超孔隙水压力作用下某隧洞稳定数值模拟研究

佟文韬

（河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071000）

超孔隙水压力作用下某隧洞稳定数值模拟研究

佟文韬

（河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071000）

为研究在超孔隙水压力作用下隧洞开挖支护后围岩的应力应变特性，以某新建取水隧洞为例，采用数值分析法对隧洞的开挖支护过程进行模拟。结果表明：受超孔隙水压力影响，土体开挖将造成隧洞位移逐渐增大，及时支护后变形量得到控制；隧洞围岩剪应力主要分布在拱顶和洞底两侧，支护后剪应力和剪应变均有所减小；在地表车载作用产生超孔隙水压力后，隧洞拱顶右侧所受剪力和弯矩明显大于左侧。

超孔隙水压力；隧洞；数值分析；应力；弯矩

在传统水利工程中，取水隧洞常作为导流和放空的水工建筑物使用。隧洞开挖后，使得原有封闭的岩体被揭露，并与周围的外界环境相接触，外界环境因素的改变对岩体的变形与损伤弱化影响作用明显，尤其是水的存在会对岩体结构的稳定性具有重要影响［1］。Cai等［2］提出了地下洞室开挖完成后脆性岩体裂纹起裂和裂纹损伤的应力门槛值，并根据隧洞开挖后围岩的应力重分布判断开挖损伤区的大小；Carter等［3］通过对岩体不同开挖速率进行研究，发现岩体开挖卸荷速率越快，对围岩的破坏越大；Ma［4］和Zhu［5］采用数值模拟的方法，研究了爆炸荷载作用下岩体的损伤及裂纹扩展过程；王媛等［6］采用颗粒流PFC3D软件对隧洞突水、突泥的全过程进行模拟，发现突水发生的前提是存在集中的高压水源，水源压力的大小、岩体强度、岩体裂隙性状是影响突水的主要因素。

纵观现有的隧洞研究成果，主要针对岩体开挖损伤和渗流对围岩稳定性方面的研究，而基本忽略了外界荷载对隧洞短时间作用时产生超孔隙水压力作用下围岩稳定的影响。因此，本文基于Plaxis渗流有限元程序，在考虑车载瞬时作用产生超孔隙水压力的基础上，研究隧洞在开挖、支护后围岩和加固结构体的应力应变特性，旨在对隧洞的稳定性做出评估，为后期工程建设的顺利开展提供参考。

1 隧洞概况及模型建立

某新建取水隧洞为无压段隧洞，城门洞型，设计的侧墙高度1．85m，顶拱为半径0．75m半圆形结构，50cm厚钢筋C25混凝土衬砌。隧洞坡度i=0．0015，出口底板与干渠相连。目前，取水隧洞已经顺利挖通，但由于隧洞所处地质条件较差，在后期施工过程中洞内土体出现了局部坍塌掉落现象，给工程的顺利施工造成了不利影响。

选取隧洞开挖剖面4-4进行分析，根据实际地形建立有限元计算模型，最大高度15m，宽13m，顶部距拱顶6m，地表存在宽4m的公路，因此需考虑过车荷载的影响，均布荷载取20kN/m，地下水埋深3～4m。最终建立的取水隧洞开挖模型如图1。

为了研究隧洞从开挖到支护过程中隧洞各部位发生的位移变化，选取隧洞边界4个点作为监测，并编号A，B，C，D，其中A位于拱顶点，B和D位于洞底两侧，C位于洞底中部，具体监测点布置如图1（b）。

图1 取水隧洞开挖模型及相关尺寸

根据隧洞地层结构及其工程勘察报告，取水隧洞围岩分级为Ⅳ类，岩体质量较差，主要为强风化泥岩，遇水后强度将大大降低，相关力学参数如表1。C25钢筋混凝土采用板单元模拟，输入相关的刚度参数即可［7-9］。

表1 相关力学参数

隧洞模型建好后，需对隧洞地下水进行初始水力计算。地表施加了车载，属于外部荷载，当土体受到外力挤压，土体颗粒内将产生超静孔隙水压力，且车载作用时间较短，超静孔隙水压力来不及消散，将在一定时间内存在于岩土体内部，如图2。一般来说，超孔隙水压力会随着时间的推移逐渐消散，属于土体固结过程，本文暂不考虑［10-12］。

图2 车载作用下隧洞围岩超静孔压分布

2 计算结果及分析

2.1 围岩位移分析

由于隧洞土体开挖卸荷的影响，隧洞周边岩体将发生不同程度的变形，图3给出了隧洞开挖后模型发生的水平和垂直方向位移，规定水平位移向右为正，垂直位移向上为正。

分析可知：在水平方向上，隧洞发生水平位移的区域主要集中在侧墙外部岩体，向隧洞内侧变形，且由内向外逐渐减小，左右两侧的位移云图基本对称，左侧最大值2cm，右侧最大值2．5cm，说明隧洞右侧土体发生的水平位移稍大，这是由于隧洞右侧位于公路以下，受地表的车载压力传递造成的，如图3（a）。

在垂直方向上，隧洞发生垂直位移主要分布在拱顶及洞底一定深度范围内的土体。受上部覆盖土压力和车载的影响，拱顶发生向下的垂直位移，最大值2．2cm，并在拱顶与公路间的土体内形成1．5cm的沉降带。而隧洞底部土体由于受卸荷回弹作用明显，发生垂直向上的回弹位移，最大值1．4cm，且深度越深，回弹量也越小，如图3（b）。

图3 隧洞开挖后位移云图

图4给出了不同计算步隧洞开挖支护后测点垂直位移变化情况，其中前2步为施加重力和地下水作用，之后将位移清零，3～9步表示隧洞开挖，9步以后开始衬砌支护。分析可知，在开挖阶段，隧洞各部位发生的位移逐渐增大，其中位于拱顶的A点沉降明显，底部出现较小的回弹变形，当及时采取支护措施后，各点位移基本保持稳定并不再变化。

图4 隧洞开挖支护后测点位移变化

综上所述，本隧洞工程开挖完成后及时采取支护措施，有利于控制隧洞围岩的变形。相反，如果隧洞开挖后支护措施相对滞后，任由其发展，围岩沉降量将随时间的推移出现不可逆的增加，此时再进行支护为时已晚。因此，对于类似工程隧洞开挖后的Ⅳ类围岩必须及时采取支护措施。

2.2 围岩应力应变分析

由于本工程隧洞开挖后稳定性较差，有必要进一步对围岩进行应力应变分析。岩体开挖后围岩临空，破坏形态往往可以分为拉破坏和剪切破坏两种［13］，而本工程涉及的围岩为强风化泥岩，遇水浸泡后几乎没有抗拉强度，因此本文应力分析以剪切破坏为主。

图5为隧洞开挖后围岩的剪应力分布。分析可知，剪应力主要集中分布在拱顶和洞底两侧，支护前最大剪应力为-98kPa，支护后剪应力分布范围得到控制，最大剪应力-91kPa，比支护前有所减小。

围岩在剪应力作用下，将发生相应的剪切变形。剪切应变γ计算公式：

图5 支护前后隧洞剪应力τ分布对比

式中θ为岩体材料将发生偏斜的偏斜角。

由于剪应变数值较小，且为无量纲，因此剪应变的单位用%或10-3%表示。

图6（a）表示了隧洞支护前的剪应变分布，发现剪应变主要分布在隧洞底部两侧与侧墙交点位置，最大剪应变在0．12%～0．14%之间，拱顶两侧剪应变大小为0．05%。当及时采取支护措施后，围岩剪应变得到有效控制，剪应变最大值位于洞底右侧，仅为1．9×10-3%，左侧和拱顶的剪应变更小，具体如图6（b）。

图6 支护前后隧洞剪应变对比

2.3 衬砌受力变形分析

本文采用了板单元模拟了相应厚度的钢筋C25混凝土衬砌，需对其变形和受力状态进行分析，以便评估衬砌的安全性和可靠性。图7为衬砌的位移矢量，剪头指向为发生位移方向，发现侧墙中部向内变形明显，最大变形量2．44cm，拱顶圆弧结构表现为下沉、大小相等，洞底中部发生向上的垂直位移，往两侧递减。图8为衬砌的轴力图，数值为负值，说明结构主要受压，最大值位于拱顶中部，为-8．07kN，其余部位轴力相对较小。

图7 衬砌位移矢量（极值2.44cm）

图8 衬砌轴力图（极值-8.07kN）

图9 衬砌剪力（极值5.13kN）

图9和图10分别为衬砌结构所受剪力和弯矩图。根据材料力学知识可知：在剪力FQ=0处，弯矩取得极值，说明本文计算结果是正确的。其中最大剪力发生在拱顶右下侧，为5．13kN，而最大弯矩位于拱顶右侧圆弧中部，为1．64kN·m。衬砌结构右侧所受剪力和弯矩明显大于左侧，这是由于右侧地表施加了车载造成的。

图10 衬砌弯矩（极值1.64kN·m）

3 结语

以某新建取水隧洞为例，采用数值分析法对隧洞的开挖支护过程进行模拟，重点研究了在超孔隙水压力作用下，隧洞围岩的位移和应力应变特性及支护结构的受力变形情况，得到以下结论：

（1）隧洞受开挖卸荷影响，侧墙发生相向的水平位移，拱顶下沉2．2cm，洞底最大回弹位移1．4cm。隧洞的开挖施工将造成各部位垂直位移逐渐增大，及时采取支护措施有利于控制隧洞变形。

（2）隧洞围岩剪应力主要分布在拱顶和洞底两侧，采取衬砌支护后，最大剪应变有所减小，最大剪应变由0．12%～0．14%减小到1．9×10-3%。

（3）衬砌结构的变形量在允许范围内。受右侧地表车载影响，隧洞拱顶右侧所受剪力和弯矩明显大于左侧。结构计算成果可为工程加固结构的设计提供参考。

综上所述，在对此类含水量较多的岩土隧洞进行开挖支护模拟时，若可能出现短时间作用的外部荷载，需考虑超孔隙水压力的影响。

［1］唐世斌，唐春安，李连崇，等．湿度扩散诱发的隧洞时效变形数值模拟研究［J］．岩土力学，2011，32（S1）：697-703．

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（责任编辑：尹健婷）

Numerical simulation study of a tunnel stability under excess pore water pressure condition

TONG Wen-tao
（Baoding Hydrology and Water Resources Survey Bureau，of Hebei Province，Baoding 071000，China）

In order to study the effect of excess pore water pressure and tunnel excavation support after supporting of surrounding rock，taking a tunnel as an example，the tunnel excavation process is simulated.The results show that：the soil excavation will cause tunnel displacement increasing gradually，deformation could be controlled with timely support；tunnel surrounding rock shear stress is mainly distributed in both sides of the vault and the bottom of the cave，and the shear stress and shear strain decreases after support；the tunnel shear stress and bending moment is larger than the left significantly when considering the surface vehicle on the right side and with excess pore water pressure.

excess pore water pressure；tunnel；numerical analysis；stress；bending moment

TV672+.1；U45

：B

：1672-9900（2017）02-0017-05

2017-01-10

佟文韬（1983-），男（汉族），河北保定人，工程师，主要从事水利工程方向研究，（Tel）18932653705。