周利梅

(重庆电讯职业学院,重庆,402247)

随着交通网络的发展，隧道工程已经越来越普遍地运用在各种交通网络中。我国是山川众多且地质复杂的国家，而隧道多建于地质构造复杂的区域，在修建过程中难以避免地会遇到岩溶地貌区域。岩溶地质主要是可溶性碳酸盐类岩石经过长时间流动水的侵蚀而形成的，当隧道施工穿越深埋岩溶区域时，施工难度大大增加，稍有不慎会导致围岩失稳坍塌或隧道涌水突泥等工程事故[1]。由于岩溶发育成因复杂，如何在施工中保证围岩稳定性一直是众多学者研究的焦点[2-5]。冯源[6]利用极限分析理论对深埋隧道的失稳模式以及岩溶区距隧道最小安全距离进行了研究，并推导出围岩失稳面的解析方程。周超月等[7-9]依托工程运用试验与数值分析手段对深埋岩溶隧道围岩压力以及初期支护内力的变化规律进行了研究。蹇宜霖等[10-12]利用超前预报技术和理论分析方法对穿越高压富水区隧道工程进行注浆参数研究。本文依托重庆某隧道工程对岩溶隧道处于深埋高压富水区域时围岩开挖失稳的影响要素展开分析，从隧道施工前后水平、竖向位移变化等多角度分析围岩级别、隧道埋深、水位高度等因素变化对围岩稳定性的影响，并将数值模拟结果与实际监测数据进行分析对比，研究结果有利于依托工程的顺利进行。

1 工程概况

1.1 工程概况及支护参数

某隧道工程全长2 835 m，地质勘测资料表明，处于K1+000～K1+920和K0+510～K1+750这2个地段的地下水丰富且岩溶充分发育，其岩层主要由灰岩、泥岩夹层组成，围岩级别为Ⅳ级，且隧道最小埋置深度达140 m。这2个地段岩溶水主要位于隧道上方50 m处且富水量十分丰富，对围岩的施工稳定性危害极大，为隧道开挖突水发生的重点监控地段。在岩溶发育段根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程(JTG 3370.1—2018)》设计为V级围岩支护并利用台阶法进行开挖。该隧道施工初期支护和二次支护实际参数见表1。

表1 支护参数表

1.2 计算模型建立

在深埋高压富水区岩溶隧道施工中，水位的高度、岩溶体的围岩级别和水饱和状态下的隧道埋置深度是影响围岩稳定性的主要因素。根据工程实际，选取有代表性的横断面进行分析，能够真实反映围岩开挖过程中受力情况。根据地勘资料，左线ZK1+120断面所处位置岩溶充分发育，粉质黏土夹杂软弱破碎岩石，围岩松散且稳定性极差。距上方富水区域70 m，地表水与地下水已相互贯通，极易造成坍塌、突水等事故。根据此典型断面情况建立模型：隧道埋深D=80 m，考虑到减小边界效应可能会对结果产生一定干扰，故在隧道中心两侧各取60 m以减小干扰，下取至隧道底面以下40 m处，上取至地表处。模拟隧道开挖过程每10 m为1个循环。除地表处设置为透水边界外，其余边界均为不透水边界，初始水压力P=0。该断面设计为Ⅴ级围岩加强支护区域，初支采用厚度为0.35 m的C25喷射混凝土，二次支护采用厚度为1 m的C25整体式混凝土结构，具体模型网格划分与围岩力学参数见图1和表2。

图1 计算模型网格

表2 围岩物理力学参数

1.3 流固耦合分析

隧道施工过程中围岩稳定性受应力场和渗流场二者共同作用影响是隧道穿越岩溶区域时的一个典型特征，具体体现在2个方面：一是当裂隙岩性体中的动水产生渗透作用时将会改变裂隙岩体中的初始应力状态；二是裂隙岩体中应力状态的变化又会引起岩体内部结构状态发生变化，进而改变岩体内部的渗透性能使渗流场发生变化。

1.3.1 渗流场与应力场相互作用原理

裂隙岩体内部应力环境的变化通过裂隙岩体内部静水压力和动水压力的综合作用得以实现，依据水力学原理渗流体积力计算公式[13]为

式中：f为渗流体积力；γw为水的容重；fx,fy和fz-f分别为在x，y和z方向的分力；Jx,Jy和Jz分别为单元在x，y和z方向的水力坡降。

进行有限元分析时渗透体积力经过转换为单元节点荷载参与应力场计算，计算渗流体积力的公式为

推导出由渗流体积力转换为单元节点载荷的公式为

1.3.2 流固耦合计算步骤

流固耦合数值分析步骤如下：

1)建立初始地层模型并进行位移、应力、渗流边界约束，进行迭代计算直至平衡，以模拟初始岩体受力状态。

2)输入渗透系数等参数开始渗流分析计算，将所得渗透体积力转化为单元节点荷载施加到应力分析计算中。

3)进行隧道开挖同时设置衬砌结构单元，迭代计算并达到平衡状态。

重复步骤直至结果满足精度要求。

2 围岩稳定性影响因素分析

现针对水位的高度、岩溶体的围岩级别和水饱和状态下的隧道埋置深度这3个影响因素对隧道开挖渗流场、位移场以及关键部位的位移变化展开分析。

2.1 隧道埋深

设隧道拱顶至仰拱的距离为隧道直径D，现隧道埋深分别取为D，2D，4D和8D4种工况进行分析。其中，隧道埋深为D和8D条件下围岩塑性区与位移场分析见图2，在4种工况条件下隧道周围关键部位的水平与竖直位移变化规律见图3。

图2 工况1(左)与工况4(右)围岩塑性区、位移场分析图

从图2可以看出：在隧道开挖过程中，隧道四周均开始发生塑性变形，但随着埋置深度的增加，隧道两侧中部由先前以拉压应力变形为主，逐渐转变为以剪应力变形为主，且塑性变形区域逐渐向外扩展，形成闭环破坏，围岩稳定性不断下降；而在隧道开挖后，在竖直方向其位移场变化云图形似泡状，这是由于隧道开挖后拱顶上方突然失去支撑产生向下沉降的趋势而拱底由于荷载突然消失产生向上隆起的趋势；随着隧道埋深的增大，隧道拱顶与拱底的位移变化也逐渐增大，且影响的区域逐渐扩大，而隧道两侧位移变化相对较小。

由图3可知：当隧道开挖时，隧道周围各个关键部位位移均随着埋深的增加而增大；位移变化方向都是朝着隧道洞内方向且位移变化绝对值最大发生在拱顶处，最小发生在拱脚处；但是，受埋深变化影响最大发生在拱脚处而影响最小发生在拱底处，受埋深变化影响最大的拱脚处工况1的竖向位移s=0.08 mm，而工况4的竖向位移s=0.74 mm，增大了9.25倍，而拱底处竖向位移由工况1位移s=0.53 mm到工况4位移s=1.14 mm，仅增大了2.15倍。由图4还可得知:隧道各关键部位的水平与竖向位移与埋深呈线性正相关，围岩稳定性随着埋深增加逐渐下降。

1—拱顶点；2—拱肩点；3—拱腰点；4—拱脚点；5—拱底点

2.2 水位高度变化

采用Ⅴ级围岩力学参数，水位线取距离隧道拱顶以上0，10，20，40，50和80 m 6种工况进行分析。图4所示为工况6条件下隧道周围渗流力、塑性区变化分析图。在6种工况条件下，隧道周围关键部位的水平与竖直位移变化规律见图5。

图4 工况6渗流场、塑性区分析图

1—拱顶点；2—拱肩点；3—拱腰点；4—拱脚点；5—拱底点

由图4可知：隧道开挖前孔隙水压力呈水平层状分布，隧道开挖之后掌子面周围突然卸荷，周围孔隙水压力瞬间减小并向隧道内部流动，孔隙水压力分布图形状类似于漏斗状；随着水位线升高，隧道周围单元均发生塑性变形且区域逐步扩大，尤其是隧道两侧墙壁的塑性区域发展速度要比拱顶和拱底的发展速度要快，但当地下水位高度为隧道直径6倍以上时，渗流力对隧道周围稳定性的影响变化不再明显。

由图5可知：当水位高度增加时，拱顶处发生竖直向下的变形且位移变化绝对值最大，工况1的竖向位移为5.40 mm，工况6竖向位移增大至7.98 mm，增大了1.5倍；而拱底处发生竖向向上的隆起，虽位移变化绝对值不大，但受水位变化影响的程度最大，当水位线高度由隧道拱顶以上0到80 m时，拱底处的位移变化值增大了4.75倍。由图5还可看出：当水位高度增加至隧道直径6倍以上时，隧道各个关键部位的水平、竖向位移增大幅度明显减小并逐步趋于稳定，恰与塑性区分析结果显示一致。

2.3 围岩级别

为分析不同围岩条件下隧道开挖对掌子面稳定性的影响，现取Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ级围岩4种工况处于地下水饱和状态下进行分析，参数采用见表2。如图6所示，隧道围岩级别越大，隧道四周单元塑性变形发展范围越广，且均呈闭合成环状，尤其是隧道两侧腰部塑性变形要比竖直方向要大，分布范围更广，发展速度要比其他关键部位相对较快。从图7可见:当围岩处于Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ级别时，隧道各关键部位的竖向、水平位移相对变化不大，位移增加量相对较小，但当处于Ⅴ级围岩状态下时，隧道各关键部位竖向、水平位移突然增大，这主要是由于Ⅴ级围岩岩体破碎，整体性差，孔隙率大，尤其有地下水的影响，因此，位移变化显著。从图7还可看出，隧道拱腰部位水平位移对围岩级别的变化最为敏感，工况1条件下拱腰处水平位移仅为0.46 mm，而工况4条件下水平位移增大至11.12 mm，增大了24.17倍。围岩竖向位移受围岩级别影响的部位由大到小分别是拱顶处、拱肩处、拱底处、拱腰处、拱脚处。

图6 工况1(左)与工况4(右)围岩塑性区分析图

1—拱顶点；2—拱肩点；3—拱腰点；4—拱脚点；5—拱底点

3 现场监控量测数据对比分析

在隧道施工现场，针对左线ZK1+120断面进行了拱顶沉降与水平收敛情况的现场监控量测。从图8可看出，在高水压岩溶发育地段，隧道开挖后前18 d，拱顶沉降与水平收敛变化非常显著，位移明显增大，待上台阶进行支护并产生强度后位移变化明显减小。当初期支护完全闭合后拱顶与周边位移变化趋于稳定。最终现场监控的拱顶沉降值为-25.05 mm，水平收敛值为-14.53 mm。由此可看出，及时支护仍然是稳定周围岩体保证安全的主要手段。

图8 ZK1+120断面拱顶沉降与水平收敛随时间变化图

表3所示为数值计算与现场实测数据对比情况，也验证了文章中分析方法的合理性。从表3可见：考虑渗流力使分析结果更加接近现场实际受力情况，因此，在深埋高水压岩溶区域必须考虑地下水对围岩稳定的影响。而现场勘测出的结果略小于文中分析结果，这可能是由于现场布控观测点只能等初支结束稳定时进行，但前期已经产生较大变形，因此，监控不及时导致实测结果略小。

表3 数值计算与现场实测数据对比情况

4 结论

1)隧道埋深、地下水位高度、围岩级别是影响围岩稳定的主要因素，隧道开挖后隧道周围逐渐产生闭合型塑性变形且塑性区域不断扩大，位移场变化云图形式泡状，这是由于隧道开挖后拱顶上方突然失去支撑产生向下沉降的趋势，而拱底由于荷载突然消失产生向上隆起的趋势。

2)不同影响因素变化对隧道关键部位的影响程度也不同，受埋深变化影响最大处发生在拱脚部位而影响最小处发生在拱底部位；受地下水高度变化影响最大处发生在拱底部位而影响最小处发生在拱脚部位；受围岩级别影响最大处发生在拱顶部位而影响最小处发生在拱脚部位。

3)在实际施工现场监控的最终拱顶沉降值s=-25.05 mm，而水平收敛值s=-14.53 mm。文中考虑渗流力的结果更加接近监控结果，验证了分析方法的合理性，但现场实测结果略小于文中分析结果，这可能是由于监控不及时导致实测结果略小。