隧道不良地质段施工技术探讨

高川川

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

在不良地质段开挖隧道具备一定的难度，通常开挖完隧道后容易导致工程事故的发生。特别是地下水位较高的不良地段，因渗流场的作用容易使隧道在开挖时出现受力以及变形的变化。以某不良地段下隧道开挖区施工以及支护情况作为研究背景，以建立有限元的方式对不良地段隧道衬砌结构因渗流场影响所改变的受力及变形情况进行分析。

1 有限元模型

在不良地质段开挖隧道容易因地下水的影响导致工程事故的发生。利用ABAQUS 软件建立渗流作用下隧道的有限元模型，并以该模型对不良地质段开挖隧道时所受渗流作用的过程进行模拟。模型建立时所选取的围岩尺寸为100 m×100 m，以实际隧道的标准设计尺寸进行建模，具体如图1 所示。为使模型与实际更加贴合，以将透水孔设置在拱脚的方式对支护结构的透水性进行模拟，以便于模拟支护后支护结构的排水性。本模型所采取的断面开挖方式为上下台阶法。

2 渗流参数分析结果

分析开挖导致的孔隙水压力及孔隙比变化。将开挖隧道前孔隙水压力为0 的点设置在顶面以下-20 m 处，将孔隙比的初始值设定为0.2，在该状态下，随着深度的不断增加孔隙水压力不断上升。

边界处开挖时，该处的孔隙水压力因渗流作用散失约束而得以释放降低。将不透水层设定为衬砌，并在拱脚处安放透水层，在衬砌完成施工后，因限制了边界的渗流，使得最终孔隙水压力表现为有负值出现在拱顶以及拱底处，意思既该处无水，因为拱脚处透水层的存在，因此衬砌施工完成后，使孔隙水压力表现为拱顶以及拱底处数值不断上升，并有较大的水压保持在两侧拱腰处。

随着隧道的不断开挖，拱顶和拱底两处孔隙比所呈现规律为不断的上升，而拱腰处则是不断下降，总体而言所呈现的规律为对称分布。与拱顶孔隙比的增加量相比，拱腰处的孔隙比降低量较小，分析原因可知，拱顶处主要是因为竖向位移所导致孔隙比增加，而拱腰处主要是因为水平位移所导致的孔隙比降低。

为对隧道开挖各个过程孔隙比以及孔隙水压力的变化规律进行研究，将两者关系绘制如图2、图3 曲线图所示。

图1 有限元网格

从图2 中可知，随着开挖支护施工的不断进行，孔隙水压力所呈现的趋势为孔隙水压力在开挖之后较快的降低，而在支护完上台阶之后，孔隙水压力不断的上升，呈现出最终孔隙水压力相对变化较小的规律，从其变化的趋势可看出，孔隙水压力所受到的开挖支护下断面的影响较小，主要影响因素为开挖上台阶之后的孔隙水压力得到释放为主。两侧拱脚处所呈现的变化规律基本相同，且其仅有较小的孔隙水压力变化。拱顶处的变化的孔隙水压力程度相比拱底较低，原因在于其下部初始的孔隙水压力较大，在开挖完上台阶之后，孔隙水压力得到较为迅速的释放，但在完成支护之后，排水边界仅依靠所预留的排水孔提供，因此，随着时间的不断增加，孔隙水压力不断上升，但其最终所能得到的释放程度较小。

根据图3 的模拟结果可知，随着隧道的不断开挖，孔隙比的变化规律同孔隙水压力的变化规律一致。孔隙比在两侧的拱脚处不断降低，而拱顶以及拱腰则表现为不断上升，并且相比于拱腰处孔隙比的增大量，拱底处的增加量较大。但拱顶和拱底孔隙比的增加量与拱腰减小量的相对比值较小。

图2 孔隙水压力随隧道开挖的变化曲线

图3 孔隙水孔隙比随隧道开挖变化曲线

3 渗流作用下隧道位移随开挖的变化

3.1 围岩应力的变化

在拱顶及拱底处的水平应力变化规律为向右，而在拱腰处的水平应力变化规律为向左。相比于拱腰，拱脚处有较大的水平应力。应力分布方式为对称分布，且有应力尖角出现在拱顶及拱脚两侧。

拱顶及拱底处的竖向应力释放较为明显，仅有较小的竖向应力。在拱脚处有相对较大的水平应力，并呈现出对称分布的形式。

为对分析隧道围岩应力的变化，将开挖隧道时的应力变化绘制成如图4、图5 所示曲线图。

从图4 可知，在拱脚处围岩的竖向位移有向上挤压的趋势，因此在该条件下竖向应力相应上升，但下台阶在开挖后的竖向位移持续性的降低直至初始的时期，因此该种情况下的竖向应力也有所下降。拱顶处位移的变呈现出先降低后上升的趋势，主要是因为在孔隙水压力在完成支护不断上升。

图4 竖向应力随隧道开挖过程的变化曲线

从图5 可看出，围岩的水平位移及水平应力变化规律一致。因为拱腰呈现出先缩小再增大的变化趋势，因此应力具有先降低后增大的趋势，拱顶及拱底的变化也相应的具有下降趋势，但因改变了孔隙的水压力，导致有明显的应力下降。

3.2 衬砌结构的应力变化

图5 水平应力随隧道开挖过程的变化曲线

隧道开挖后的支护结构竖向及水平应力变化规律。①拱顶处衬砌的水平应力较小，拱底则具有相对较大的水平应力。根据拱腰位移的变化和排水边界，可知拱腰具有相对较大的水平应力；②竖向应力在拱顶及拱底处较大，而拱顶两侧则是相对较小的竖向应力，衬砌内边界的竖向应力则相对较大，整体上呈现出对称的应力分布。因为结构变形的特点导致拱腰应力的分布所表现的趋势为向上变化。

在完成开挖到施加支护的这段时间里，由于衬砌尚未施工而没有应力的变化。既下台阶施工衬砌前，没有竖向应力在拱腰和拱底处产生，拱腰则是因为向上变化的规律，导致其呈现的应力变化规律为不断上升。在上台阶衬砌完成施工之后，拱顶的竖向应力随之发生改变，并在初始阶段有较为迅速的上升。在完成衬砌的施工后，拱顶的水平应力随其位移的变化而变化，但其改变量相对较小。而仅在完成下台阶的衬砌施工后，拱腰及拱底才会出现应力变化，根据围岩位移的水平变化趋势，这两处的应力变化呈现出增加的趋势。

4 结语

通过上述分析，主要得出下列结论：①孔隙水压力会由于隧道的开挖而不断下降，并且其孔隙水压力随开挖区域的距离呈现出距离越远变化越低的规律。但在衬砌完工后，拱腰处呈现出孔隙水压力不断上升的现象，而拱脚处则变化不大，主要是因为在拱脚处设置了隧道衬砌排水口所致；②在渗流场的作用下，最大的水平应力出现在拱腰位置，而拱顶处的竖向应力最大。在施工衬砌结构前应加固拱顶及拱腰。

通过对比无渗流场作用下开挖隧道时的围岩变形和应力及衬砌受力，得出结果为：隧道围岩的变形及应力在有渗流场作用时更大，且衬砌的最大水平应力出现在拱腰处。因此建议在开挖隧道前应对拱腰位置采取系统锚杆注浆的方式进行加固。