深埋軟硬互層隧道圍巖開挖變形影響研究

王仁鵬

摘 ?要：深埋軟硬交替地質(zhì)條件下公路隧道因具有構(gòu)造復(fù)雜、地應(yīng)力高等特點，對隧道施工安全造成嚴(yán)重威脅，且其圍巖受力之后的變形和破壞具有一定的特殊性。文章以擬建某高鐵寶云隧道為例，就硬軟互層層理和共軛節(jié)理共同作用下隧道圍巖開挖變形開展數(shù)值模擬研究，主要對隧道開挖圍巖二次應(yīng)力場的分布規(guī)律及變形特征進行分析評價。結(jié)果表明：（1）隧道周圍的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在順層層理和共軛節(jié)理面，即兩側(cè)上拱腰和拱腳處，最大主應(yīng)力分別為3MPa和5MPa;（2）隧道周邊最小主應(yīng)力呈對稱分布，洞室周圍最小主應(yīng)力在0MPa附近;在洞室周圍3m附近，隧道最小主應(yīng)力達(dá)到3MPa，最小的主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，其值為-0.3MPa，隨著距隧道周邊距離的增加，最小主應(yīng)力也增加;（3）隧道埋深206.9m，考慮層理和共軛節(jié)理共同作用時，模擬斷面結(jié)構(gòu)圍巖變形云圖呈蝴蝶形，兩方向變形垂直層面向位移略大于順層面向，宏觀上表現(xiàn)出了基本對稱特性;（4）隧道圍巖洞室邊墻、拱腰變形位移最大，其次為拱頂，仰拱變形位移最小，橫向上以隧道中軸線為界，左側(cè)拱腰、邊墻變形整體較右側(cè)大。

關(guān)鍵詞：深埋順層;隧道圍巖;開挖變形;數(shù)值計算

中圖分類號：U416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）28-0054-04

Abstract： Under the condition of deep buried alternating soft and hard geological conditions， highway tunnel has the characteristics of complex structure and high ground stress， which poses a serious threat to the safety of tunnel construction. Taking Baoyun Tunnel of a high-speed railway as an example， this paper studies the excavation deformation of surrounding rock under the joint action of hard and soft interbedding and conjugate joints. The results show that： （1） The maximum principal stress around the tunnel appears in the plane of bedding layers and conjugate joints， namely the upper arch waist and arch foot on both sides. The maximum principal stress is 3MPa and 5MPa respectively. （2） The minimum principal stress around the tunnel is distributed symmetrically， and the minimum principal stress around the cave is around 0MPa. The minimum principal stress of the tunnel is up to 3MPa around 3m. The minimum principal stress appears negative value， whose value is -0.3MPa. As the distance from the periphery of the tunnel increases， the minimum principal stress also increases. （3） The buried depth of the tunnel is 206.9m. Considering the interaction of bedding and conjugate joints， the deformation cloud diagram of the simulated section structure of surrounding rock is in the shape of a butterfly. （4） The deformation and displacement of the side wall and arch waist of the enclosing rock chamber of the tunnel were the largest， followed by the vault， and the deformation and displacement of the invert were the smallest， which is bounded by the central axis of the tunnel laterally， and the deformation of the left arch waist and side wall is larger than that of the right side.

Keywords： deeply buried bedding; tunnel surrounding rock; excavation deformation; numerical calculation

1 概述

隨著我國鐵路工程在山區(qū)建設(shè)的迅速發(fā)展，致使深部巖體中隧道修筑必不可少，隨之而來的深部巖體所具有的特殊工程地質(zhì)問題也更加突出[1]。特別是擬建某高鐵，互層隧道開挖之后，引起的地表及深層層狀土體的應(yīng)力變化常常容易導(dǎo)致初期支護變形開裂，圍巖壓力較大時還會進一步導(dǎo)致二次襯砌開裂[2]。

為此國內(nèi)外學(xué)者對深埋層狀巖體隧道開挖展開研究并取得了眾多成果。Arora S等[3]、Yang J等[4]基于不同的假定條件，結(jié)合不同的計算理論建立了不同的層狀巖體理論研究模型;劉寧等[5]以中國最大埋深錦屏山超深埋特長交通洞例，提出了超深埋長隧道地應(yīng)力場綜合反分析方法;楊宗寶[6]以深埋福堂隧道為例進行地應(yīng)力測試和應(yīng)力場回歸反演分析，得到了整個工程區(qū)的地應(yīng)力分布特征;劉成禹等[7]以龍廈鐵路象山特長隧道地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、埋深大于500m段圍巖壓力及圍巖變形的現(xiàn)場測試資料為依據(jù)，對大埋深隧道地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育段圍巖壓力的特點、變形壓力的形成機制等進行了研究;陳懷偉[8]以顆粒離散元理論為基礎(chǔ)，從開挖過程中的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律、應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律及應(yīng)力重分布規(guī)律等角度研究構(gòu)造應(yīng)力場對雙線硬巖隧道的影響;夏才初等[9]基于GZZ強度準(zhǔn)則考慮應(yīng)變軟化特性，給出了深埋隧道彈塑性解;駱俊暉等[10]結(jié)合Midas模型，考慮構(gòu)造應(yīng)力場，對深埋隧道圍巖穩(wěn)定性進行了研究;李天揚（SURESH SANDA）[11]通過流固耦合計算模型對隧道圍巖開挖效應(yīng)及穩(wěn)定性進行了分析研究;潘家奇[12]基于有限元計算，對深埋公路隧道開挖方法進行了對比研究;蘇永華等[13]通過有限元計算，圍繞某深埋隧道支護結(jié)構(gòu)失效機理展開了研究;羅志文[14]采用ABAQUS 有限元分析軟件，建立了泥砂巖互層隧道圍巖蠕變計算模型，得到了圍巖蠕變30d后的水平位移和豎向位移分布特征。

從層狀深部巖體隧道圍巖開挖變形的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析來看，目前國內(nèi)外學(xué)者研究主要通過理論分析、有限元計算和現(xiàn)場測試等手段方法對公路工程互層狀結(jié)構(gòu)隧道圍巖開挖變形開展研究工作，關(guān)于因巖體傾斜且?guī)r體之間節(jié)理、層理面等地質(zhì)構(gòu)造作用影響的鐵路深埋順層隧道研究卻鮮有報道。本文以擬建某高鐵寶云隧道為例，就軟硬互層層理和共軛節(jié)理共同作用下隧道圍巖開挖變形開展數(shù)值模擬研究，主要對隧道開挖圍巖二次應(yīng)力場的分布規(guī)律及變形特征進行分析評價。

2 工程概況

擬建某高鐵寶云隧道里程為DK502+140～DK518+955，前后均為路基，全長16815m，最大埋深約400m。隧道淺埋段為DK502+380～DK502+500，埋深為15～50m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及線路可研、定測階段勘察資料，隧道DK502+140～DK512+480區(qū)間走向與巖層走向近平行，線路走向為SW31°，巖層產(chǎn)狀為N10°～65°E/30°～50°SE，巖層走向與線路夾角0°～30°，傾向線路左側(cè)，橫向上視傾角30°～45°，隧道右側(cè)存在深層順層。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧道主要處于樂業(yè)向斜的西北翼，線路走向與構(gòu)造線近平行，為單斜構(gòu)造。大里程段發(fā)育有白彝村斷層（處于非偏壓端），走向與路線近正交。受區(qū)域構(gòu)造影響，段內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～破碎，地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。

2.2 隧址區(qū)基巖特性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料圖及隧道工點資料，寶云隧道深埋順層區(qū)間DK502+140～DK512+480均處于三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）。地層巖性以砂巖、泥巖及互層為主，泥巖紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落;砂巖多為長石石英砂巖，淺灰、紫紅色，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚～厚層狀，質(zhì)稍硬。沿線全風(fēng)化帶（W4）厚2～4m，屬Ⅲ級硬土。強風(fēng)化帶（W3）厚5～10m，屬Ⅳ級軟石。以下為弱風(fēng)化帶（W2），屬Ⅳ級軟石。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 模型建立

以往學(xué)者研究結(jié)果表明，計算模型邊界范圍與隧道斷面尺寸直接相關(guān)，向洞室上下及兩側(cè)各延伸4倍洞徑一般就可以滿足計算對邊界條件的要求[15，16]。據(jù)此得到最終模型寬120m、高100m。邊界條件為底部豎向約束，頂部施加上覆壓力，左右兩側(cè)施加實測最大水平主應(yīng)力。采用三節(jié)點三角形單元對模型進行有限元離散，并對隧道斷面附近的巖體作加密網(wǎng)格處理。隧道開挖按兩臺階法開挖考慮。

3.2 模型參數(shù)

順層寶云隧道圍巖屬于層狀巖體結(jié)構(gòu)，巖體則由巖石和結(jié)構(gòu)面組合而成。硬-軟組合順層隧道包含硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖和結(jié)構(gòu)面三種材料。巖石采用實體單元模擬，服從摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系;結(jié)構(gòu)面采用GOODMAN接觸單元模擬，切向力學(xué)行為服從摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

根據(jù)《深孔地應(yīng)力測試報告》相關(guān)測試成果及建議，在測試隧道洞深范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力均以水平地應(yīng)力為主，方向與區(qū)域主構(gòu)造線近垂直，垂向主應(yīng)力隨埋深不同呈第二或第三主應(yīng)力，洞身段最大水平主應(yīng)力σ1=σH=9.53MPa，σ2=σh=5.83MPa，σ3=σz=5.48Mpa。巖層的計算參數(shù)參考地勘報告中的建議值，節(jié)理面參數(shù)根據(jù)土工試驗推薦取值和同類計算經(jīng)驗統(tǒng)一選取，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.3 模型工況

寶云隧道DK508+630處斷面，隧道埋深206.9m，圍巖結(jié)構(gòu)為硬軟巖互層，厚度分別為0.8m和0.8m，巖層傾角為53.72°，共軛節(jié)理與巖層按照隧道中軸線對稱，間距為0.8m。如無特別說明，在所有計算結(jié)果中，應(yīng)力單位為kPa，以受壓為正，位移單位為m。

3.4 開挖地應(yīng)力場演化分析

按照周圍全約束的邊界條件模擬隧道兩臺階開挖，得到隧道開挖下的圍巖二次應(yīng)力場的分布規(guī)律，如圖3所示。

（1）隧道周圍的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在順層層理面和順共軛節(jié)理面，即兩側(cè)上拱腰和拱腳處，最大主應(yīng)力分別為3MPa和5MPa，最大的主應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)上拱腰處，為8.60MPa;邊墻，拱頂和拱底的最大主應(yīng)力為0MPa左右，甚至部分位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力;隨著距離隧道周邊的距離增加，最大主應(yīng)力出現(xiàn)小幅度的升高;在左側(cè)上拱腰處和右側(cè)拱腳處最大主應(yīng)力在5MPa左右，接近原巖應(yīng)力;在隧道周圍10m處附近，最大主應(yīng)力整體增到3MPa左右，說明隧道開挖影響范圍從洞周到1倍洞徑之間。隧道周邊最大主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，為-0.4MPa，隨著距隧道周邊距離的增加，其值逐漸增加為正。

（2）隧道周邊最小主應(yīng)力幾乎對稱分布，洞室周圍最小主應(yīng)力在0MPa附近;在洞室周圍3m附近，隧道最小主應(yīng)力達(dá)到3MPa。最小的主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，其值為-0.3MPa，隨著距隧道周邊距離的增加，最小主應(yīng)力也增加。

3.5 變形特征分析

寶云硬-軟互層順層隧道由于開挖引起的圍巖變形云圖如圖4所示。由圖可知：

（1）隧道埋深206.9m，考慮層理和共軛節(jié)理共同作用時，模擬斷面結(jié)構(gòu)圍巖變形云圖呈蝴蝶形，兩方向變形垂直層面向位移略大于順層面向，宏觀上表現(xiàn)出了基本對稱特性。

（2）總體看來，洞室邊墻、拱腰變形位移最大，其次為拱頂，仰拱變形位移最小，橫向上以隧道中軸線為界，左側(cè)拱腰、邊墻變形整體較右側(cè)大;判斷水平構(gòu)造應(yīng)力場對隧道圍巖的變形特征產(chǎn)生了影響，使得在最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生了較大的變形位移，隧道支護應(yīng)著重考慮該種變形特征。

4 結(jié)論

本文以擬建某高鐵寶云隧道為例，就硬軟互層層理和共軛節(jié)理共同作用下隧道圍巖開挖變形開展數(shù)值模擬研究，主要對隧道開挖圍巖二次應(yīng)力場的分布規(guī)律及變形特征進行分析評價。得到如下結(jié)論：

（1）隧道周圍的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在順層層理和共軛節(jié)理面，即兩側(cè)上拱腰和拱腳處，最大主應(yīng)力分別為3MPa和5MPa。

（2）隧道周邊最小主應(yīng)力呈對稱分布，洞室周圍最小主應(yīng)力在0MPa附近;在洞室周圍3m附近，隧道最小主應(yīng)力達(dá)到3MPa。最小的主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，其值為-0.3MPa，隨著距隧道周邊距離的增加，最小主應(yīng)力也增加。

（3）隧道埋深206.9m，考慮層理和共軛節(jié)理共同作用時，模擬斷面結(jié)構(gòu)圍巖變形云圖呈蝴蝶形，兩方向變形垂直層面向位移略大于順層面向，宏觀上表現(xiàn)出了基本對稱特性。

（4）隧道圍巖洞室邊墻、拱腰變形位移最大，其次為拱頂，仰拱變形位移最小，橫向上以隧道中軸線為界，左側(cè)拱腰、邊墻變形整體較右側(cè)大。

參考文獻(xiàn)：

[1]高勇.不同結(jié)構(gòu)面傾角對深埋隧道開挖方法的影響規(guī)律研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2015，12（06）：54-58.

[2]徐偉.淺埋偏壓高山巖隧道變形特征及施工方案優(yōu)化[D].湘潭大學(xué)，2016.

[3]Arora S， Mishra B. Investigation of the failure mode of shale rocks in biaxial and triaxial compression tests[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2015，79：109-123.

[4]Yang J， Cao S， Li X. Failure laws of narrow pillar and asymmetric control technique of gob-side entry driving in island coal face[J]. International Journal of Mining Science and Technology， 2013，23（2）：267-272.

[5]劉寧，張春生，褚衛(wèi)江，等.超深埋長隧道地應(yīng)力場綜合反分析方法與應(yīng)用[J].中國公路學(xué)報，2018，31（10）：69-78.

[6]楊宗寶.深埋隧道初始應(yīng)力場特征及巖爆預(yù)測分析[D].長江科學(xué)院，2017.

[7]劉成禹，何滿潮.深埋隧道地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育段圍巖壓力的特點[J].巖土力學(xué)，2014，35（04）：1101-1109.

[8]陳懷偉.高地應(yīng)力深埋隧道開挖擾動規(guī)律[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，40（04）：102-109.

[9]夏才初，徐晨，劉宇鵬，等.基于GZZ強度準(zhǔn)則考慮應(yīng)變軟化特性的深埋隧道彈塑性解[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2018，37（11）：2468-2477.

[10]駱俊暉，米德才，葉瓊瑤，等.基于Midas模型下考慮構(gòu)造應(yīng)力場深埋隧道圍巖穩(wěn)定性研究[J].災(zāi)害學(xué)，2018，33（S1）：81-86.

[11]李天揚（SURESH SANDA）.基于流固耦合計算模型的隧道圍巖開挖效應(yīng)及穩(wěn)定性分析[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2017.

[12]潘家奇.基于數(shù)值模擬的深埋公路隧道開挖方法對比研究[A]. 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會錨固與注漿分會、廣東省巖土力學(xué)與工程學(xué)會錨固與注漿專業(yè)委員會.2017年全國錨固與注漿技術(shù)學(xué)術(shù)研討會論文集[C].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會錨固與注漿分會、廣東省巖土力學(xué)與工程學(xué)會錨固與注漿專業(yè)委員會：施工技術(shù)編輯部，2017：4.

[13]蘇永華，劉少峰，毛克明，等.某深埋隧道圍巖破裂發(fā)展機理數(shù)值模擬[J].計算力學(xué)學(xué)報，2015，32（03）：332-338.

[14]羅志文.泥砂巖互層隧道圍巖蠕變變形的有限元分析[J].公路工程，2018，43（05）：280-283.

[15]張潔溪，郭福成，雷剛.上軟下硬地層淺埋暗挖工法適應(yīng)性模擬[J].地下空間與工程學(xué)報，2011，7（S1）：1415-1421.

[16]喻偉.淺埋偏壓隧道施工圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)受力分析[D].重慶交通大學(xué)，2012.