穿越多软弱夹层的公路隧道围岩稳定性分析

摘要：为探究软弱夹层数量对隧道围岩稳定性的影响，文章依托某多软弱夹层公路隧道实际工程，运用FLAC3D有限差分软件建立多软弱夹层隧道计算模型，通过典型断面数值反演，并结合实际监测结果，验证数值模型和研究方法的可靠性，得到如下结论：（1）对比分析数值仿真结果与监测数据可知，典型断面围岩变形模拟值和监测值变化趋势一致，模拟值略小，差值在容许范围内，即数值模型可行；（2）对比4种工况模拟结果可知，软弱夹层对隧道围岩稳定有较大影响，围岩变形、应力、塑性区范围随软弱夹层数量的增加而增大，且在软弱夹层附近出现集中，显著增加了隧道破坏风险；（3）围岩位移受软弱夹层影响最大，故应当将其作为穿越多软弱夹层的公路隧道围岩稳定性的判断标准。

关键词：多软弱夹层；数值反演；隧道围岩稳定；FLAC 3D

0引言

随着国民经济的不断发展，公路交通发展迅速，我国隧道事业建设水平也不断提高。我国地形、地质情况复杂多样，由于地形条件的限制，公路隧道建设不可避免地需要穿越地质条件复杂的地带。软弱夹层作为常见的不良地质，对隧道围岩稳定有极大的影响。大量工程实践表明：隧道失稳和坍塌大多发生在软弱夹层附近，而穿越多软弱夹层的隧道，其围岩失稳破坏情况更加严重。因此，进行多软弱夹层条件下的隧道围岩稳定性研究十分必要。

何知思［1］采用Midas GTS软件建立软弱围岩隧道模型，分析夹层厚度、倾角、位置等指标对隧道围岩稳定性的影响，根据影响程度对软弱夹层围岩进行分级，并依托某高铁隧道工程实例验证该分级方法的可靠性。石少帅等［2］依托宜巴高速公路隧道工程实例，针对该区软弱夹层不良地质，采用FLAC 3D软件模拟不同倾角及位置的软弱夹层对围岩稳定的影响，得出围岩变形及应力分布规律。万桂军等［3］以贵州某高速公路隧道为研究对象，采用FLAC 3D软件建立浅埋小净距软弱夹层段隧道三维计算模型，研究含软弱夹层段隧道在开挖过程中的围岩变形、受力响应规律。郭富利等［4］结合工程实际，考虑软弱夹层与隧道掌子面围岩的各种组合方式，通过室内试验建立软弱夹层隧道围岩的力学模型，揭示软弱夹层围岩变形失稳机理。文海家等［5］基于某山岭隧道工程实例，运用FLAC 3D软件模拟穿越两条软弱夹层隧道的开挖过程，深入研究隧道开挖的破坏模式，对比分析含单条和两条软弱夹层隧道围岩破坏模式的差异性。

为探究软弱夹层数量对隧道围岩稳定的影响，本文依托某多软弱夹层公路隧道实际工程，运用FLAC 3D软件建立多软弱夹层隧道计算模型，通过典型断面数值反演，并结合实际监测结果，验证数值模型和研究方法的可靠性；考虑夹层数量对围岩的影响，模拟4种工况隧道的围岩变形、应力及塑性区发展情况，进行隧道围岩稳定性分析。

1 依托工程概述

依托工程为在建公路中长隧道工程，隧道总长为1 175 m，埋深约为150 m。隧道所在区域为构造剥蚀中低山丘陵地貌，地势起伏较大，上覆碎石土和粉质黏土，下伏砂岩、泥岩及页岩。地表水主要为降雨所致地表径流；地下水不发育，主要为基岩裂隙潜水。隧道围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级，主要由中风化砂岩和少部分夹泥岩、强风化软岩等软岩组成。隧道附近有多条软弱夹层，围岩较软，完整性和自稳性较差。隧道开挖过程采用喷射混凝土进行初期支护。

2 模型建立及工况设置

选取该隧道段某穿越多软弱夹层的典型断面进行数值仿真分析。该断面主要以灰色中风化砂岩为主，断面围岩节理裂隙发育，完整性差，局部松散破碎，泥岩填充裂隙从而形成软弱夹层。掌子面位置共计两条软弱夹层穿过隧道，围岩整体性和自稳能力较差。

运用FLAC 3D软件建立隧道三维计算模型，如下页图1所示（仅展示典型断面模型）。考虑隧道的空间效应，计算模型整体宽100 m、高100 m、纵向深28 m。隧道洞口宽11.21 m、高8.69 m，位于计算模型中心位置。隧道采用台阶法开挖，模型以每天掘进2 m作为一个施工步模拟开挖过程，监测开挖过程中监测断面（隧道开挖方向中心位置）围岩变形、应力情况。计算模型选用Ⅳ级围岩和Ⅴ级软弱夹层，软弱夹层及围岩均选用实体单元，采用Mohr-Coulomb本构模型，软弱接触面选用接触面单元，具体物理力学参数设置如表1所示。隧道开挖考虑初支喷射混凝土，弹性模量20.5 GPa，泊松比0.2，等效厚度為25 cm。

先将典型断面数值仿真结果与实际监测数据进行对比分析，以验证数值模型的可靠性。该断面共设置两条软弱夹层：第一条软弱夹层（厚度为2.5 m）以30°角穿过隧道中心；第二条软弱夹层（厚度为20 m）位于隧道右下方，角度为33°。

考虑到隧道沿线软弱夹层分布情况存在差异，隧道周围可能出现存在多条软弱夹层的情况，故而建立不同夹层数量（0～3条）的隧道模型，进行4种工况隧道围岩稳定性分析，指导多软弱夹层隧道设计。工况1：无软弱夹层；工况2：1条穿越隧道中心的软弱夹层；工况3：在工况2的基础上增加一条位于洞口上方的软弱夹层（距隧道洞口1 m）；工况4：在工况3的基础上增加一条位于洞口下方的软弱夹层（距隧道洞口1 m）。软弱夹层相互平行，夹层厚度为1 m、倾角为45°。软弱夹层设置如图2所示。

3 结果分析

3.1 典型断面对比分析

拱顶沉降和洞周收敛分析结果如图3所示。由图3可知，拱顶沉降大于洞周收敛，符合工程实际。随着开挖的进行，拱顶沉降及洞周收敛的监测值和模拟值变化趋势均保持一致，变化曲线近似抛物线，变化过程可分为3个阶段：（1）急速增长阶段（0～8 d），位移变化量占总变化量的60%～70%；（2）缓慢增加阶段（9～19 d），位移变化量占总变化量的25%～30%；（3）稳定不变阶段（20～28 d），位移变化量占总变化量的0～5%。拱顶沉降和洞周收敛主要集中在前期监测掌子面开挖以前，开挖以后对监测掌子面的扰动变小，对应的围岩位移发展变小。由于数值模拟方法与实际施工存在差异（数值模拟支护措施立即生效，而实际施工支护措施生效时间滞后，围岩已发生一定程度的变形），造成整体上模拟值小于实测值，但总体差值较小，且变化趋势一致，说明模拟结果的可靠性及数值方法模拟多软弱夹层隧道的可行性。

3.2 四种工况隧道围岩稳定性的影响

3.2.1 围岩位移

不同工况下的隧道竖向位移最大值曲线如图4所示。由图4可知，随着软弱夹层数量的增加，最大正向位移线性增大；最大负向位移先缓慢增大，然后急剧增大，最后保持平稳。由此可见，软弱夹层数量及位置分布对竖向位移影响很大，且拱顶沉降（负向位移）对软弱夹层的数量和位置变化更加敏感，第二条软弱夹层靠近隧道顶部，导致顶部沉降显著增大；第三条软弱夹层离隧道顶部较远，对顶部沉降影响相对较小。工况1掌子面无软弱夹层存在，开挖完成后围岩竖向位移以隧道中心呈左右对称分布，隧道拱底位置发生最大正向竖向位移，拱顶位置发生最大负向位移。分析原因，隧道开挖破坏围岩原始应力状态，导致应力重分布，引起隧底隆起和拱顶沉降。工况2由于隧道中心软弱夹层的加入，破坏了原始的对称分布状态，最大正向位移由拱底中心转移到拱底左侧与软弱夹层交汇的地方。工况3拱顶左侧（靠近上方夹层处）出现最大负向位移，正向位移和负向位移相比于工况1、工况2显著增大，即拱顶沉降急剧增加，因此上方软弱夹层的存在显著增大了围岩变形，加剧了隧道失稳破坏的风险。同样，由于下方软弱夹层的存在，工况4最大正向位移转移到拱底右侧，上方负向位移与工况3相比变化较小。

不同工况下的隧道水平位移最大值曲线如图5所示。由图5可知，随着软弱夹层数量的增加，正向位移变化更加明显，其先保持不变，然后急剧增大，最后保持平稳；负向位移逐渐增大，在下方夹层加入后增大明显。开挖完成后，工况1围岩水平位移以隧道中心呈左右对称分布，最大正向水平位移和最大负向水平位移位于左右拱腰位置，拱腰围岩向临空面发生位移。由于软弱夹层的加入，工况2的水平位移不再呈左右对称分布，最大水平正向位移位置和大小没有发生变化，最大负向水平位移增大，并转移至隧道右侧拱腰软弱夹层交汇位置。工况3隧道左侧拱腰距软弱夹层最近位置发生最大正向水平位移，正向位移显著增大，说明上方软弱夹层对隧道左拱腰的水平位移影响较大，应加强该位置的支护与检测；负向位移也增大，最大负向水平位移发生在隧道右侧拱腰软弱夹层交汇位置。由于下方软弱夹层的加入，工况4的最大水平正向位移和最大负向水平位移均发生在隧道拱腰与软弱夹层的交汇位置，与工况3相比，最大正向水平位移变化较小，最大负向水平位移显著增大。综上，最大水平位移集中在软弱夹层与隧道拱腰的交汇位置，夹层数量的增加会引起隧道位移的增加和位移最大位置的重分布，上下软弱夹层（工况3、工况4）的加入会引起附近位置围岩水平位移的剧烈增加，加剧隧道失稳风险。

3.2.2 围岩应力

不同工况下的隧道最大主应力最大值曲线如图6所示，各工况下围岩的最大主应力均表现为压应力。由图6可知，随着夹层数量的增加，最大主应力总体呈增大趋势，在工况3处显著增大。最大主应力分布随夹层数量和位置的变化而发生改变，工况1围岩最大主应力呈左右对称分布，最大值位于左右拱腰处。工况2因中部软弱夹层的加入，最大主应力不再呈对称分布，隧道开挖卸载后上部围岩挤压拱脚，引起该处的应力集中，左侧最大主应力最大值由拱腰位置发展到拱脚位置。工况3的围岩两侧不再均有应力较大区域，最大主应力较大区域主要集中在围岩右侧，右侧拱脚处发生应力集中现象。工况4左右两侧最大主应力沿夹层发展，主要分布在软弱夹层外侧，且在拱脚处发生应力集中现象。

不同工况下的隧道最小主应力最大值曲线如下页图7所示，各工况下围岩的最小主应力主要表现为压应力，少部分区域表现为拉应力，最大压应力显著大于最大拉应力。由图7可知，随着夹层数量的增加，最大压应力和最大拉应力总体上均呈不断增大的趋势，且在工况3处增加更加明显。同样，不同工况下的最小主应力呈现不同的分布，工况1围岩最小主应力呈左右对称分布，整体上受压，在拱顶和拱底位置出现少量拉应力。相较工况1，工况2压应力基本保持不变，拉应力明显增加，受拉区主要分布在拱底及右侧软弱夹层处，并少量延伸到右拱腰附近。工况3受拉区域有所减少，主要分布在拱顶和拱底位置，拉应力和压应力较工况1、2显著增大。相较工况3，工况4的拉压应力值和拉压区分布变化不大。

3.2.3 围岩塑性区

各工况围岩塑性区发展情况如图8所示，其中，浅灰色表示该区域没有塑性发展；深灰色表示该区域围岩发生破坏（开挖期间），应力值降至屈服面以下。随着夹层数量的增加，围岩塑性区分布不断变化，剪切破坏加剧。

工况1的隧道围岩仅拱底位置没有发生塑性变形，左右拱脚附近区域和右拱腰小部分区域均發生剪切破坏，塑性区整体上呈对称式分布。受软弱夹层影响，工况2的隧道围岩四周塑性区范围整体增大，左拱腰塑性区面积增大，右拱腰塑性区沿第一条软弱夹层向上发展，左右拱脚位置均发生剪切破坏，且左侧受软弱夹层影响破坏面积更大。工况3在两条软弱夹层的共同影响下，整体上塑性区面积明显增加，拱顶左右两侧出现较大的塑性区域，受剪破坏区主要集中在左侧拱脚和拱腰位置，并沿第二条软弱夹层向下发展。工况4整体塑性区范围继续扩展，夹层位置塑性区范围明显增大，塑性破坏区主要集中在右侧拱脚位置，并沿隧道下侧软弱夹层向上发展，中部夹层与隧道轮廓交界位置也发生少量剪切破坏。综上，软弱夹层对隧道塑性发展具有较大影响：随着软弱夹层数量的增加，塑性区面积不断增加，当存在3条软弱夹层时，隧道周围和夹层附近均为塑性区，并沿夹层不断发展。

3.3 判定指标对比分析

为探究软弱夹层数量对围岩位移和应力的影响程度，以工况1（无软弱夹层）的位移、应力值作为基准，将其位移、应力值定为无量纲常数1，其他各工况位移、应力值对应按比例进行调整（各工况值/工况1值），处理完成后的位移、应力无量纲值则代表软弱夹层数量对位移、应力的影响程度大小，绘制各工况软弱夹层数量的变形、应力影响程度曲线如图9所示。由图9可以看出，软弱夹层对各项指标的影响程度由大到小依次为：水平位移、竖向位移、大小主应力。其中，软弱夹层数量对水平位移的影响程度远远大于竖向位移和大小主应力。最大、最小主应力保持一致变化的趋势，而正、负向位移变化趋势则不同，表明软弱夹层数量对大小应力的影响程度保持一致，对正负位移的影响程度有一定差异。因此，通过分析不同工况软弱夹层数量的变形、应力影响程度曲线可知，围岩位移受软弱夹层数量的影响最大，可作为隧道稳定性的判断标准。

4 结语

为探究软弱夹层数量对隧道围岩稳定的影响，本文依托某多软弱夹层公路隧道实际工程，运用FLAC 3D有限差分软件建立多软弱夹层隧道三维计算模型，并结合典型断面监测结果，进行数值反演，验证数值模型的可靠性；模拟考虑夹层数量的4种工况，探究夹层数量对隧道围岩位移、应力和塑性区发展的影响，得到结论如下：

（1）由对比分析结果可知，因数值模拟与实际施工的差异，典型断面模拟值略小于实测值，差值在可容许范围内；拱顶沉降和洞周收敛模拟值和监测值表现为一致的变化趋势，先急速增长，再缓慢增加，最后稳定不变。同时，验证了数值方法模拟多软弱夹层隧道的可行性。

（2）由4种工况的模拟结果可知，软弱夹层的存在对隧道围岩变形、应力及塑性区分布有较大影响。而随着软弱夹层数量的增加，围岩整体变形、应力、塑性区范围均表现为增大趋势，且在隧道周围和夹层附近出现集中现象，加剧了隧道失稳破坏的风险。

（3）分析不同软弱夹层数量时隧道围岩的位移和应力变化情况可知，隧道围岩位移受软弱夹层数量的影响最大，可将其作为隧道围岩稳定性的判断指标。

参考文献：

［1］何知思.隧道含软弱夹层围岩分级及稳定性影响研究［J］.常州工学院学报，2022，35（6）：14-18.

［2］石少帅，李术才，李利平，等.软弱夹层对隧道围岩稳定性影响规律研究［J］.地下空间与工程学报，2013，9（4）：836-842，853.

［3］万桂军，刘春舵，关瑞士，等.浅埋小净距隧道含软弱夹层段开挖变形与围岩应力分析［J］.公路交通科技，2022，39（7）：131-138.

［4］郭富利，张顶立，苏 洁，等.含软弱夹层层状隧道围岩变形机理研究［J］.岩土力学，2008，29（S1）：247-252.

［5］文海家，胡 晶，谢 朋，等.含2条软弱夹层的隧道围岩开挖过程破坏模式研究［J］.中国公路学报，2018，31（10）：220-229.

作者简介：庞杰忠（1981—），工程师，主要从事公路桥隧施工工作。