富水软岩隧道施工围岩力学特性及变形研究

张智博

（中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530000）

引言

富水软岩隧道施工是山岭隧道施工过程中的重要难题，水的存在会导致软岩承载力急剧下降，严重影响隧道施工安全［1-3］。国内学者进行了一些研究，郭军等［4］采用Midas/GTS 有限元软件进行模拟分析，得出隧道拱脚围岩变形较大，相比于三台阶开挖法，采用中隔壁法控制围岩变形更好；于海东［5］以某隧道施工为研究对象，采用数值模拟和现场监测的方法重点分析了富水隧道开挖变形，结果表明，拱脚处容易产生应力集中现象，拱顶处竖向变形最大，现场监测值和数值模拟值较为接近，验证了所提富水软弱围岩隧道施工技术的可靠性；张智健等［6］以某隧道工程为研究对象，采用数值模拟分析了含断层带隧道开挖稳定性，研究表明，距离断层越远，围岩稳定性越好，断层夹角越大，围岩突变越严重，且断层破裂带对富水软弱围岩隧道围岩稳定性影响较大，施工过程中应加强监测和控制。

1 工程概况

某山区富水地区拟建隧道全长326.4 m，山体上部丛林茂盛，山坡自然坡度约30°～38°，围岩为IV 级和V 级，稳定性较差，且岩体中富含水源，隧道埋深介于130～160 m 之间。隧道最大宽度和高度分别为10.8 m 和8.6 m，隧道所处位置附近以黄土层、砾石层和中风化灰岩层为主。拟采用预留核心土上下台阶开挖方法，隧道断面施工工序见图1。先进行上台阶开挖和支护，然后进行核心土开挖，最后进行下台阶开挖，每个开挖进尺为2.5 m，其中上台阶比核心土和下台阶各一个和两个循环，右线超左线25 m。

图1 隧道断面施工工序

2 数值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元软件Midas/GTS 建模得到的隧道数值模型见图2。隧道断面的最大宽和高分别为10.8 m 和8.6 m，模型长、宽分别取120 m 和60 m，高度80 m，除模型上部边界为自由面（为自由透水边界），其他边界均进行位移和边界约束。隧道围岩采用实体单元建立、衬砌采用结构单元，均采用摩尔库伦本构模型。隧道支护形式为初支和二次支护，即钢拱架+喷射混凝土+锚杆支护，初支喷浆厚度为25 cm，锚杆直径为30 mm，长度为3.5 m。由于隧道顶部位于地下水位15 m 以下，在模型上部施加15 m的静水压力（即0.15 MPa），即在模型顶面施加面荷载。考虑流固耦合作用与不考虑流固耦合作用两种工况隧道围岩变形与支护受力进行对比分析，施工采用预留核心土上下台阶开挖方法施工方式，每次开挖进尺2.5 m，先进行上台阶开挖，然后进行核心土开挖，后进行下台阶开挖。

图2 数值模型

2.2 参数赋值

表1 为土层的物理力学参数，表2 为喷射混凝土和锚杆力学参数。

表1 土层的物理力学参数

表2 喷射混凝土和锚杆力学参数

3 数值结果分析

3.1 开挖完成后位移分析

隧道开挖后，由于围岩被扰动，会重新进行应力分布，导致围岩发生变形，尤其是高压富水软岩隧道。在隧道的变形分析过程中，是否考虑流固耦合作用，对结果的影响非常重要。为了对比考虑流固耦合作用前后隧道变形的差异，图3 和图4 给出了隧道开挖完成后水平和竖向位移云图。由图3 可知，隧道开挖完成后，考虑流固耦合作用前后，围岩最大水平位移分别为15.8 mm 和20.5 mm，二者最大水平位移均发生在拱腰附近。考虑流固耦合作用后的最大水平位移比不考虑时增大了29.7%。由图4 可知，考虑流固耦合作用前后，围岩最大竖向位移分别为27.6 mm 和47.2 mm，二者最大竖向位移均发生在拱顶附近。考虑流固耦合作用后的最大竖向位移比不考虑时增大了71.1%。

图3 开挖完成后水平位移云图

图4 开挖完成后竖向位移云图

从整体云图来看，考虑流固耦合作用后围岩变形整体增大许多。实际上，高压富水隧道开挖后会形成水力临空面，与此同时产生较大的水力坡度，有效应力增大，考虑流固耦合作用所得到的与实际更为接近。

3.2 初期支护后围岩应力分析

初期支护的支护作用发挥直接关系到隧道的安全性与稳定性，表3、表4 分别给出了考虑流固耦合作用前后的隧道关键点最大和最小主应力值。

表3 各监测点主应力值（不考虑渗流作用）

表4 各监测点主应力值（考虑渗流作用）

由表3、表4 可知，对于最大主应力，考虑流固耦合作用前后的值分别为0.48 MPa 和1.27 MPa，均发生在拱底附近，说明考虑流固耦合作用后，围岩拉应力增大了1.6 倍。对于最小主应力，考虑流固耦合作用前后的值分别为12.66 MPa 和18.48 MPa，均发生在拱顶附近，说明考虑流固耦合作用后，围岩压应力增大了46.1%。

综合来看，考虑流固耦合作用后，围岩的拉应力和压应力均明显增大，因此，对于富水软岩隧道，在设计和施工时要重点进行支护加固，防止隧道发生失稳。

3.3 隧道围岩塑性区云图分析

考虑流固耦合作用前后开挖完成后隧道围岩塑性区云图见图5。

图5 开挖完成后隧道围岩塑性区云图

由图5 可知，考虑流固耦合作用后，围岩的塑性区明显较不考虑时增大，因为隧道开挖过程中，部分围岩因出现应力集中被压缩，由于水的存在，会形成超静孔隙水压力，此时围岩更容易发生屈服，即塑性区明显扩大，与实际监测的规律相符合。

4 结语

（1）考虑流固耦合作用后的最大水平位移和最大竖向位移比不考虑时分别增大了29.7%和71.1%；围岩最大拉应力和最大压应力分别增大了1.6 倍和46.1%。（2）考虑流固耦合作用后，围岩的塑性区明显增大，更容易发生屈服。（3）高压富水隧道开挖后会形成水力临空面，与此同时产生较大的水力坡度，有效应力增大，考虑流固耦合作用所得到的与实际更为接近。对于富水软岩隧道，在设计和施工时要重点进行支护加固，防止隧道发生失稳。