摘要：為研究含軟弱夾層地層隧道圍巖變形特性，文章依托某高速公路隧道工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值建模與計(jì)算，分析了不同工況下穿越含軟弱夾層地層的隧道圍巖變形特性，并以兩種軟弱夾層工況為例，考慮軟弱夾層傾角和軟弱夾層厚度兩個(gè)影響因素，分析各因素對(duì)圍巖變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明：拱頂、右拱腰和右拱腳位置的豎向位移均在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，拱底、左拱腳和左拱腰位置均在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值；右拱腳、左拱腰和左拱腳位置的水平位移最大值分別出現(xiàn)在軟弱夾層角度為30°、45°和60°時(shí)；拱頂、左拱腰和右拱腰位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而增大，左拱腳位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而減小，左拱腰和右拱腰的水平位移隨軟弱夾層厚度的增大而明顯增大。

關(guān)鍵詞：軟弱夾層；隧道圍巖；變形特性；FLAC 3D

中文分類號(hào)：U456.3+1A531754

0引言

在交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的大背景下，我國計(jì)劃修建大量公路和鐵路。然而由于我國地形復(fù)雜，平原地區(qū)僅占國土面積的10%左右，山區(qū)面積較大，在修建公路和鐵路時(shí)往往要進(jìn)行大量隧道工程的建設(shè)，需要著重關(guān)注圍巖穩(wěn)定性問題。大量工程實(shí)踐顯示，在工程地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)建設(shè)隧道過程中往往不可避免地需要穿越軟弱地層等不良地質(zhì)區(qū)域，進(jìn)而引起圍巖失穩(wěn)、隧道塌方。因此，研究穿越軟弱地層的隧道圍巖穩(wěn)定性問題對(duì)隧道的設(shè)計(jì)及施工具有重要參考價(jià)值。

目前對(duì)穿越軟弱地層的隧道圍巖穩(wěn)定性研究已有了較多成果。肖楊等［1］依托某軟弱圍巖連拱隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，分析了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)下圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，得到最優(yōu)的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。楊康等［2］依托廣西鳳山縣軟弱圍巖隧道實(shí)際工程，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了隧道開挖過程中不同圍巖等級(jí)、不同初期支護(hù)混凝土厚度工況下隧道圍巖的變形特征。吳啟勇［3］依托泉三高速公路新瓊隧道擴(kuò)建工程，利用Midas GTS軟件建立三維數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，分析了隧道擴(kuò)建過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及圍巖變形特征，并對(duì)加固措施的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。零漢能［4］依托某單洞鐵路隧道，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了軟弱地層隧道施加二次襯砌后圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)分布特征。劉曉飛等［5］依托觀音山隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，針對(duì)Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖分別計(jì)算了不同施工方法工況下開挖間距對(duì)拱頂沉降的影響，并研究了相同圍巖等級(jí)下不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，確定了合理的隧道支護(hù)方案。任家葦?shù)龋?］利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了巷道穿越含軟弱夾層地層時(shí)的圍巖穩(wěn)定性問題，分析了巷道埋深、軟弱夾層位置和軟弱夾層傾角對(duì)巷道圍巖變形特征的影響。

張文濤等［7］依托滇西某鉛鋅礦的巷道工程，利用有限元軟件建立數(shù)值模擬，考慮圍巖松動(dòng)圈的影響，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性驗(yàn)算，基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉俊學(xué)等［8］依托樂漢高速公路豹貍崗隧道工程，考慮圍巖破碎及軟弱夾層的影響，利用3DEC塊體離散元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了不同開挖進(jìn)尺條件下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征?？岛２ǖ龋?］通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了不同軟弱夾層傾角工況下隧道穿越含軟弱夾層地層時(shí)隧道圍巖的變形特征。

本文依托某高速公路隧道工程，通過FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值建模與計(jì)算，分析了不同工況下穿越含軟弱夾層地層的隧道圍巖變形特性，并以兩條軟弱夾層工況為例，考慮軟弱夾層傾角和軟弱夾層厚度兩個(gè)影響因素，分析各因素對(duì)圍巖變形的影響規(guī)律。

1工程背景與數(shù)值建模

本文以某高速公路隧道工程為例，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)穿越含軟弱夾層地層的隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。隧址區(qū)地勢(shì)起伏較大，隧道的最大埋深為150 m，地層為含軟弱夾層的中風(fēng)化砂巖，軟弱夾層的類型主要為泥巖和強(qiáng)風(fēng)化頁巖。隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，地下水較為發(fā)育。數(shù)值模型依據(jù)隧道實(shí)際斷面進(jìn)行建立，其中隧道凈寬w=11.2 m，凈高h(yuǎn)=8.7 m。為盡可能消除因邊界效應(yīng)導(dǎo)致的計(jì)算誤差，選取模型尺寸為90 m×40 m×100 m（長×寬×高）。隧道斷面分布有相互平行的兩條軟弱夾層，厚度均為1 m，與水平方向的夾角為45°，其中軟弱夾層Ⅰ穿過隧道中心，軟弱夾層Ⅱ不穿過隧道，與隧道輪廓邊緣垂直距離相距1 m。建立數(shù)值模型如下頁圖1所示。

隧道采用兩臺(tái)階法進(jìn)行開挖，每個(gè)施工步為2 m，且上下臺(tái)階開挖面相距8 m，即上臺(tái)階先開挖8 m后，下臺(tái)階與上臺(tái)階繼續(xù)同時(shí)開挖。取隧道縱向的中間斷面，即Y=20 m的斷面為監(jiān)測面。監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

模型邊界條件為：模型上邊界為自由邊界，模型下邊界施加水平和豎直方向的約束；模型側(cè)面施加垂直側(cè)面的約束。巖土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，軟弱夾層為Ⅴ級(jí)圍巖，巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。在隧道開挖過程中只考慮初期支護(hù)，其中支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用線彈性模型，彈性模量為20.0 GPa，泊松比為0.2，等效厚度為0.25 m。

2數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到無軟弱夾層（工況1）、僅軟弱夾層Ⅰ（工況2）和軟弱夾層Ⅰ＋軟弱夾層Ⅱ（工況3）下監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移和水平位移，如圖3和圖4所示。規(guī)定豎向位移向上為正，水平位移向右為正。

如圖3所示，隧道拱頂、左拱腰和右拱腰的豎向位移方向向下，拱底、左拱腳和右拱腳的豎向位移方向向上，隨著軟弱夾層數(shù)量的增多，監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其中無軟弱夾層和僅軟弱夾層Ⅰ兩種工況下，監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移變化較小，說明穿越經(jīng)過隧道中心的軟弱夾層對(duì)隧道豎向變形的影響較小，當(dāng)軟弱夾層Ⅰ存在且增加軟弱夾層Ⅱ時(shí)，拱頂和左拱腰位置的豎向位移明顯增大。其中，拱頂?shù)呢Q向位移值由9.02 mm增大到10.84 mm，增大了20.18%；左拱腰位置的豎向位移由6.07 mm增大到6.92 mm，增大了14.01%；右拱腰和左拱腳的豎向位移出現(xiàn)較小幅度的增大，增幅在10%以內(nèi)，而右拱腳的豎向位移基本未發(fā)生變化。綜上可知，軟弱夾層Ⅱ?qū)λ淼镭Q向位移的影響更大，且監(jiān)測點(diǎn)與軟弱夾層Ⅱ垂直距離越小，其豎向位移的增量越大。

如圖4所示，隧道拱頂和拱底的水平位移幾乎為零，左拱腰和左拱腳的水平位移方向向右，右拱腰和右拱腳的水平位移方向向左，隨著軟弱夾層數(shù)量的增多，監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。僅軟弱夾層Ⅰ工況與無軟弱夾層工況相比，左拱腳和右拱腰處的水平位移出現(xiàn)明顯增大。其中，左拱腳的水平位移值由0.906 mm增大到1.497 mm，增大了65.23%；右拱腰位置的水平位移值由1.615 mm增大到2.243 mm，增大了38.89%，說明穿越經(jīng)過隧道中心的軟弱夾層對(duì)軟弱夾層與隧道輪廓相交位置的水平位移有較大影響。當(dāng)軟弱夾層Ⅰ存在且增加軟弱夾層Ⅱ，可發(fā)現(xiàn)拱頂和左拱腰處水平位移明顯增大，其中拱頂?shù)乃轿灰浦涤?.035 mm增大到0.515 mm，增幅達(dá)到了1 371.42%；左拱腰的水平位移值由1.652 mm增大到6.275 mm，增幅達(dá)到了279.84%，左拱腳和右拱腰位置的水平位移也出現(xiàn)了一定幅度的增大，增幅分別為88.31%和12.17%，而拱底和右拱腳的水平位移基本未發(fā)生變化。綜上可知，軟弱夾層Ⅰ對(duì)與隧道輪廓相交位置的水平位移有較大影響，軟弱夾層Ⅱ?qū)εc其垂直距離較小的監(jiān)測點(diǎn)的水平位移有較大影響。

3軟弱夾層參數(shù)對(duì)圍巖變形的影響

為研究軟弱夾層參數(shù)對(duì)隧道圍巖變形級(jí)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本節(jié)選用軟弱夾層Ⅰ＋軟弱夾層Ⅱ計(jì)算模型，重點(diǎn)考慮軟弱夾層的角度和厚度兩類因素，設(shè)計(jì)不同的數(shù)值計(jì)算工況。

3.1軟弱夾層角度

為了研究軟弱夾層的角度對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取軟弱夾層與水平方向的夾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ的厚度均為1.0 m，軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ間的垂直距離為6.6 m，得到不同軟弱夾層角度下的隧道圍巖豎向位移和水平位移如圖5和圖6所示。

由圖5可知，隨著軟弱夾層角度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移均發(fā)生變化。拱頂位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為11.19 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為9.29 mm。右拱腰位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，然后再增大；在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為7.17 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為5.65 mm。右拱腳位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為2.89 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為1.89 mm。拱底位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為9.97 mm；在軟弱夾層角度為15°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為8.07 mm。左拱腳位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，然后再增大，在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為3.31 mm；在軟弱夾層角度為45°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為2.16 mm。左拱腰位置的豎向位移隨軟弱夾層角度增大先減小再增大，在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，為7.47 mm；在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為6.58 mm。綜上，拱頂、右拱腰和右拱腳位置的豎向位移均在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值；拱底、左拱腳和左拱腰位置均在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值。

由圖6可知，隨著軟弱夾層角度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的水平位移均發(fā)生變化。其中，拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移較小，均在＜1 mm的范圍內(nèi)發(fā)生變化。分析原因?yàn)椋核淼莱首笥覍?duì)稱結(jié)構(gòu)，拱頂和拱底位置形成水平方向的約束，導(dǎo)致該位置幾乎無法產(chǎn)生水平位移，右拱腳位置距離兩條軟弱夾層較遠(yuǎn)，受到的影響較小。右拱腰位置的水平位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，在軟弱夾層角度為30°時(shí)出現(xiàn)水平位移最大值，為2.75 mm；在軟弱夾層角度為75°時(shí)出現(xiàn)水平位移最小值，為1.42 mm。左拱腰位置的水平位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，在軟弱夾層角度為45°時(shí)出現(xiàn)水平位移最大值，為4.77 mm；在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)水平位移最小值，為1.91 mm。左拱腳位置的水平位移隨軟弱夾層角度增大先增大再減小，在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)水平位移最大值，為2.81 mm；在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值，為1.33 mm。綜上，拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移受軟弱夾層的影響較小，右拱腰、左拱腰和左拱腳位置的水平位移最大值分別出現(xiàn)在軟弱夾層角度為30°、45°和60°時(shí)，即隨著軟弱夾層角度發(fā)生變化，軟弱夾層與監(jiān)測點(diǎn)的垂直距離也在發(fā)生變化，當(dāng)軟弱夾層與監(jiān)測點(diǎn)間的垂直距離最短時(shí)，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)的水平位移最大。

3.2軟弱夾層厚度

為了研究軟弱夾層厚度對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律，本節(jié)分別選取軟弱夾層厚度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ與水平方向的夾角均為45°，軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ間的垂直距離為7.0 m，得到不同軟弱夾層厚度下的隧道圍巖豎向位移和水平位移如下頁圖7和圖8所示。

由圖7可知，隨著軟弱夾層厚度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移均發(fā)生變化。其中，拱頂、左拱腰和右拱腰位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而增大，在軟弱夾層厚度為3.0 m時(shí)豎向位移達(dá)到最大，分別為13.11 mm、10.80 mm和10.01 mm。左拱腳位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而減小，在軟弱夾層厚度為0.5 m時(shí)豎向位移達(dá)到最大，為2.37 mm；在軟弱夾層厚度為3.0 m時(shí)豎向位移達(dá)到最小，為1.13 mm，拱底和右拱腳處的豎向位移隨軟弱夾層厚度的增大幾乎未發(fā)生變化。分析其原因?yàn)椋汗绊?、左拱腰和右拱腰距離軟弱夾層的距離較近，受軟弱夾層影響較大，拱底和右拱腳距離軟弱夾層的距離較遠(yuǎn)，受軟弱夾層影響較小，左拱腳由于其位于軟弱夾層Ⅰ和軟弱夾層Ⅱ之間；隧道開挖后，軟弱夾層Ⅰ與軟弱夾層Ⅱ之間的圍巖向下傾倒，導(dǎo)致左拱腳位置處的圍巖發(fā)生擠壓作用，軟弱夾層的厚度越大，擠壓作用越強(qiáng)烈，導(dǎo)致其豎向位移值減小。

由圖8可知，隨著軟弱夾層厚度的變化，不同監(jiān)測點(diǎn)的水平位移均發(fā)生變化。其中，拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移較小，分析原因?yàn)椋核淼莱首笥覍?duì)稱結(jié)構(gòu)，拱頂和拱底位置形成水平方向的約束，導(dǎo)致該位置幾乎無法產(chǎn)生水平位移，右拱腳位置距離兩條軟弱夾層較遠(yuǎn)，受到的影響較小。左拱腰和右拱腰的水平位移隨軟弱夾層厚度的增大而明顯增大，其中隨著軟弱夾層厚度由0.5 m增大到3.0 m，左拱腰的水平位移增大了2.42 mm，增幅達(dá)到55.93%；

右拱腰的水平位移增大了3.445 mm，幅達(dá)到205.18%。因軟弱夾層Ⅰ穿過右拱腰位置，右拱腰的水平位移主要受軟弱夾層Ⅰ影響，左拱腰與軟弱夾層Ⅱ的垂直距離與其他監(jiān)測點(diǎn)相比最小，右拱腰的水平位移主要受軟弱夾層Ⅱ影響。

4結(jié)語

（1）軟弱夾層Ⅰ對(duì)與隧道輪廓相交位置的水平位移有較大影響，軟弱夾層Ⅱ?qū)εc它垂直距離較小的監(jiān)測點(diǎn)的水平位移有較大影響。軟弱夾層Ⅱ?qū)λ淼镭Q向位移的影響更大，且監(jiān)測點(diǎn)與軟弱夾層Ⅱ垂直距離越小，其豎向位移的增量越大。

（2）拱頂、右拱腰和右拱腳位置的豎向位移均在軟弱夾層角度為0°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值，在軟弱夾層角度為60°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最小值；拱底、左拱腳和左拱腰位置均在軟弱夾層角度為90°時(shí)出現(xiàn)豎向位移最大值。

（3）拱頂、拱底和右拱腳位置的水平位移受軟弱夾層的影響較小，右拱腰、左拱腰和左拱腳位置的水平位移最大值分別出現(xiàn)在軟弱夾層角度為30°、45°和60°。

（4）拱頂、左拱腰和右拱腰位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而增大，左拱腰和右拱腰的水平位移隨軟弱夾層厚度的增大而明顯增大。左拱腳位置的豎向位移隨著軟弱夾層厚度增大而減小，拱底和右拱腳處的豎向位移隨軟弱夾層厚度的增大幾乎未發(fā)生變化。

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基金項(xiàng)目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于拉索減震支座技術(shù)的鐵路連續(xù)梁橋抗震性能研究”（編號(hào)：2023KY1440）；2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于數(shù)字化平臺(tái)的城軌工程物化階段碳排放測算與評(píng)估”（編號(hào)：2023KY1445）

作者簡介：常麗燕（1991—），碩士，講師，研究方向：BIM技術(shù)應(yīng)用、土木工程建設(shè)與管理。