在耦合挖掘-渗流作用下，软塑黄土隧道中倒拱隆起的渐进性破坏机制

《Transportation Geotechnics》：Progressive failure mechanism of invert heave in soft-plastic loess tunnels under coupled excavation–seepage effects

　　**摘要**
为了揭示在挖掘与渗流耦合作用下，软塑性黄土隧道中顶板隆起的渐进性破坏机制，基于弹性梁理论和双参数地基模型建立了一个顶板-地基相互作用模型。随后推导出了在挖掘卸载和孔隙水压力累积共同作用下顶板隆起的工程近似解。通过物理模型试验研究了挖掘与渗流耦合作用下顶板隆起的演变过程，并开发了三维数值模型来分析渐进性破坏过程。结果表明，理论计算位移与模型试验结果之间的总体误差小于3%。顶板隆起的位移表现出非均匀的纵向分布，隧道入口附近的变形较大，向隧道内部逐渐减小。在模型试验中，随着挖掘的进行，顶板抬升持续累积，而隆起变形从隧道入口向隧道内部传播并伴有时间延迟。最终抬升幅度在12.60至14.10毫米之间，隧道顶板下方的最大孔隙水压力达到了8.5千帕。顶板中心以及顶板与侧壁之间的过渡区被确定为主要的薄弱位置。数值结果进一步证实，顶板隆起经历了从变形累积到结构损坏的渐进性破坏过程。这些发现为隧道顶板隆起的预测、预防和控制提供了参考。

**引言**
在中国“十五五”计划期间，随着现代基础设施和综合交通系统的不断发展，包括铁路和公路在内的重大交通基础设施建设预计将在中部和西部继续 intensify[1]、[2]。作为线性交通基础设施发展的关键区域，黄土高原经历了大量的隧道建设，这对优化线路布局、提高运输效率和支持区域发展具有重要作用[3]。然而，黄土隧道失效和黄土边坡-隧道系统失效通常受到地形、地层条件、降雨渗透、地下水活动以及施工扰动等多种因素的共同影响，导致触发因素和破坏机制非常复杂[4]。黄土具有高孔隙率、明显的结构特征、未固结状态以及强烈的水敏感性。遇水后，黄土容易发生结构坍塌、强度下降和可塌陷变形[5]、[6]、[7]、[8]。Wei等人在兰州研究了一栋浅基础建筑物，发现地下水管破裂导致的局部渗透引起了可塌陷变形，随后黄土基础发生固结沉降，最终导致建筑物出现差异沉降、倾斜和开裂。这些发现表明水渗透对黄土地区工程结构的稳定性有显著影响。对于建在软塑性黄土层中的隧道，挖掘引起的卸载改变了周围地层的应力状态，而持续的渗流可能导致孔隙水压力累积、水分引起的软化以及承载能力的渐进性下降。挖掘与渗流的耦合作用可能导致周围地面松弛、支撑荷载重新分布、顶板隆起、地面开裂、隧道抬升和收敛变形[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。因此，明确受挖掘与渗流耦合作用影响的软塑性黄土隧道中顶板隆起的演变和机理对于识别、预防和减轻类似隧道失效具有重大意义。

**研究综述**
关于黄土隧道中水分迁移、渗流响应、周围地面压力以及支撑结构的水力-力学行为，已经进行了大量研究。Wei和Zhu提出了一种基于地下水渗流和排水模型的隧道工程沉降计算理论方法，表明渗流可以改变上覆地层的应力状态并加剧地面变形[16]。Wei和Zhu进一步研究了富水黄土隧道挖掘过程中的渗流现象，证明地基注浆结合帷幕注浆可以有效减少周围地面变形和表面沉降[17]。Lai等人在富水黄土隧道施工过程中研究了周围地层中的水分迁移，为理解挖掘引起的黄土层中水分重新分布提供了基础[18]。Chen等人通过模型试验和数值分析研究了交叉隧道与现有隧道之间的渗流相互作用机制，发现隧道施工会显著干扰渗流路径、水压力分布和地下水位变化[19]。从周围地面压力和支撑响应的角度出发，Zhao等人对黄土公路隧道进行了现场监测，分析了周围地面压力的演变、钢拱的轴向力和二次衬砌的应变[20]。Lai等人进一步揭示了浅埋黄土隧道中周围地面压力的分布特征，并确定了关键位置的应力集中区，尤其是在拱脚附近[21]。这些研究表明，在黄土隧道施工过程中，渗流扰动、水分重新分布、周围地面压力调整和支撑结构响应之间存在强烈的耦合关系。

在理解与隧道顶板隆起相关的失效模式和结构响应方面也取得了显著进展。Du等人通过模型试验总结了大断面隧道中顶板隆起的典型失效模式[22]。Ding等人研究了软化泥岩层中隧道顶板的力学特性[23]，而Liu等人探讨了黄土隧道中顶板拱结构的力学行为[24]。Li等人将三维打印技术引入模型试验，模拟了高速铁路隧道中的顶板隆起现象，从而扩展了顶板隆起研究的实验方法[25]。关于黄土隧道中水引起的顶板隆起，Chang等人通过大规模现场隧道模型试验研究了潮湿作用引起的时变地面隆起[26]。Chen等人揭示了黄土隧道基底不对称浸没下隧道顶板的破坏机制[27]，Qiu等人研究了高压水环境下黄土地铁隧道的破坏行为[28]。Wang等人从承载能力和结构稳定性角度评估了大跨度软岩公路隧道中顶板的承载性能和安全性[29]。最近的研究还集中在隧道地面隆起及其结构后果上[30]~[34]。Cui等人研究了高水压力引起的隧道地面隆起对无砟轨道结构力学响应的影响[30]，Cui等人分析了隧道地面隆起下无砟轨道结构的变形传递和损伤演变[31]，Zhao等人研究了考虑隧道地面隆起的双块式无砟轨道系统的损伤特性和接触界面演变[32]。这些研究为理解复杂水文地质和施工条件下的隧道底部变形、结构损伤演变和隧道-结构相互作用提供了重要参考。

**本研究内容**
为了揭示在挖掘与渗流耦合作用下软塑性黄土隧道中顶板隆起的渐进性破坏机制，本研究开发了一个受挖掘与渗流耦合作用的缩比模型试验，并将其与顶板-地基相互作用模型和三维数值模拟相结合。系统地研究了顶板位移的演变、孔隙水压力累积、含水量变化、周围地面压力重新分布、衬砌应变响应以及宏观破坏特征。在此基础上，进一步阐明了软塑性黄土隧道中顶板隆起的渐进性破坏机制，包括渗流引起的软化、地基约束退化、结构力的重新分布以及随后的局部破坏。这些发现有望为类似隧道工程项目的失效识别、风险预警和预防设计提供依据。

**基本假设和自由顶板隆起的表达式**
为便于分析推导，采用以下假设：
(1) 将隧道顶板简化为欧拉-伯努利梁，初始支护和二次衬砌视为进行兼容变形的整体衬砌。仅考虑纵向弯曲和顶板-地基相互作用，忽略周向行为、界面滑动和分阶段施工效应。
(2) 地基的描述采用Pasternak双参数相似性关系。

**模型材料**
原型隧道衬砌的最大跨度为11.4米。根据模型箱的尺寸和实验观测要求，模型的几何相似比为40。将隧道入口平面定义为纵坐标原点x=0，正x方向从入口指向隧道内部。几何相似比定义为CL = Lp/Lm = 40。

**顶板隆起的位移演变和纵向非均匀性**
如图4所示，每个截面的顶板位移随挖掘步数的增加而持续增大，表明在挖掘-渗流耦合作用下的顶板隆起具有明显的累积特征。在早期挖掘阶段，A区和B区的位移迅速增加，表明靠近隧道入口的截面对挖掘卸载更为敏感。随着挖掘的进展，位移增长速率...

**模型尺寸**
为了进一步验证模型试验在工程尺度下揭示的顶板隆起的变形和力学响应特性，并补充难以在试验中直接观察到的周围岩体位移场、应力场和渗流场的分析，使用数值模拟软件建立了具有实际隧道尺寸的三维有限元模型。模型试验主要用于揭示顶板隆起的演变过程...

**顶板隆起的渐进性破坏过程**
基于上述顶板位移、孔隙水压力、含水量、周围岩体压力、衬砌力学响应和宏观破坏的结果，可以认为在挖掘与渗流耦合作用下的软塑性黄土隧道中，顶板隆起是一个由水力作用、挖掘卸载、地基软化和衬砌约束共同控制的渐进性变形和破坏过程。该机制可分为三个阶段，如图所示...

**结论**
(1) 基于弹性梁理论和双参数地基模型，建立了顶板-地基系统协同力学行为的分析模型。推导出了在挖掘卸载和孔隙水压力累积作用下顶板隆起的工程近似解。理论预测与模型试验结果之间的总体误差小于3%，顶板隆起的位移表现出非均匀的纵向分布...

**关于AI和AI辅助技术声明**
在本文的撰写过程中，作者使用了DeepSeek工具辅助语言翻译和润色。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

**作者贡献声明**
Zhengde Wei：写作——审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
Mengbo Lei：写作——初稿编写、可视化、形式分析、概念化。
Yanpeng Zhu：验证、方法论。
Qing Wang：调查、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的报告内容。

**致谢**
本研究由中国国家自然科学基金（项目编号52368055）和甘肃省高等学校青年博士支持项目（项目编号2024QB-029）资助。

**作者信息**
Zhengde Wei | Mengbo Lei | Yanpeng Zhu | Qing Wang
兰州工业大学土木与水利工程学院，兰州，甘肃730050，中国