潘 建

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

隨著隧道工程數(shù)量的不斷增加，越來越多的隧道在不良地質(zhì)環(huán)境下進行建設(shè)。關(guān)于不良地質(zhì)環(huán)境下的隧道施工，現(xiàn)已有較多研究，如鄧思遠等人探討了FLAC滲流模型中的建模問題［1］、李地元等人以某隧道為背景，探討了隧道施工時的滲流機制［2］、李鵬飛等人對不良地質(zhì)隧道在不同施工階段下的孔隙水壓力情況進行分析［3］。對于不良地質(zhì)段的隧道而言，其施工過程中極易遇見大變形和局部坍塌等事故，特別是有著較高孔隙率的不良地質(zhì)段，當其存在較高的地下水位時，隧道施工時存在滲流場作用，導致襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)會有所變化。從確保施工安全和質(zhì)量的角度上看，對該種隧道施工進行進一步的分析研究具有實用價值。

2 工程概況

以香爐山隧道項目為研究對象，根據(jù)施工圖紙地質(zhì)資料，洞內(nèi)Ⅲ類圍巖占30.3%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占69.7%，洞內(nèi)圍巖特別是穿越斷層破碎帶的圍巖穩(wěn)定問題突出，斜井末端穿越龍蟠—喬后斷裂帶巖體破碎，透水性較好，具較好的賦水性，存在沿斷層破碎帶的高外水壓力與洞內(nèi)涌水問題。在樁號K1+050～K1+227段（長177m）圍巖穩(wěn)定性差，穿越F10-1斷裂帶、構(gòu)造巖層為角礫巖、碎礫巖，膠結(jié)差，結(jié)構(gòu)較松散，會發(fā)生中等擠壓變形，局部穿越F10-1主斷帶的碎粉巖時，疊加相對豐富的地下水影響，洞內(nèi)圍巖有產(chǎn)生較大變形的可能性。

2#施工支洞的下平段位于龍蟠—喬后斷裂影響帶上，開挖邊墻較高，達11.5m，且還設(shè)計一條岔洞，支洞、岔洞和輸水主洞之間存在交叉部位問題，均位于Ⅴ類圍巖段，因而不良地質(zhì)段的滲漏水問題是本項目的重難點所在。

3 隧道施工模擬

開挖不良地質(zhì)段隧道有較大風險，特別是存在地下水的不良地質(zhì)段［4］。本文使用ABAQUS有限元分析軟件模擬滲流作用下該隧道不良地質(zhì)段的施工。以100×100m的尺寸模擬隧道圍巖，建模時以隧道的施工設(shè)計尺寸為準，模擬網(wǎng)格如下圖1所示。

圖1 有限元網(wǎng)格圖

在拱腳位置設(shè)置透水孔以模擬支護結(jié)構(gòu)的透水情況。

3.1 孔隙水壓力和孔隙比

隨著施工的推進，孔隙水壓力和孔隙比的變化如圖2所示。

圖2 孔隙水壓力和孔隙比隨隧道施工的變化情況

從結(jié)果上看，受到周邊滲流效應的影響，邊界開挖時對孔隙水壓的約束有所減小，使得孔隙水壓的數(shù)值有所減小。襯砌通過不透水層進行模擬，并將透水層數(shù)值到拱腳位置，在襯砌完工后，因限制了邊界滲流，使得拱頂和拱底孔隙水壓減小為負數(shù)，即該位置沒有水存在。因?qū)⒐澳_設(shè)置到透水層，因此在支護施加之后，拱頂和拱底孔隙水壓不斷上升。拱頂和拱底孔隙比隨著隧道施工的不斷開展而不斷增加，但拱腰處則不斷減小，整體上表現(xiàn)為對稱分布，對比拱頂位置的孔隙比增長情況可知，拱腰的孔隙比減小得更多，豎向位移是使得拱頂孔隙比增長的原因，水平位移是拱腰孔隙比降低的原因。對孔隙比和孔隙水壓力隨施工時間增長而出現(xiàn)的變化可知，兩者整體上表現(xiàn)出先降低，支護完成上臺階后逐漸提高，最終趨于穩(wěn)定的情況?？傮w上看，下斷面支護對孔壓影響較小，在開挖完成上臺階后孔壓不斷被釋放。兩側(cè)拱腳有基本相似的變化情況，并且有相對較小的孔壓變化。相比于拱底位置，拱頂孔壓僅有較小變化，原因在于拱頂下部初始孔壓較大，在上臺階開挖完成后孔壓不斷釋放，但施加支護之后，預留的排水孔為其僅有的排水邊界，因此孔壓隨時間增加不斷增加，但最后僅有較小的釋放。孔隙比的變化和孔隙水壓力基本一致，兩側(cè)拱腳不斷減小，拱頂和拱底逐漸上升，且拱底增長量更大。

3.2 滲流速度

完成開挖后，隧道的滲流速度如圖3所示。

圖3 完成開挖后的滲流速度示意圖

以5e-5m/h作為滲流系數(shù)，開挖斷面上的滲流速度隨著不斷開挖的斷面在不斷增加，并且因為只有在拱腳處有排水層，拱頂和拱底滲流速度隨著不斷增加的時間而不斷減小到初始狀態(tài)，兩側(cè)拱腰滲流速度不斷降低，拱腳排水層則有較大滲流速度。

4 滲流作用對隧道的影響

對比有無滲流作用時的隧道變形和受力情況，以此對滲流作用對隧道所產(chǎn)生的影響進行分析。

4.1 圍巖變形

在無滲流作用以及滲流作用下隧道圍巖的變形情況如圖4、圖5所示。

圖4 水平位移變化曲線

圖5 豎向位移

從結(jié)果上看，隧道拱腰在滲流作用存在是有最大的水平位移，拱肩在未考慮滲流作用時有最大的水平位移。整體上看，水平位移受滲流作用的影響較小，且其分布位置基本一致，僅數(shù)值上存在差異，兩者普遍存在較小的位移，僅個別位置有較大的位移值出現(xiàn)，在滲流作用下，隧道圍巖相對位移和位移分布區(qū)域相對較大。

拱部存在有豎向位移的最大值，拱腰處在考慮滲流作用時有更大的豎向位移影響范圍。在拱頂和拱底處均有較大的豎向位移，且有基本相似的變化規(guī)律，但考慮滲流作用時有更大的豎向位移。并且，考慮滲流作用時拱底有更大的豎向位移，表現(xiàn)為底鼓現(xiàn)象，并且有相對較大的位移值。

4.2 圍巖應力

在無滲流作用以及滲流作用下隧道圍巖的應力變化如圖6、圖7所示。

圖6 水平應力變化曲線

圖7 豎向應力

隧道水平應力在施工時有較大改變，隧道拱部在滲流作用下有較大水平位移。在拱底位置無論是否考慮滲流作用都會有向右的水平應力出現(xiàn)，但對于拱頂位置而言，滲流作用下的水平應力向右，未考慮滲流作用時水平應力向左，總體上表現(xiàn)為對稱狀態(tài)。相比于未考慮滲流作用的隧道，考慮滲流作用的隧道有更小的水平應力。

隧道豎向應力變化規(guī)律在滲流作用是否存在時基本一致，但在存在滲流作用時有更大的變化范圍。豎向應力和水平應力有基本相似的應力分布情況，但拱頂和拱底存在最大的豎向應力值，且應力釋放更為明顯的是隧道拱頂。隧道豎向應力在考慮滲流作用時更大。

4.3 襯砌結(jié)構(gòu)受力

在無滲流作用以及滲流作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)水平應力變化如圖8所示。

圖8 隧道襯砌結(jié)構(gòu)水平應力云圖

襯砌結(jié)構(gòu)的水平應力在考慮滲流作用時更大，考慮滲流作用時在拱腳位置有襯砌結(jié)構(gòu)的最大水平應力，未考慮滲流作用時在拱腰位置出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)的最大水平應力，表明在較高地下水位條件下施工不良地質(zhì)段隧道時應加固拱腳，但無水環(huán)境時應加固拱腰襯砌。隧道襯砌豎向應力在考慮滲流作用時較大，在未考慮滲流作用時隧道襯砌在拱肩位置出現(xiàn)最大的豎向應力，說明在較高地下水位時進行不良地質(zhì)環(huán)境的隧道施工應預加固隧道拱部，且需對仰拱進行加固，避免隧道施工時完成支護后仰拱出現(xiàn)隆起，在無水條件下需加固拱肩。

5 結(jié)語

基于上述分析，主要得出如下結(jié)論：

（1）孔隙水壓力隨著隧道施工的開展不斷降低，孔隙水壓力越靠近隧道施工距離時降低越顯著，但施工完襯砌后拱腰有較大的孔隙水壓力，拱腳孔隙水壓力則保持不變，原因在于在拱腳位置設(shè)置了襯砌排水口。

（2）滲流場作用下最大的水平應力出現(xiàn)在隧道拱腰，最大的豎向應力出現(xiàn)在仰拱及拱頂，在隧道襯砌施工時應對拱頂、拱腰和仰拱進行一定的加固。

（3）在滲流作用下，隧道圍巖變形和應力的變化范圍較大，且襯砌結(jié)構(gòu)水平應力最大值隨著時間的推移不斷從拱肩下降到拱腰，在隧道開挖前應先對拱腰采用系統(tǒng)錨桿注漿的方式進行加固。