软岩隧道工程论文

2022-04-15

软岩隧道工程论文篇1：

软岩隧道变形控制机理及其支护技术研究

摘要：软岩隧道大变形难控制的特点一直是施工过程中的难点，特别是隧道刚开挖完后，在隧道周围形成松动圈，如若隧道初期支护强度不能有效的抵抗围岩变形，那么软岩隧道开挖后将会出现持续变形的现象。如果这种持续变形不能有效的抑制，隧道变形量就会超出原设计的預留变形量，这时隧道二次衬砌施工后隧道的原设计净空变小，隧道的施工质量就会受到影响，同时软岩隧道的大变形给隧道施工带来巨大的安全隐患，严重的影响了施工进度，因此研究软岩隧道大变形机理，提出一种有效的初期支护技术来快速有效的抑制软岩隧道的持续变形至关重要。本文以渑池—垣曲高速公路中某隧道中的一段软岩段为研究对象，分析了该软岩段隧道的变形机理，并提出了一种“双网+锚喷”的高强初期支护技术，并通过现场试验验证了该支护技术的有效性。

关键词：软岩隧道；松动圈；持续变形机理；双网+锚喷高强初期支护

1 绪论

近年来随着我国交通工程基础建设的飞速发展，高速公路作为其重要组成部分也取得了长足的发展。在高速公路建设中，隧道在工程规划、设计和施工中越来越多的受到人们的亲睐，同时经济安全的隧道施工也越来越受到人们的重视。随着我国修建隧道范围不断扩大，在修建过程中会遇到各种各样的地质环境，特别是当遇到岩溶、断裂带、高地温、高应力、软弱围岩等不良地质段时，隧道能在保证安全的情况下经济有效的贯通是研究的重要课题。对于穿越软岩段的隧道来说，持续变形难抑制的特点一直是困扰施工单位的难题，主要原因是软岩隧道开挖后，围岩自身强度比较低，自稳能力比较差，如果不采取有效的方法快速抑制隧道的持变形，将给隧道后期的施工乃至交竣工验收带来严重的影响。[1]本文以渑垣高速公路中的某隧道为研究对象，重点分析了软岩开挖后发生大变形的机理，并提出了“双网+锚喷”的高强初期支护技术，分析了该支护形式的作用机理，并通过现场工业性试验验证了该初期支护形式在快速有效抑制开挖后软岩隧道持续变形中的效果。

2 工程概况

该隧道区属山岭地貌，地形起伏较大，植被较发育，该隧道长度为1100m，隧道岩层产状为240°∠5°，隧道走向为173°，隧道进洞洞身段围岩主要为强风化～中风化砂质页岩和石英砂岩，块状或层状，根据根据洞深和风化程度，围岩强度等级低，并且遇水后围岩软化情况比较严重，围岩定级主要为IV级，为典型的软岩隧道。隧道洞身主要结构面为岩层产状和节理裂隙，节理裂隙多倾斜，围岩在开挖后自稳能力比较差，需要采用有效的支护方式进行支护。

3 软岩隧道开挖后发生持续变形的机理分析

3.1 围岩松动圈发生机理

软岩隧道周边各点在隧道未开挖之前，其所处的应力状态为三向压应力状态，由于三个主方向的应力值

SymbolsA@ 1、

SymbolsA@ 2、

SymbolsA@ 3数值相差不大，根据岩石破坏的强度准则（库仑—纳维尔准则）可知[2]，岩体不会发生破坏。

当隧道开挖后，一方面因隧道周边地应力重新分布发生应力集中，

SymbolsA@ 1数值巨增，另一方面

SymbolsA@ 3数值降低为0，距周边较近的位置

SymbolsA@ 3也同样会降低至很小的数值，根据公式（1），在隧道围岩强度较弱的情况下，公式左边的数值就会超过公式右边的数值，从而导致围岩破裂，形成围岩松动圈。

[JZ（][XCimage206.tif；E+4.002mm。47.372mm]〖JZ）〗〖JY〗（1）

3.2 软岩隧道开挖后松动圈发展机理

软岩隧道开挖后在其周围形成松动圈，处于松动圈范围内的破碎岩体传递地应力的方式发生很大变化，原先由该部分岩体传递的地应力，绝大部分改道松动圈外围的稳定岩体进行传递，该部分岩体在力学作用方面的表现也相应地转化为对外围稳定岩体的支撑作用。此时松动圈外围的稳定岩体因松动圈范围内的岩体退出了绝大部分原始地应力的直接传递而担负起本应由松动圈范围内的岩体和开挖前隧道内的岩体传递的地应力，即稳定岩体的内缘发生应力集中。应力集中的结果是下图中的

SymbolsA@ 1数值大幅增加，当图中的

SymbolsA@ 3数值不能保证足够大的话，稳定围岩内缘的岩体将继续发生破坏，导致松动圈范围的继续增大，而松动圈范围的扩大又将导致稳定围岩内缘应力集中程度的进一步提高[45]，从而导致软岩隧道的自稳能力下降，导致隧道发生开挖后发生持续变形现象。

[JZ][XCimage207.tif]

[BT6]图1 软岩隧道围岩质点应力状态之间关系示意图

4 软岩隧道大变形控制及“双网+锚喷”初期支护作用机理〖ST〗

4.1 软岩隧道松动圈控制机理

在支护有效的情况下，伴随着松动圈的发生与发展，松动圈内岩体的碎胀力会急剧上升，此时图1中的

SymbolsA@ 3数值将大幅增加，且增长比率会远大于

SymbolsA@ 1数值的增长比率，这样一来，松动圈外围边界的岩体很快就会满足公式（1）的要求，于是松动圈就不会再继续扩展下去，隧道的变形也就会停滞下来。由于松动圈范围得到了控制，外围稳定岩体中应力集中的程度就得到了有效控制，此时松动圈与稳定岩体交界面边缘的切向应力和松动圈内的碎胀力也就稳定了下来，支护结构所承受的压力也就不再继续增加。

4.2 “双网+锚喷”初期支护作用机理

隧道开挖后围岩应力状态变为二次应力状态，一般情况下隧道开挖后采用拱架初期支护就能有效的控制隧道的变形，但对于该软岩段隧道来说，采用拱架支护后围岩变形很大，初支拱架在松动圈碎胀力作用下发生扭曲，这时根据软岩隧道变形原因及控制松动圈扩展原理，提出一种“双网+锚喷”高强初期支护（图2），该支护作用机理为：隧道第一层初支施工后，隧道碎胀力作用在第一层网上，由于隧道周围围岩的自稳能力较差，隧道发生较大的变形，这时第二层网开始承担其抵抗隧道变形的能力，这样就提高了

SymbolsA@ 3数值（图1），使公式1左边小于右边，使隧道周围的松动圈得到抑制，同时初支两层网之间的混凝土在双层网的作用下强度也明显提高，这样软岩隧道周围的松动圈就得到控制，隧道大变形被有效抑制。

5 现场监测

该隧道软岩段采用“双网+锚喷”高强初期支护后，其累计变形量如下图3所示，隧道刚开挖后采用单层网支护，短短两天隧道累计变形量就达到9cm左右，变形比较大，施工方马上调整支护方案，在原有支护的基础上又加一层锚网，施工完后隧道变形马上受到的较好的抑制，并趋于收敛。

6 结论

（1）软岩隧道开挖后在其周围形成松动圈，处于松动圈范围内的破碎岩体传递地应力的方式发生很大变化，当隧道的初期支护强度不能够抵抗松动圈围岩的碎胀力时，隧道周围松动圈就会不断扩展，这样软岩隧道就会出现持续变形的现象。

（2）通过分析围岩松动圈扩展机理提出了一种快速抑制软岩隧道大变形的支护形式，及“双网+锚喷”高强初期支护，该支护通过双层网来抑制软岩隧道的松动圈碎胀力，同时双层网中间的喷射混凝土在双层网作用下处于双向应力状态，使其强度大幅提高，并通过现场监测论证了该支护形式的有效性。

参考文献：

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作者：张吉昌梁东伟

软岩隧道工程论文篇2：

基于流固耦合的富水软岩地层隧道排水方案研究

摘要：为研究富水软岩隧道最优排水方案，以甘肃省道S304线关山隧道为研究对象，基于流固耦合分析理论，建立了应力场和渗流场作用下的隧道开挖模型。借助SoilWorks有限元软件对隧道全排水、全封堵及堵水限排三种施工方案进行了模拟，并对孔隙水压力及水位线、位移场及应力场、围岩塑性区的分布规律进行了研究。结果表明：富水软岩隧道开挖时，采用堵水限排方案可以有效减小对地下水位的影响，经济效益显著;三种施工方案中，堵水限排方案隧道的拱顶沉降、隧底隆起以及地表下沉量最小，但围岩的应力最大，仰拱最大拉应力为全排水方案的2.2倍;全排水方案与全封堵方案围岩塑性区主要产生在仰拱，堵水限排方案围岩塑性区主要产生在边墙两侧，塑性区的范围较小。研究结果可为富水软岩地层同类工程排水方案的确定提供借鉴。

关键词：富水软岩隧道;排水方案;SoilWorks;流固耦合;堵水限排方案

1672-1683（2015）02-0349-05

Studyonthedrainageschemeofwater-richsoftrocktunnelbasedonsolid-fluidcoupling

LAIJin-xing1，FANHao-bo1，SHENAi-jun2

（1.SchoolofHighway，Chang′anUniversity，Xi′an710064，China;

2.NingxiaHighwayandBridgeCorporation，Yinchuan750004，China）

随着我国高速公路建设的迅速发展，富水地区的公路隧道修建也越来越多[1]。大量工程实践表明[2-5]，以往采取的“排堵结合，以排为主”地下水处理办法，将导致地下水的大量流失，一方面使得隧道内存在不同程度的水害，影响衬砌结构和行车安全，使后期维修和养护费用大大提高（如大瑶山隧道、华蓉山隧道、中梁山隧道等）;另一方面地下水位下降，会导致生态环境恶化，严重影响隧址周围人民的生产和生活[6]。

因此，目前提出了“以堵为主、限量排放”和全封堵两种治水方案[7-8]。“以堵为主、限量排放”通常通过围岩注浆措施来实现，全封堵则通过设置防水层和抗水压衬砌来实现。本文以甘肃省道S304线关山隧道F3断层VI级围岩为对象，利用SoilWorks软件对隧道采用全排水、全封堵及堵水限排3种施工方案进行流固耦合模拟分析，得出不同工况下孔隙水压力及水位线、围岩的位移场、应力场及岩体破坏区的分布规律，并据此研究丰富软岩富水隧道的排水方案。

1流固耦合计算原理

利用SoilWorks模拟岩体的流固耦合机理时，将岩体等效为均质、连续性介质，流固耦合分析计算采用的基本方程[9-10]包括：

（1）Darcy定律。即渗流计算基本方程：

q=k·i（1）

式中：q为单位面积的渗透流量;k为渗透系数;i为水力坡降。

（2）渗流方程。二维非稳定流基本方程如下：

x（kxHx）+y（kyHy）+Q=t（2）

式中：H为总水头;ki为i方向的渗透系数;Q为流量;φ为体积含水率;t为时间。

对于二维稳定流，流入和流出量随时间没有变化，故式（2）右边为零，即

x（kxHx）+y（kyHy）+Q=0（3）

（3）流固耦合方程。流固耦合计算时采用小位移的胡克法则，基本方程如下：

εx

εy

γx

γy=1E1-v00

-v10

002+2v

002+2vσx-p

σy-p

τxy

τyx

（4）

式中：τij为ij方向的剪应力;σi为i方向上的有效应力;p为超孔隙水压;v为泊松比;E为弹性模量。

2基于流固耦合的数值模拟

2.1工程概况

关山隧道是甘肃省道S304线华亭至庄浪二级公路改建项目的控制性工程，全长2825m，起止桩号K108+829至K111+654。该改建项目是甘肃省“四纵四横”公路网主骨架中“一纵”的重要路段，是连接陇东和陇南的主要通道。隧道洞身穿越地层为白垩系六盘山群和尚铺组，上部岩性为紫红色砂岩和泥质砂岩互层，下部岩性为青灰色砂岩、砾岩互层，局部夹薄层砂质页岩，软硬相间;共穿越7处断层破碎带，断层走向与隧道轴线交角为40°～60°，走向NW、NE，倾角70°～85°，多为正断层。断层影响带内岩体破碎、松散，裂隙水发育，稳定性差。

本次选取关山隧道F3断层VI级围岩进行模拟分析。衬砌内轮廓采用五心圆，初期支护采用22cm厚的C20喷射混凝土;中空注浆锚杆直径规格为D25，长度为3.5m[11]，数值计算中考虑锚杆和喷射混凝土的力学作用（不考虑工字钢和二次衬砌的作用）。隧道开挖采用台阶法，其中仰拱采用左、右拱脚导坑交错开挖、支护。隧道开挖示意图见图1。

2.2计算模型

计算时考虑边界条件的影响，计算模型网格划分见图2。选取竖直方向为Z轴，水平方向为X轴，计算范围选取0≤z≤120m，0≤x≤120m，隧道埋深75m;在左右边界施加X方向的位移约束，在底部边界施加Z方向的位移约束;地下水位取地表计算，不考虑初期支护的堵水作用。

根据地质勘察资料和公路隧道设计规范，选取围岩及支护结构参数[12-15]，具体见表1。

将岩体的裂隙渗流模型等效为连续介质渗流模型，流体在岩体中流动服从Darcy定律，水头恒定，不因隧道开挖排水而衰减，渗流为层流;岩体为弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb本构模型。

2.3计算方案

按照稳态流进行模拟，分析以下3种工况下围岩位移场及应力场的变化规律。

（1）工况1：全排水方案。在模拟的过程中，地层的侧边及底部设置为不透水边界;顶部为自由地表，压力水头为0m;隧道的开挖边界设置为渗流边界，节点压力水头为设置为0m。

（2）工况2：全封堵方案。地层边界条件同工况1，同时将工况1中的开挖边界条件“节点压力水头0m”改为节点流量为0m3/d。

（3）工况3：堵水限排方案。地层和开挖边界条件同工况1，同时在工况1的开挖面以外3.5m范围内设置注浆圈。

3计算结果及分析

3.1孔隙水压力及水位线分析

从图3（a）可以看出，工况1隧道开挖后，在水头压力差的作用下，远场孔隙水向隧道开挖面流动;当补给充分的条件下，最终形成以隧道为中心的等水压线降水漏斗，水位线距离地面较远。隧道开挖后每延米渗流量为48.70m3/（m·d），说明全排水方案对地下水位造成的影响较为明显。

从图3（b）可以看出，工况2隧道开挖后，等水压线水平，水位线位于地表。隧道开挖后每延米渗流量为0m3/（m·d），说明全封堵方案未对原地下水造成任何影响。

从图3（c）可以看出，工况3隧道开挖后，隧道顶部地表未形成明显的等水压线降水漏斗，水位线下降较小。隧道开挖后每延米渗流量4.2m3/（m·d），与工况1相比，采取堵水限排方案可以有效降低地下水流失和地下水位的下降。

3.2位移场分析

从图4（a）可以看出，工况1隧道开挖后，对地表的影响呈现出以隧道为顶点的倒三角分布，地面最大下沉量接近55mm，隧道拱顶的最大沉降为87.6mm，仰拱隆起为115.6mm，隆起量较大。

从图4（b）可以看出，工况2隧道开挖后，对地表的影响范围比工况1明显减小，但是地表最大下沉量增大到68mm，增加了23.6%;隧道拱顶的最大沉降为107.6mm，增加了22.8%;仰拱隆起为55.9mm，减少了51.6%。表明在富水软岩隧道开挖时，全封堵方案比全排水方案可以减小对地表的影响范围及仰拱隆起量，但会增加拱顶和地表的下沉量。

从图4（c）可以看出，工况3隧道开挖后，对地表的影响范围比工况1明显减小，地表最大下沉量为16.1mm，减少了70.7%;隧道的竖向位移拱顶最大沉降位移为23.5mm，减少了73.2%;仰拱隆起为28.8mm，减少了75.1%。说明采取堵水限排方案可以极大地减小对隧道的影响，有利于围岩的稳定。

3.3应力场分析

图5显示，隧道开挖后工况1对洞室周边围岩的影响最大，由于地下水的大量流失，影响范围已经超出3～5倍洞径，工况2和工况3对地层影响则较小，但工况3的围岩应力比工况2的大。

从图5（a）可以看出，工况1隧道周围基本以压应力为主，局部有拉应力，边墙底部应力变化比较明显，其它部位变化较小。在仰拱及拱顶出现不同程度的拉应力，最大拉应力出现在仰拱中心位置，为151kPa。

从图5（b）可以看出，工况2隧道周围最大主应力的分布基本与工况1相似，拉应力的影响范围有所减小，但仰拱中心最大拉应力增大为225kPa。这与工况2的围岩孔隙水压力较大有关。

从图5（c）可以看出，工况3隧道边墙受压、拱顶和仰拱受拉较为明显，最大拉应力出现在拱腰位置，为333kPa，是工况1的2.2倍。这主要是由于注浆加固后限制了围岩的位移，从而导致围岩应力的增加。

3.4岩体破坏区分析

图6显示，隧道开挖后隧道周围岩体产生的塑性区及卸载区主要发生在仰拱及边墙两侧。工况1和工况2产生的岩体塑性区主要集中在仰拱，卸载区主要集中在边墙。工况3围岩的塑性区主要集中在边墙，卸载区主要集中在仰拱，围岩塑性区的范围明显缩小。表明注浆加固可以明显提高围岩的强度，保证隧道的安全与稳定。

4结论

（1）软岩富水隧道采取全排水方案措施对地下水的影响较大，不利于环保;采用全封堵方案，虽然不影响地下水位，但实际工程中造价较高且很难实现;采用堵水限排方案，隧道开挖后对地下水位的影响较小，经济性也较好。

（2）采用堵水限排方案，隧道开挖对地表的影响范围明显缩小，隧道拱顶沉降、隧底隆起以及地表下沉均大幅减小，堵水限排方案在控制围岩变形方面效果较为显著。

（3）采用全排水方案与全封堵方案，隧道围岩以压应力为主，在仰拱区域产生拉应力，拉应力值较小。采用堵水限排方案隧道围岩应力明显增大，隧道边墙以压应力为主，拱顶及仰拱以拉应力为主，最大拉应力值为全排水方案的2.2倍，但未超过规范的允许值。

（4）全排水方案与全封堵方案产生的塑性区及卸载区类似，围岩塑性区主要产生在仰拱，卸载区主要产生在边墙两侧。堵水限排方案围岩塑性区主要产生在边墙两侧，卸载区主要产生在仰拱，塑性区的范围明显缩小，表明注浆加固可以明显的提高围岩的强度，保证隧道的安全与稳定。

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作者：赖金星樊浩博申爱军

软岩隧道工程论文篇3：

滇西南单线铁路隧道薄层软岩锚杆参数优化

摘要：在薄层软岩隧道施工过程中，围岩极易发生大变形造成初期支护侵限。为此，依托某薄层软岩隧道工程，基于遍布节理屈服准则，采用有限差分软件（FLAC 3D）对比分析不同锚杆长度和不同锚杆的布置方式对围岩变形控制效果的影响。研究结果表明：（1）采用非对称式锚杆设计比采用全环均匀式锚杆设计更能有效的减小薄弱部位围岩变形;（2）在一定范围内增加锚杆长度，能有效改善锚杆受力和限制围岩塑性区发展，但对围岩位移抑制效果并不明显;（3）该成果可为薄层软岩隧道初期参数优化提供参考。

关键词：薄层软岩;大变形;初期支护;锚杆

我国隧道工程建设正向长大、深埋方向发展，建设穿越地质环境恶劣的薄层软岩区的长大隧道工程已不可避免。目前，已有学者对层状围岩变形特征[1～3]和隧道初期支护参数优化进行了研究。在不考虑隧道纵向开挖方式和流变等因素的影响，得出支护结构破坏往往发生在节理面的法线方向[4～7]。锚杆通过主动加固围岩的方式，在隧道初期支护中扮演着重要的“角色”。尽管不少学者对锚杆受力特性做了相关研究[8-10]，但针对薄层软岩隧道采用非对称设计方面研究较少。为此，本文以某薄层软岩隧道为工程背景，基于薄层软岩变形特征，采用非对称式设计，选用遍布节理本构模型对锚杆参数进行优化。

1工程概况

隧道位于西南区域，全长9375m。隧道DK161+930～DK167+055段洞身范围主要分布下古生界澜沧群（Pz[1]ln）。隧道围岩节理裂隙较发育，局部发育节理密集带。其中澜沧群以薄层极软岩为主，岩体强度低，耐崩解性差，遇水易软化，岩体破碎，围岩自稳性差。隧道采用三台阶法施工，在施工过程中存在变形大且变形时间长，变形基本集中在左侧，右侧变形小于左侧，如图1所示。隧道初支断面及支护参数如图2所示。

2数值模拟分析

2.1建立三维模型

本文以（DK161+930～DK167+055）段中部隧道为对象建立三维模型，隧道最大埋深为250m，模型的尺寸为88m×110m×50m。模型侧面和底面施加速度约束，对模型顶面施加大小为5.68MPa的垂深地应力。喷射混凝土、锚杆以及钢拱架分别采用shell、cable和beam结构单元模拟，隧道超前支护的模拟通过增加加固区围岩参数的方法来实现。隧道三维模型和开挖模型如图3、4所示。

2.2计算参数

根据隧道地勘资料和铁路隧道设计规范[10]，选取隧道三维模型计算参数如表1、表2所示。

2.3工况设置

以锚杆间距（1.0m×1.0m）、拱部锚杆长度（3m）为不变量，通过改变局部锚杆长度，来分析局部锚杆长度分别为3m、3.5m、4m、4.5、5m时的围岩位移、围岩塑性区、锚杆轴力情况。

2.4计算分析

从图5可以看出锚杆长度的增加，对围岩变形有一定的抑制作用。当锚杆长度增加到4m时，在增加锚杆长度并不会大幅度的减小边墙水平收敛值;锚杆长度由3m增加到3.5m后，锚杆对拱底隆起及拱顶下沉有明显的改善，但在增加锚杆长度对拱底隆起及拱顶下沉并没有很明显的限制效果，其变化值不到0.1cm;工况1～4随着锚杆长度的增加，围岩塑性区面积在逐渐减小，当锚杆长度增加到4.5m时，围岩塑性区达到最小值;锚杆长度的增加锚杆轴力也随之增大，工况4锚杆轴力达到最大值，说明对薄弱部位采用4.5m锚杆更能增强锚杆的支护效应。

对比分析五种工况的计算结果可知，后四种工况均优于第一种工况，且从图5可以看出，第四种工况在边墙水平收敛值、拱底隆起值、拱顶下沉值、锚杆轴力以及塑性区面积均优于其它工况，在结合现场施工难度的复杂性和工程成本等因素，薄弱部位锚杆设置的最优长度为4.5m。

3结论

通过建立薄层软岩隧道三维模型，对锚杆设置部位，锚杆设置长度进行优化，得到如下结论：

（1）根据薄层软岩隧道的变形特点，采用非对称锚杆设计更能有效地阻止围岩塑性区发展。

（2）将薄弱部位锚杆长度增加到4.5m，能有效地增加各个岩层之间的摩阻力，阻止围岩塑性区发展。

本文针对薄层软岩隧道建立了三维数值模型，重点研究了隧道在三台阶临时仰拱法开挖方式下，薄层软岩隧道锚杆参数设置以及锚杆布置形式，但未考虑时间因素对薄层软岩变形的影响，在后续可以进一步深入研究。

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