摘 要：為研究軟巖地區(qū)圍巖劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)變形特征及控制效果，文章以云南省某粉質(zhì)黏土地層的隧道工程為例，基于有限元軟件FLAC 3D分析了不同含水率條件下隧道結(jié)構(gòu)不同深度的變形特征和不同控制技術(shù)的控制效果。結(jié)果表明：隧道結(jié)構(gòu)的變形主要發(fā)生在二次襯砌施工之前；含水率不同時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)不同深度的變形規(guī)律相差較大；擴(kuò)大拱腳寬度對(duì)圍巖變形能起到一定的控制作用，增加錨桿長度僅能控制圍巖水平方向的變形。

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)黏土地層；公路隧道；FLAC 3D有限元；變形特征

中圖分類號(hào)：U456.3+1

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展，隧道工程建設(shè)的環(huán)境也日益復(fù)雜。粉質(zhì)黏土地層在我國西南地區(qū)廣泛分布，由于其性質(zhì)軟弱及穩(wěn)定性較差等特點(diǎn)，在隧道工程建設(shè)過程中易引起地表的不均勻沉降、襯砌結(jié)構(gòu)大規(guī)模變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞等現(xiàn)象，加之粉質(zhì)黏土遇水后會(huì)進(jìn)一步軟化及膨脹，對(duì)隧道工程的建設(shè)產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的影響。因此，研究軟巖地區(qū)隧道圍巖遇水劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)的變形特征及支護(hù)措施十分重要。

近些年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)軟巖地區(qū)隧道圍巖劣化的變形特征及支護(hù)措施展開了大量研究。代鴻明［1］針對(duì)多個(gè)隧道仰拱填充層的開裂、擠壓及涌水等現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)果表明襯砌結(jié)構(gòu)及仰拱的局部破壞主要是因?yàn)榈叵滤辉鏊鸬乃畨涸龃?。劉傳廣［2］通過FLAC 3D軟件，基于流固耦合理論對(duì)粉質(zhì)黏土復(fù)合地層的隧道結(jié)構(gòu)變形特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明隧道的豎向位移相對(duì)于水平位移而言更容易受到施工及滲流的影響。莊麗等［3］通過物理模型試驗(yàn)對(duì)淺埋隧道中軟塑和硬塑的粉質(zhì)黏土變形特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明軟塑及硬塑黏土的強(qiáng)度及成拱能力對(duì)隧道變形的影響最大。王輔圣［4］結(jié)合溫度場(chǎng)及濕度場(chǎng)相關(guān)理論，通過數(shù)值模擬軟件分析了隧道開挖土體在滲水條件下的濕度場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)果表明隧道圍巖的松動(dòng)區(qū)最易受到滲水增濕的影響，其對(duì)土體的擾動(dòng)隨著時(shí)間逐漸增大。楊樹才等［5］針對(duì)軟塑粉質(zhì)黏土地層隧道施工穩(wěn)定性差等難題，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察及物理模型試驗(yàn)，對(duì)隧道施工的支護(hù)措施進(jìn)行了研究，所提出的“管棚+”支護(hù)措施為隧道的成功貫通起到重要作用。張超等［6］通過總結(jié)分析隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)注漿的加固措施能有效縮短圍巖結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定時(shí)間，并能在一定程度上減少其變形程度，為軟巖地區(qū)的隧道工程支護(hù)體系優(yōu)化具有重要意義。

但上述學(xué)者的研究較少考慮粉質(zhì)黏土地層在遇水劣化條件下隧道圍巖結(jié)構(gòu)的變形特征及支護(hù)措施，因此本文在前人的研究基礎(chǔ)上，基于FLAC 3D軟件，分析粉質(zhì)黏土地層的隧道圍巖在遇水劣化條件下其各個(gè)結(jié)構(gòu)的變形特征，并研究不同支護(hù)措施對(duì)隧道圍巖變形的控制效果，研究成果可為隧道變形控制研究提供參考。

1 工程概況及數(shù)值計(jì)算模型

1.1 依托工程概況

研究區(qū)位于云南省某高速公路路段，隧道全長2 251 m，最大埋深約230 m，開挖高度為10.5 m，跨度為14.2 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及室內(nèi)物理試驗(yàn)顯示（圖1），研究區(qū)粉質(zhì)黏土地層厚約15.8～40.2 m，地基承載力約為185～214 "kPa，粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)較松散、穩(wěn)定性差。隧道下部為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分區(qū)域巖溶發(fā)育，且發(fā)育不均勻。地下水以基巖裂隙水及巖溶水為主，由于粉質(zhì)黏土力學(xué)性能不穩(wěn)定，遇水發(fā)生了明顯的劣化，較天然狀態(tài)的圍巖穩(wěn)定性更差，導(dǎo)致隧道在施工階段出現(xiàn)了地表開裂、掌子面滑塌及不均勻沉降等現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，粉質(zhì)黏土在天然狀態(tài)的含水率為15%～20%，部分滲水嚴(yán)重的粉質(zhì)黏土，其含水率高達(dá)30%。

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建

通過FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬模型構(gòu)建，模型如圖2所示。根據(jù)工程實(shí)際斷面尺寸確定隧道跨度為14.2 m，開挖高度為10.5 m，為減少邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)圣維南原理將模型尺寸設(shè)置為距離隧道3～5倍（X=130 m，Y=70 m）。隧道埋深分別設(shè)置為15 m、25 m、35 m、45 m、55 m、65 m，除頂面單位以外均設(shè)置X、Y、Z方向的位移約束，其開挖方法與實(shí)際工程保持一致。

細(xì)觀參數(shù)對(duì)FLAC 3D軟件模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，而有限元軟件未給出細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的定量關(guān)系，以滲水較嚴(yán)重圍巖為參考，根據(jù)其基本物理力學(xué)性質(zhì)，配置了含水率為15%、20%、25%、30%的土樣，并進(jìn)行相關(guān)力學(xué)參數(shù)測(cè)試。表1所示為不同含水率粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r的巖土體力學(xué)參數(shù)。

2 圍巖變形特征分析

本文通過FLAC 3D軟件模擬構(gòu)建不同含水率的粉質(zhì)黏土地層隧道模型，以分析劣化條件下各個(gè)結(jié)構(gòu)在不同埋深的圍巖變形特征。

2.1 拱頂沉降分析

設(shè)埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖拱頂不同含水率的沉降曲線如圖3所示。

由圖3可知，根據(jù)拱頂?shù)某两底兓€可將施工階段劃分為4個(gè)階段：預(yù)變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段及穩(wěn)定階段。在隧道斷面開挖之前為拱頂沉降的預(yù)變形階段，其變形的主要原因?yàn)檎谱用媸艿搅藬D壓變形，進(jìn)而使拱頂發(fā)生較小的預(yù)變形；在隧道斷面開挖后，

初次封閉成環(huán)之前，即為快速變形階段，該階段主要是斷面開挖改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，大量開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力重分布，大幅度增加了圍巖的變形速度，該階段為隧道圍巖的主要變形階段；緩慢變形階段發(fā)生在初次封閉成環(huán)之后、襯砌結(jié)構(gòu)施工之前，隧道圍巖在封閉成環(huán)之后有了較穩(wěn)定的受力體系，能較好地承載周邊土體壓力，進(jìn)而限制了圍巖發(fā)生沉降，拱頂沉降速度大幅度減??；在二次襯砌結(jié)構(gòu)施工完畢后，結(jié)構(gòu)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，變形速度逐漸趨近于0。隨著埋深值的增加，拱頂沉降量有明顯的增長趨勢(shì)，埋深從15 m增至25 m時(shí)，沉降增幅為140.82%。

從含水率影響來看，拱頂?shù)某两惦S著含水率的增加而增加，在含水率為25%時(shí)發(fā)生突變。當(dāng)含水率＜25%時(shí)，各個(gè)含水率曲線變化趨勢(shì)基本相同，主要沉降均以快速變形階段為主，并在結(jié)束變形的穩(wěn)定階段變形值相近；而當(dāng)含水率＞25%時(shí)，沉降量發(fā)生了明顯的變化，且預(yù)變形階段的變形占比隨著預(yù)埋深度的增加而不斷變大;當(dāng)埋深＞25 m時(shí)，預(yù)變形階段的變形超過快速變形階段，因此，當(dāng)粉質(zhì)黏土地層含水率＞25%、隧道埋深＞25 m時(shí)，應(yīng)采取相對(duì)的支護(hù)措施，避免圍巖在預(yù)變形階段產(chǎn)生較大的沉降。

2.2 拱腳水平收斂變形特征

設(shè)埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖拱腳在不同含水率時(shí)的水平收斂曲線如圖4所示。

由圖4可知，與拱頂沉降曲線相同，拱腳水平收斂的曲線同樣劃分為4個(gè)階段，不同含水率收斂值在相同埋深的變化曲線相差不大，與拱頂不同，拱腳的水平收斂主要集中在預(yù)變形階段，即開挖施工之前，因此粉質(zhì)黏土地層隧道在拱腳施工時(shí)要以控制預(yù)變形階段的變形為主，以此避免拱腳發(fā)生較大位移。當(dāng)含水率＜25%時(shí)，相同埋深的拱腳變化曲線近乎重合，且隨著含水率升高其在施工結(jié)束后的穩(wěn)定變形階段的變形值越大；當(dāng)含水率＞25%時(shí)，其位移變化曲線在各個(gè)階段均有明顯的增長趨勢(shì)。以含水率25%為界限，分析不同埋深對(duì)拱腳變形的影響，當(dāng)含水率＜25%時(shí)，隨著埋深的增加，拱腳的收斂值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，且在施工完成后的穩(wěn)定階段收斂值也較小，變化幅度≤2 mm，因?yàn)榇藭r(shí)圍巖主要發(fā)生豎直方向的位移，幾乎不發(fā)生水平位移；當(dāng)含水率＞25%時(shí)，隨著埋深的增加，相同含水率的拱腳收斂值大幅度增長，此時(shí)圍巖的位移以水平位移為主，尤其在深度＞25 m時(shí)更為明顯，拱腳易發(fā)生大規(guī)模變形失穩(wěn)。

2.3 仰拱隆起變形特征

設(shè)埋深h分別為15 m、25 m，分析粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖仰拱在不同含水率時(shí)的隆起曲線如圖5所示。

由圖5可知，與拱頂?shù)淖兓€相同，仰拱隆起的變形主要發(fā)生在快速變形階段，即初次封閉成環(huán)之前，因?yàn)榇穗A段在進(jìn)行上臺(tái)階的開挖，使仰拱產(chǎn)生大幅度的隆起。當(dāng)埋深相同時(shí)，含水率＜25%的仰拱隆起值隨著含水率的減小幅度增長，其位移變化曲線近乎重合，增長不明顯，以埋深15 m為例，含水率從15%增至25%，隆起值從2.47 cm增至2.91 cm，增長幅度僅為18%；當(dāng)含水率＞25%時(shí)，仰拱的隆起增幅明顯變大，含水率從25%增至30%，埋深15 m的隆起增幅為65%。當(dāng)含水率相同時(shí)，

同樣以含水率25%為界表現(xiàn)出不同的增長趨勢(shì)，其規(guī)律與仰拱及拱腳相似。因此，含水率越高，埋深值越大，仰拱的隆起變形越大。

2.4 掌子面變形特征

由于計(jì)算結(jié)果較多，本文以含水率為25%的粉質(zhì)黏土地層為例進(jìn)行不同埋深的掌子面位移分析，其云圖如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)含水率為25%時(shí)，隨著埋深的增加，掌子面的變形也隨之增大，其最值出現(xiàn)的位置受埋深的影響較大，當(dāng)埋深為25 m時(shí)，掌子面發(fā)生擠出變形最大的位置位于上部臺(tái)階的兩側(cè)，而當(dāng)埋深＞25 m時(shí)，其擠出變形最大位置位于下部臺(tái)階的中心處，由此可知在施工過程中對(duì)不同深度的掌子面應(yīng)采取不同的變形控制措施。

進(jìn)一步分析含水率對(duì)掌子面變形的影響，提取各個(gè)含水率下不同深度的掌子面最大擠出變形值，繪制關(guān)系曲線圖如圖7所示。

由圖7可知，在含水率不變時(shí)，最大擠出變形隨著埋深的增加而小幅度增長，當(dāng)含水率為25%時(shí)，其變形值大幅度增加，與前文規(guī)律一致。

3 粉質(zhì)黏土隧道變形控制研究

通過FLAC 3D軟件，分析不同支護(hù)措施對(duì)粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖的變形控制效果。

3.1 擴(kuò)大拱腳控制效果分析

選取含水率為25%的粉質(zhì)黏土地層的物理力學(xué)參數(shù)，設(shè)置拱腳寬度依次為0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m，得到不同拱腳寬度的隧道結(jié)構(gòu)位移如圖8所示。

如圖8所示，擴(kuò)大拱腳寬度能夠有效減小隧道圍巖所產(chǎn)生的位移，隨著寬度增加，拱頂?shù)某两迪仍龃蠛鬁p小，在寬度增至1.0 m時(shí)其沉降值為271.2 mm，與擴(kuò)寬之前相比減小了9.51%；拱腳的水平收斂位移也隨著寬度的增加而減小，在1.2 m時(shí)產(chǎn)生極小值（72.1 mm），與擴(kuò)寬之前相比減小了38.11%。由此可知，擴(kuò)寬拱腳可以較好控制隧道圍巖結(jié)構(gòu)的變形，但擴(kuò)大拱腳尺寸應(yīng)在一定范圍內(nèi)，寬度過大會(huì)導(dǎo)致隧道的開挖跨度增加，隧道的矢跨比會(huì)因此減小，在一定程度上降低了圍巖的穩(wěn)定性。因此，考慮工程安全及經(jīng)濟(jì)效益，建議拱腳寬度為0.8～1.2 m。

3.2 系統(tǒng)錨桿控制效果分析

選取含水率為25%的粉質(zhì)黏土地層的物理力學(xué)參數(shù)，設(shè)置錨桿長度依次為0 m、3.0 m、3.5 m、4 m、4.5 m和5 m，不同錨桿長度的隧道結(jié)構(gòu)位移如圖9所示。

由圖9可知，隨著錨桿長度的增加，拱頂?shù)某两底兓?guī)律與拱腳水平收斂規(guī)律不同，拱頂部位的變形隨著錨桿長度的增加而小幅度增長，由無錨桿至錨桿長度L=5.0 m，其沉降增幅為0.68%；而拱腳水平收斂的位移隨錨桿長度的增加減小，當(dāng)L=5.0 m時(shí)，其減小幅度為11.24%。分析其原因?yàn)椋汗绊敳康腻^桿在隧道開挖時(shí)會(huì)受到逐漸增大的土壓力，錨桿長度的增加加大了拱頂部所受的壓力，進(jìn)而使其發(fā)生了小幅度的增長。由此可知，錨桿系統(tǒng)不能控制粉質(zhì)黏土地層隧道拱頂結(jié)構(gòu)的變形，但能在一定程度上控制拱腳的水平收斂變形。

4 結(jié)語

為研究粉質(zhì)黏土地層隧道圍巖在遇水劣化條件下的結(jié)構(gòu)變形特征及控制措施，本文基于云南省某高速公路隧道項(xiàng)目，通過FLAC 3D軟件分析不同含水率條件下隧道圍巖結(jié)構(gòu)不同埋深下的變形特征，基于此，進(jìn)一步分析不同支護(hù)措施對(duì)隧道變形的控制效果。得到如下主要結(jié)論：

（1）隧道結(jié)構(gòu)（拱頂、拱腳、仰拱、掌子面）的主要變形均發(fā)生在二次襯砌施工之前。

（2）當(dāng)埋深一定時(shí)，隧道圍巖變形在含水率增至25%之前增長幅度較小，當(dāng)含水率增至25%以后，其增長幅度較大。

（3）當(dāng)含水率一定時(shí)，隧道圍巖的變形在含水率＜25%時(shí)與埋深為線性關(guān)系，當(dāng)含水率＞25%時(shí)，呈指數(shù)非線性增長。

（4）增加拱腳的寬度能較好控制圍巖的變形，增加錨桿長度僅能控制拱腳部位的圍巖變形。參考文獻(xiàn)：

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