層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

丁 堯, 王 俊, 徐國文

(1.四川省交通運(yùn)輸廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610041；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

由于層理面的存在，層狀巖體中隧道開挖后圍巖力學(xué)響應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，容易產(chǎn)生非對(duì)稱鋼拱架扭曲、塑性擠入等大變形現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)層狀巖體地下工程的開挖穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量的研究。周曉軍等[1]采用相似模型試驗(yàn)，對(duì)層理面影響下二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了研究；夏彬偉[2]、馬騰飛等[3]采用室內(nèi)三維模型試驗(yàn)，揭示了層狀巖體深埋隧道開挖破壞規(guī)律；ZHANG Zhizen等[4]求解得到了隧道軸線與層理方向垂直時(shí)不同開挖斷面的彈性解；Huy Tran Manh[5]推導(dǎo)出層狀巖體中任意形狀斷面開挖力學(xué)響應(yīng)的解析解；Manh Vu[6]得到非線彈性各向異性巖石中隧道開挖響應(yīng)的半解析解；在隧道軸線與層理面垂直條件下，并考慮中間主應(yīng)力影響，余東明等[7]推導(dǎo)出深埋圓形隧洞彈塑性解；A.Lisjak[8]等采用FEM/DEM方法，對(duì)泥頁巖地層圓形隧道開挖破壞過程進(jìn)行了研究。

可以看出，目前關(guān)于層狀圍巖隧道穩(wěn)定性的研究均是在假定巖層的走向與隧道軸線方向平行的基礎(chǔ)上，分析層理面傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，即將三維空間問題簡化成二維平面問題。實(shí)際工程中，層理面的走向、傾向與隧道軸線方向的夾角存在多樣性，是一個(gè)復(fù)雜的三維問題[9-10]。因此，本文以四川省道219線改建工程海子山隧道為工程背景，基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與塊體離散元數(shù)值模擬，對(duì)層狀圍巖隧道穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，揭示隧道開挖后圍巖的非對(duì)稱形變規(guī)律，以期為該類巖體中隧道開挖支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

為表述方便，本文視傾角指的是巖體層理面和隧道掘進(jìn)掌子面的交線與水平線之間的夾角；傾向角指的是巖體層面和隧道軸線之間的夾角。

1 工程背景

海子山隧道是省道217線石(渠)馬(尼干戈)公路改建項(xiàng)目的控制性工程，位于四川省甘孜州德格縣窩公鄉(xiāng)境內(nèi)。隧道按二級(jí)公路、時(shí)速60 km/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，為單洞對(duì)向交通隧道。隧道設(shè)計(jì)凈寬10.4 m，凈高7 m，長2 522 m，最大埋深213 m，洞口海拔高度約 4 360 m。隧道穿越地層主要為三疊系變質(zhì)砂巖、板巖(圖1)。其中，板巖為灰褐、深灰色，具有板狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖石遇水易軟化。

隧道圍巖大變形主要發(fā)生在以板巖為主的軟弱巖層中，該類巖層典型掌子面圍巖特征如圖2所示。從圖2中可以看出，巖體中含有大量的原生層理面，且層理面的傾向與傾角變化范圍較大。隧道的變形受層理面影響，具有顯著的非對(duì)稱形變特征，即初期支護(hù)與圍巖大變形主要發(fā)生在隧道輪廓切線與層理面平行的位置處。主要的大變形現(xiàn)象如下。

a.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破裂并伴有局部塌方(圖3)。隧道進(jìn)口段的隧道左側(cè)(即垂直于層理面方向)格柵鋼架變形扭曲、噴射混凝土開裂、剝落并掉塊，圍巖變形最大達(dá)60 cm。初期支護(hù)變形后架設(shè)間距為0.6 m的I18工字鋼，但仍未阻止圍巖的變形，工字鋼架繼續(xù)產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象，最終圍巖發(fā)生坍方。

b.拱頂嚴(yán)重下沉。K191+023～050里程段內(nèi)巖層為水平層狀分布，開挖初期巖石可以自穩(wěn)。隨著地下水的入滲，拱頂下沉突然增大29 cm，水平收斂變形增大3.8 cm，導(dǎo)致圍巖變形侵限(圖4)。在該數(shù)值模型中，巖體為滿足摩爾-庫倫準(zhǔn)則的有限元單元，層理面為滿足摩爾-庫倫準(zhǔn)則的接觸單元，采用該模型可以顯式地反映層理面對(duì)圍巖形變的影響。計(jì)算工況分為3種(側(cè)壓力系數(shù)λ不同)，即工況1(λ=1)：σx=σy=σz=20 MPa；工況2(λ>1)：σx=20 MPa，σy=σz=10 MPa；工況3(λ<1)：σz=20 MPa，σx=σy=10 MPa。各工況中，傾角與傾向的組合有3類，即視傾角=0°，傾向角=0°～360°；視傾角=90°，傾向角=0°～360°；視傾角=0°～90°，傾向角=0°～360°。

圖1 海子山隧道地質(zhì)剖面圖Fig.1 Longitudinal geological profile of Haizi Mountain tunnel

圖2 掌子面典型圍巖特征Fig.2 Typical features of tunnel face surrounding rocks

圖3 圍巖塌方過程Fig.3 Collapse process of surrounding rocks

c.非對(duì)稱內(nèi)鼓。大多數(shù)大變形斷面中，圍巖以薄層-中層板巖為主，開挖后初期支護(hù)后急劇變形，產(chǎn)生非對(duì)稱內(nèi)鼓(圖5)。

2 建立數(shù)值模型

采用3DEC[11]數(shù)值模型軟件建立塊體離散元模型(圖6)。模型大小為60 m×60 m×10 m，層理面間距0.6 m，巖體物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

圖4 突發(fā)性大變形破壞Fig.4 Suddenly large deformation damage

圖5 隧道非對(duì)稱內(nèi)鼓Fig.5 Asymmetric squeezed deformation

圖6 數(shù)值模型Fig.6 Numerical model

參數(shù)體積模量/GPa剪切模量/GPa層理面法向剛度/GPa·m-1層理面切向剛度/GPa·m-1內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa巖石20163264層面14102232.4

3 結(jié)果分析

3.1 巖層產(chǎn)狀和隧道的空間關(guān)系對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

a.視傾角δ=0°

當(dāng)視傾角等于0°時(shí)，層面傾向角對(duì)圍巖的位移和破壞形態(tài)無影響，如圖7所示(圖中位移云圖中，紅色為最大正向位移，深藍(lán)色為最大負(fù)向位移，后續(xù)計(jì)算結(jié)果云圖的含義與該圖相同)。圍巖水平形變較大的位置以及層理面剪切破壞的位置均分布于隧道斷面拱頂與拱底附近的4個(gè)角落處。該現(xiàn)象說明，當(dāng)視傾角為0°時(shí)，拱頂與拱底附近剪應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致層理面的剪切破壞；同時(shí)，隧道仰拱附近圍巖在剪切力的作用下容易出現(xiàn)斷裂，形成隆起變形。

b.視傾角δ=90°

當(dāng)視傾角等于90°時(shí)，圍巖形變特征及其破壞形態(tài)在不同層理面傾向角影響下存在4種模式(圖8)。

①當(dāng)層理面傾向角等于0°或180°時(shí)，隧道軸線兩側(cè)巖體為對(duì)稱形態(tài)，因此隧道軸線兩側(cè)圍巖的位移狀態(tài)和塑性區(qū)均為對(duì)稱分布(圖8-A)。②當(dāng)層理面傾向角等于90°或270°時(shí)，隧道軸線兩側(cè)巖體結(jié)構(gòu)分布和前述情況相同，此時(shí)隧道軸線兩側(cè)圍巖的位移狀態(tài)和塑性區(qū)分布也大致對(duì)稱(圖8-B)，且豎向形變較大區(qū)域以及層理面破壞區(qū)域分布在拱肩及拱腳處。③當(dāng)層理面傾向角位于0°～90°或180°～270°區(qū)間時(shí)，垂直方向變形較大區(qū)域在右拱肩和右拱底附近，且塑性區(qū)分布在右拱腰附近(圖8-C)。④當(dāng)層理面傾向角位于90°～180°或270°～360°區(qū)間時(shí)， 垂直方向變形較大區(qū)域集中在左拱肩和左拱底附近，且塑性區(qū)分布在左拱腰附近(圖8-D)。

圖8 視傾角90°計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation result (apparent dip=90°)

c.視傾角δ∈(0°, 90°)

當(dāng)視傾角處于0°～90°之間時(shí)，圍巖的力學(xué)響應(yīng)與層理面傾向角之間的關(guān)系較為復(fù)雜，圖9為視傾角等于30°時(shí)的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)層理面傾向角等于0°或360°時(shí)，圍巖的塑性破壞集中在拱頂附近。當(dāng)層理面傾向角為180°時(shí)，圍巖的塑性破壞集中在拱頂附近。當(dāng)層理面傾向角位于0°～90°或270°～360°之間時(shí)，圍巖的塑性破壞分別集中在左拱腰、右拱腰附近；當(dāng)層理面傾向角為90°或270°時(shí)，圍巖塑性破壞區(qū)域集中在右拱肩與左拱腰附近、左拱肩以及右拱腰附近；當(dāng)層理面傾向角在90°～180°或180°～270°之間時(shí)，圍巖的塑性破壞分別集中在右拱肩、左拱肩附近。

圖9 視傾角為30°的計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation result (apparent dip=30°)

3.2 地應(yīng)力場(chǎng)的影響

a.視傾角δ=0°

視傾角為0°時(shí)，圍巖位移場(chǎng)、塑性區(qū)分布與地應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系如圖10所示。對(duì)比圖7發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)=1時(shí)，圍巖塑性破壞受巖體產(chǎn)狀控制；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)<1時(shí)，圍巖塑性破壞則較多地受到主應(yīng)力方向的影響，塑性區(qū)連線垂直于最大主應(yīng)力方向；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)>1時(shí)，圍巖的塑性破壞同時(shí)受層理面與主應(yīng)力方向的影響。

b.視傾角δ=90°

當(dāng)視傾角等于90°時(shí)，圍巖位移場(chǎng)、塑性區(qū)分布與地應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系如圖11、圖12所示。

對(duì)比分析圖11與圖8的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)<1時(shí)，圍巖的豎向形變特征及塑性區(qū)分布范圍與側(cè)壓力系數(shù)=1時(shí)有較大區(qū)別。以層理面傾向角位于0°～90°或180°～270°之間為例，λ=1時(shí)圍巖豎向形變較大區(qū)域的范圍大于λ<1時(shí)的范圍。同時(shí)，λ=1時(shí)塑性區(qū)集中在右拱頂至右拱腳之間的范圍內(nèi)，而λ<1時(shí)塑性區(qū)集中分布在右拱頂與右拱底附近的范圍內(nèi)。

圖10 不同地應(yīng)力條件下視傾角為0°時(shí)圍巖力學(xué)響應(yīng)Fig.10 Mechanical response of surrounding rock under different ground stress (apparent dip=0°)

圖11 工況2計(jì)算成果Fig.11 Calculation result of the case 2

圖12 工況3計(jì)算成果Fig.12 Calculation result of the case 3

對(duì)比分析圖12與圖8的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)λ>1時(shí)，圍巖的水平形變特征及塑性區(qū)分布范圍與λ=1時(shí)有較大區(qū)別。以層理面傾向角在0°～90°或180°～270°之間為例，λ=1時(shí)圍巖水平形變較大區(qū)域的范圍大于λ>1時(shí)的范圍。同時(shí)，兩者塑性區(qū)范圍相似，但λ=1時(shí)層理面破壞程度小于λ>1時(shí)的破壞程度。

c.視傾角δ=30°

當(dāng)視傾角為30°時(shí)，圍巖的力學(xué)響應(yīng)與地應(yīng)力場(chǎng)及層理面傾向角間的關(guān)系如圖13所示。

在λ>1條件下，當(dāng)層理面傾向角等于0°或360°時(shí)，洞周變形以拱底隆起為主；當(dāng)層理面傾向角為180°時(shí)，圍巖形變以拱頂沉降為主；當(dāng)層理面傾向角位于0°～90°區(qū)間時(shí)，圍巖變形以洞周右下部圍巖位移為主；當(dāng)層理面傾向角位于270°～360°區(qū)間時(shí)，圍巖變形以洞周左下部圍巖位移為主；當(dāng)層理面傾向角等于90°時(shí)，洞周變形以洞周左上及右下部圍巖位移為主；當(dāng)層理面傾向角為270°時(shí)，圍巖變形以洞周左下及右上部圍巖位移為主；當(dāng)層理面傾向角位于90°～180°區(qū)間時(shí)，圍巖變形以洞周右上部圍巖位移為主；當(dāng)層理面傾向角為270°～360°時(shí)，洞周變形以洞周左下部圍巖位移為主。

對(duì)比λ>1與λ<1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)λ<1時(shí)，圍巖塑性破壞區(qū)集中在拱頂與拱底區(qū)域內(nèi)；當(dāng)λ>1時(shí)，拱腰附近也會(huì)出現(xiàn)大量的塑性區(qū)。

3.3 層狀軟巖地層大變形治理措施的建議

從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，層理面的剪切與拉伸破壞是造成層狀巖體隧道非對(duì)稱變形的主要因素。同時(shí)，由于層理面傾向角與視傾角的差異，不同角度下層狀巖體隧道發(fā)生大變形與塑性破壞的位置差異較大。由于海子山隧道的層理面具有多種傾向角與視傾角(圖2)，因此在實(shí)際工程中，首先根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及掌子面揭露的層理面形態(tài)判斷圍巖大變形的位置，然后加強(qiáng)這些位置處的支護(hù)，增加層理面的抗剪切與抗拉伸的能力，以控制圍巖非對(duì)稱形變的產(chǎn)生。

圖13 不同地應(yīng)力條件下視傾角為30°時(shí)圍巖力學(xué)響應(yīng)Fig.13 Mechanical response of surrounding rock under different ground stress conditions (apparent dip=30°)

具體的非對(duì)稱支護(hù)措施可采用以下2種：①穿層定向錨固，穿層錨索設(shè)計(jì)為壓力型錨索，防止層面在卸荷過程中被拉開(圖14-A)。②開挖后注漿加固，或直接采用錨注方法，增加層面的黏結(jié)力(圖14-B、C)。

圖14 工程措施Fig.14 Engineering control measures

4 結(jié) 論

本文以省道219線改建工程海子山隧道為背景，對(duì)層狀圍巖地層隧道穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，揭示隧道開挖后圍巖的非對(duì)稱形變規(guī)律。

a.隧道圍巖大變形主要發(fā)生在以板巖為主的軟弱巖層，圍巖的變形受層理面影響，表現(xiàn)出顯著的非對(duì)稱形變特征，即初期支護(hù)與圍巖大變形主要發(fā)生在隧道輪廓切線與層理面平行的位置處。

b.當(dāng)視傾角等于0°時(shí)，層理面傾向角對(duì)圍巖位移場(chǎng)及其破壞形態(tài)無影響。圍巖側(cè)壓力系數(shù)λ=1、λ>1以及λ<1時(shí)，圍巖的破壞形態(tài)分別受層理面、主應(yīng)力方向、層理面與主應(yīng)力方向共同控制。

c.當(dāng)視傾角等于90°時(shí)，圍巖形變特征及其破壞形態(tài)在不同層理面傾向角影響下存在4種模式。當(dāng)λ<1時(shí)，圍巖的豎向形變特征及塑性區(qū)分布范圍與λ=1時(shí)有較大區(qū)別。當(dāng)λ>1時(shí)，圍巖的水平形變特征及塑性區(qū)分布范圍與λ=1時(shí)有較大區(qū)別。

d. 當(dāng)視傾角不等于0°或90°時(shí)，洞周形變狀態(tài)及其圍巖破壞形態(tài)在層理面傾向角的變化影響下存在8種模式。同時(shí)，當(dāng)λ<1時(shí)，圍巖塑性破壞區(qū)集中在拱頂與拱底區(qū)域內(nèi)。當(dāng)λ>1時(shí)，拱腰附近也會(huì)出現(xiàn)大量的塑性區(qū)。