷載大，故主應(yīng)力值反而略有增加。[JP3]由圖6可知，開(kāi)挖進(jìn)尺越大，巖柱中心主應(yīng)力與兩側(cè)主應(yīng)力的差值也越大，巖柱受力越不均勻。因此，為使巖柱受力更加均勻，開(kāi)挖進(jìn)尺不宜過(guò)大，綜合分析開(kāi)挖進(jìn)尺取0.5 m較為合適。

3.3圍巖塑性區(qū)分析

數(shù)值模擬完成后，提取不同開(kāi)挖工況條件下圍巖塑性區(qū)分布圖，如圖7所示。由圖7可知，隧道開(kāi)挖完成后，塑性區(qū)主要分布在隧道四周，呈圓柱形包裹著隧洞，并向中巖柱延伸。隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，塑性區(qū)面積也隨之增大。工況Ⅰ時(shí)，圍巖塑性區(qū)僅圍繞洞周分布，中夾巖柱左右兩側(cè)略有發(fā)展，但未形成貫通分布；工況Ⅱ時(shí)，洞[KG（0.1mm]周塑性區(qū)直徑增大，并向中夾巖柱進(jìn)一步延伸形成貫通

分布；工況Ⅲ相比工況Ⅱ，其洞周塑性區(qū)直徑略有增加，中夾巖柱塑性區(qū)貫通面積進(jìn)一步增加。這些現(xiàn)象表明，當(dāng)開(kāi)挖小凈距隧道時(shí)，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，中夾巖柱處應(yīng)力集中也隨之增大，巖體更加容易出現(xiàn)屈服。

3.4圍巖孔隙水壓力分析

如圖8所示為不同開(kāi)挖工況隧道開(kāi)挖完成后的圍巖孔隙水壓力云圖。由圖8可知，隧道開(kāi)挖結(jié)束后，由于開(kāi)挖部分孔壓消散，隧道周邊圍巖的孔隙水壓力嚴(yán)重下降，造成滲流場(chǎng)發(fā)生改變，在開(kāi)挖區(qū)與未開(kāi)挖區(qū)形成水頭差。在水頭差的作用下，隧道周邊圍巖孔隙水壓力分布形式呈馬蹄形漏斗狀。隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，隧道周邊圍巖的孔壓消散速度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且中夾巖柱處孔壓的消散速度隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加而增加。工況Ⅲ時(shí)，中夾巖柱處孔壓消散與隧洞處孔壓相連，表明開(kāi)挖進(jìn)尺越大，隧道靠近巖柱處邊墻發(fā)生突水突泥災(zāi)害可能性越大。

如圖9、圖10為各開(kāi)挖工況拱底測(cè)點(diǎn)拱底節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力變化時(shí)程曲線。由圖9可知，在隧道開(kāi)挖進(jìn)程中，由于地下水體能量的瞬間釋放，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均大幅度降低。此外，圍巖孔隙水壓力的消散幅度，從拱底節(jié)點(diǎn)至拱頂節(jié)點(diǎn)其變化程度逐漸增大，工況Ⅰ～工況Ⅲ圍巖孔隙水壓力的變化程度也隨之逐漸增大。這表明，隧道開(kāi)挖時(shí)拱頂和拱腰處更易發(fā)生突水、涌水現(xiàn)象，因此在隧道施工中應(yīng)特別注意這些部位的防排水措施是否可靠。在富水軟弱破碎段圍巖開(kāi)挖時(shí)，小進(jìn)尺開(kāi)挖相比大進(jìn)尺開(kāi)挖時(shí)發(fā)生突水、涌水災(zāi)害概率小，安全系數(shù)更高。

4結(jié)語(yǔ)

本文依托于水口—崇左—愛(ài)店公路（崇左至愛(ài)店口岸段）觀音山隧道實(shí)際工程背景。通過(guò)FLAC 3D軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)3種不同開(kāi)挖進(jìn)尺條件進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，左右隧洞豎向位移逐漸增大，后行洞拱頂沉降大于先行洞，而拱底隆起與之相反；隧道水平收斂幅度也隨之增大，開(kāi)挖進(jìn)尺為0.5 m時(shí)收斂度最小。

（2）隧道同一斷面出處，中夾巖柱左右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力隨開(kāi)挖進(jìn)尺的增加而減小，巖柱中心測(cè)點(diǎn)由于流變變形，主應(yīng)力略有增加，同時(shí)中夾巖柱受力越不均勻；隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，圍巖塑性區(qū)面積逐漸增大，并向中夾巖柱延伸，開(kāi)挖進(jìn)尺越大中夾巖柱處越易產(chǎn)生塑性屈服。

（3）小凈距隧道開(kāi)挖后在水頭壓力的作用下使地下水向隧道開(kāi)挖面滲透，形成一個(gè)馬蹄形漏斗狀的滲水區(qū)域。在不同開(kāi)挖工況下，孔壓消散幅度關(guān)系：拱頂節(jié)點(diǎn)gt;拱腰節(jié)點(diǎn)gt;拱底節(jié)點(diǎn)，工況Ⅰgt;工況Ⅱgt;工況Ⅲ。開(kāi)挖工況Ⅰ條件下孔壓消散幅度小于其他開(kāi)挖工況，故發(fā)生突水突泥情況概率小于其他工況。因此隧道在富水軟弱破碎帶進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，小進(jìn)尺開(kāi)挖優(yōu)于大進(jìn)尺開(kāi)挖。

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作者簡(jiǎn)介：余麗平（1987—），高級(jí)工程師，主要從事施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18