泥巖夾砂巖順層大跨度隧道力學(xué)特征研究

趙東平，季啟航，王國軍

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023)

0 引言

在山嶺隧道建設(shè)過程中常會遇到偏壓的地質(zhì)情況，在現(xiàn)行TB 1003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中，對于地表傾斜的淺埋地形偏壓隧道已經(jīng)有較為明確的設(shè)計(jì)規(guī)定。但是，對于穿越軟硬巖層或傾斜順層地質(zhì)的偏壓隧道，在偏壓判定標(biāo)準(zhǔn)及荷載計(jì)算方法等方面均無具體的規(guī)定可供參考。近年來，隨著西部鐵路網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，鐵路沿線上的大跨度順層隧道逐漸增多，個(gè)別線路上的大跨度順層隧道占比幾乎達(dá)到100%，順層隧道在施工期間暴露出的問題逐漸引起工程界的關(guān)注。

目前，針對地質(zhì)順層隧道的研究主要集中在隧道力學(xué)機(jī)制及支護(hù)方法2方面。Do等[2]依托煤礦區(qū)非圓形巷道，探討了層狀巖層條件下隧道非對稱破壞區(qū)域形成的原因，并對巖層傾角、側(cè)壓力系數(shù)和巖體質(zhì)量對圍巖位移的影響進(jìn)行了研究。陳洋宏等[3]采用數(shù)值方法對軟硬互層隧道位移影響因素進(jìn)行分析，得出側(cè)壓力系數(shù)、巖層傾角、圍巖厚度、圍巖彈性模量、隧道埋深5個(gè)因素對隧道各部位位移影響的顯著性排序。韓昌瑞等[4]、李曉紅等[5]依托渝湘高速公路共和隧道，針對砂質(zhì)頁巖順層隧道偏壓破壞特征進(jìn)行研究，提出適用于該地質(zhì)條件的各向異性彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并采用現(xiàn)場實(shí)測的方法得出圍巖松動圈范圍，印證了地質(zhì)構(gòu)造是隧道結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。周曉軍等[6]針對頁巖夾灰?guī)r順層單線隧道開展了模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明順層隧道荷載的非對稱性與順層傾角密切相關(guān)。鄧祥輝等[7]采用數(shù)值方法針對砂巖順層隧道的層厚及傾角對隧道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明順層隧道的偏壓特征隨著巖層厚度的增大而逐漸減小。周應(yīng)麟等[8]提出了層狀巖層下洞室失穩(wěn)的4種力學(xué)模型，并采用Ⅴ級圍巖參數(shù)針對順層隧道巖層傾角對隧道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。徐國文等[9]利用離散元有限差分耦合算法，得出層狀巖層下圍巖破壞為層理面先行破壞導(dǎo)致巖體拉裂破壞的相互耦合作用，以及側(cè)壓力系數(shù)減小導(dǎo)致巖體微裂縫增多，圍巖破壞形態(tài)隨著層理間距的增大而逐漸趨近均質(zhì)地層的結(jié)論。吳迪等[10]采用現(xiàn)場量測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得出層狀圍巖隧道中襯砌結(jié)構(gòu)的最不利位置常出現(xiàn)在層理面法線方向。胡煒等[11-12]針對頁巖夾砂巖深埋順層隧道，通過理論分析與數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了順層隧道呈現(xiàn)明顯的偏壓特征，并分析了結(jié)構(gòu)面傾角與摩擦角對隧道偏壓特征的影響，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面摩擦角超過巖層摩擦角后，摩擦角對圍巖穩(wěn)定性影響較小，隧道拱腰與仰拱的最不利傾角分別為40°與0°。曹興松等[13]、鄧彬[14]提出在順層隧道中可采用非對稱長錨桿、非對稱截面與非對稱配筋襯砌的設(shè)計(jì)，降低偏壓產(chǎn)生的不利影響。

分析以上有關(guān)順層隧道的研究成果可知，既有研究主要針對小跨度隧道開展，部分研究成果針對頁巖夾砂巖地層大跨度順層隧道偏壓特征開展了研究，但是，未見針對泥巖夾砂巖地層大跨度隧道力學(xué)特征的報(bào)道，此外，既有研究中沒有考慮地下水對順層圍巖的弱化作用。基于上述情況，本文依托在建鄭萬高鐵隧道工程，針對泥巖夾砂巖地層大跨度順層隧道，研究順層傾角、順層間距及地下水等主要影響因素對隧道力學(xué)特征的影響，以期為類似地質(zhì)條件下的大跨度隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

鄭萬高鐵重慶段隧道累計(jì)長度約174 km，采用單洞雙線設(shè)計(jì)方案，最大開挖跨度達(dá)15 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，鄭萬高鐵重慶段穿越順層段落的隧道累計(jì)長度約135 km，順層隧道占隧道線路的比例達(dá)77.6%。其中：順層段落巖性以泥巖夾砂巖為主，占比67.2%；少部分隧道順層巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖等硬巖，占比10.2%；非順層段落占比22.6%。鄭萬高鐵重慶段隧道順層段落占比情況如圖1所示。

圖1 鄭萬高鐵重慶段隧道順層段落占比情況Fig.1 Proportions of bedding section of Zhengzhou-Wanzhou railway tunnel in Chongqing

施工期間，穿越順層地層的多座隧道局部段落發(fā)生了較大變形，這些變形呈現(xiàn)出較為顯著的非對稱特征，如圖2所示。

圖2 某隧道順層段落橫斷面典型位移(單位：cm)Fig.2 Typical displacement of cross-section in bedding section of a tunnel (unit:cm)

部分隧道的初期支護(hù)在非對稱圍巖壓力作用下，出現(xiàn)初期支護(hù)混凝土剝落、鋼架扭曲等現(xiàn)象，如圖3所示。

已施工段大跨度隧道出現(xiàn)的種種問題表明在泥巖夾砂巖地層條件下，順層隧道偏壓特征較為顯著，順層偏壓問題對隧道施工及運(yùn)營產(chǎn)生的影響不容忽視。為預(yù)防隧道施工及運(yùn)營過程中可能出現(xiàn)的病害，有必要對泥巖夾砂巖順層隧道的力學(xué)特征開展系統(tǒng)性的研究。

圖3 某隧道順層段落初期支護(hù)破壞特征Fig.3 Failure characteristic of primary support in bedding section of a tunnel

2 順層隧道現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬

從隧道掌子面揭示的圍巖巖性及產(chǎn)狀來看，隧道穿越泥巖夾砂巖順層，砂巖巖層厚度相對較薄，巖層走向與隧道軸向基本一致，順層間距在1～4 m非均勻變化，順層傾角在緩傾至陡傾范圍內(nèi)非均勻變化。個(gè)別地段地下水發(fā)育，隧道位移量測數(shù)據(jù)表明，在地下水發(fā)育且順層同時(shí)存在的區(qū)段，隧道收斂位移較普通段顯著增大。施工期間，順層區(qū)段隧道圍巖表現(xiàn)的偏壓特征與圍巖巖性、順層間距及順層傾角等參數(shù)密切相關(guān)。因此，研究上述參數(shù)對順層隧道偏壓特征的影響程度，將有助于及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)與施工技術(shù)方案，減小或消除偏壓對隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測

為了研究隧道初期支護(hù)實(shí)際承受的圍巖壓力及變形特征，選取鄭萬高鐵小三峽隧道順層區(qū)段D1K672+642斷面開展現(xiàn)場試驗(yàn)，該斷面隧道埋深約250 m，掌子面巖層產(chǎn)狀如圖4(a)所示，屬典型的泥巖夾砂巖順層地層，圍巖等級為Ⅳ級，砂巖層厚度為0.2～0.4 m，層間距為0.3～2.5 m，順層傾角大致接近45°。在噴射混凝土施工前，于隧道周邊安裝YT-200A型振弦式雙膜土壓力計(jì)，通過對土壓力計(jì)頻率的測量，得出圍巖與初期支護(hù)之間接觸壓力分布情況及圍巖壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，并利用全站儀對隧道開挖前后圍巖的變形情況進(jìn)行測量。土壓力計(jì)布置及儀器現(xiàn)場安裝情況、圍巖位移測點(diǎn)布置分別如圖4(b)和圖4(c)所示?，F(xiàn)場實(shí)測的圍巖接觸壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系及接觸壓力穩(wěn)定后的分布特征如圖5(a)和圖5(b)所示，隧道周邊位移收斂后，各個(gè)測點(diǎn)實(shí)測位移見圖5(c)。

(a)D1K672+642掌子面巖層產(chǎn)狀

實(shí)測結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的推移各測點(diǎn)圍巖壓力逐漸增大，并于80 d后趨于穩(wěn)定(見圖5(a))。隧道圍巖壓力穩(wěn)定后，監(jiān)測斷面圍巖壓力環(huán)向分布情況顯示，拱頂圍巖接觸壓力最大，順層法線方向圍巖壓力明顯大于順層方向，隧道呈現(xiàn)出明顯的偏壓特征。由圖5(c)可知，隧道拱頂至右拱腰部位圍巖實(shí)測位移明顯大于左側(cè)，即順層法線方向位移大于順層方向，隧道變形呈現(xiàn)出較為明顯的非對稱特征。

2.2 數(shù)值模擬

實(shí)測結(jié)果表明，順層隧道存在偏壓現(xiàn)象，但是該結(jié)果僅能與特定的順層構(gòu)造參數(shù)(順層間距和傾角等)相對應(yīng)。為了進(jìn)一步研究順層地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)及地下水等影響因素對隧道偏壓特征的影響規(guī)律，有必要借助數(shù)值計(jì)算方法。考慮到巖層走向與隧道軸線平行，可建立二維地層結(jié)構(gòu)模型對泥巖夾砂巖順層隧道開展多工況數(shù)值分析。加拿大Rocscience公司開發(fā)的Phase2有限元程序中內(nèi)置的joint單元可以方便地模擬巖層中的不同層理，因此，本文采用Phase2程序建立數(shù)值模型，對泥巖夾砂巖順層隧道開展多工況數(shù)值分析研究。

(a)圍巖壓力歷時(shí)曲線

為了便于與現(xiàn)場實(shí)測斷面對比分析，計(jì)算模型隧道埋深取250 m。由于模型尺寸的限制，將模型范圍外的上覆巖層重度以荷載的形式施加于模型頂部，并進(jìn)行地應(yīng)力平衡，模型尺寸為100 m×100 m。隧道跨度為14.8 m，采用臺階法開挖，上臺階高度為4.7 m，下臺階高度為5.3 m，仰拱高度為2.0 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，砂巖間距取2 m，砂巖傾角為45°，數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示，模型中的地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)與現(xiàn)場試驗(yàn)斷面基本相符。

由于順層中的砂巖巖層厚度較薄(0.2～0.4 m)且完整性差(見圖4(a))，因此，采用Phase2軟件中joint單元模擬砂巖巖層，采用實(shí)體單元模擬泥巖。Phase2程序中推薦了一種基于巖層充填物性質(zhì)的joint剛度計(jì)算方法，將砂巖視為泥巖層中的充填物，此時(shí)joint單元的法向剛度kn與剪切剛度ks可通過式(1)和式(2)進(jìn)行估算。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：E0為充填物彈性模量，GPa；G0為充填物剪切模量，GPa；h為充填物厚度，m。

圖6 順層隧道數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)Fig.6 Numerical model of bedding tunnel (unit:m)

為了確定數(shù)值計(jì)算所需的參數(shù)，在隧道現(xiàn)場鉆取了泥巖巖樣開展室內(nèi)試驗(yàn)，巴東組泥巖巖樣及試驗(yàn)儀器如圖7所示。由于砂巖層厚度薄且完整性差，現(xiàn)場未取得合適的砂巖層巖樣。最終，根據(jù)泥巖試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合張小波[15]、張玉等[16]針對砂巖開展的物理特性試驗(yàn)研究，以及TB 1003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]關(guān)于Ⅳ級圍巖物理力學(xué)指標(biāo)的參考值，獲取順層隧道圍巖計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

(a)泥巖巖樣

根據(jù)小三峽隧道施工工序，隧道臺階開挖后在臺階周邊施加初期支護(hù)，主要包括噴射混凝土與鋼架，其中噴射混凝土采用C25混凝土，鋼架采用I18型工字鋼。根據(jù)TB 1003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]噴射混凝土及鋼架的物理力學(xué)指標(biāo)，確定支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)，如表2所示。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of surrounding rock

表2 支護(hù)計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of tunnel support

由于二維數(shù)值模型無法展現(xiàn)隧道施工過程中三維空間的尺寸效應(yīng)，一種近似的方法是設(shè)定圍巖應(yīng)力釋放率，近似模擬隧道掌子面對圍巖的約束作用。圍巖應(yīng)力釋放率在開挖階段分別設(shè)定為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，計(jì)算在不同應(yīng)力釋放率條件下隧道周邊圍巖的位移值。當(dāng)計(jì)算位移與實(shí)測位移基本接近時(shí)，則認(rèn)為設(shè)定的應(yīng)力釋放率是比較合適的，并作為后續(xù)分析的參數(shù)。不同應(yīng)力釋放率條件下，隧道周邊特征點(diǎn)圍巖位移計(jì)算值如圖8所示。

圖8 順層隧道圍巖位移與應(yīng)力釋放率的關(guān)系Fig.8 Relationship between displacement of surrounding rock and stress release rate of bedding tunnel

由圖8可知，隧道周邊圍巖位移隨著應(yīng)力釋放率的增長而增大，當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放率取為0.3時(shí)，隧道左拱腰及拱頂實(shí)測位移與數(shù)值計(jì)算較為接近，且能反映出順層隧道的非對稱變形特征，故應(yīng)力釋放率取為0.3。此時(shí)，順層隧道圍巖位移及塑性區(qū)范圍如圖9所示(圖9(b)中的圖例表示圍巖進(jìn)入塑性區(qū)的比例)，砂巖順層塑性區(qū)范圍如圖10所示。

(a)圍巖位移(單位：m)

圖10 砂巖順層塑性區(qū)范圍(單位：m)Fig.10 Sandstone bedding plastic zone of tunnel (unit:m)

由圖10可知，砂巖順層塑性區(qū)分布于順層法線方向，砂巖順層塑性破壞引起泥巖沿順層法線方向產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致該處圍巖位移與泥巖塑性區(qū)范圍增大，引起圍巖位移的不連續(xù)分布。因此，泥巖與砂巖順層的破壞相互耦合作用會顯著改變隧道周邊圍巖的位移場，進(jìn)而影響隧道的力學(xué)特征。

3 順層參數(shù)對隧道偏壓的影響

為了研究順層參數(shù)對隧道力學(xué)特征的影響，在隧道開挖輪廓周邊布置8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(如圖11所示)，通過對不同工況下各個(gè)測點(diǎn)的位移及沿圍巖深度方向的塑性區(qū)范圍進(jìn)行分析，論證順層構(gòu)造參數(shù)對隧道偏壓的影響程度及規(guī)律。

圖11 隧道位移監(jiān)測點(diǎn)位置Fig.11 Layout of tunnel displacement monitoring points

3.1 順層傾角對隧道偏壓的影響

在控制其余參數(shù)不變的情況下，假定順層間距為1 m，當(dāng)順層傾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)圍巖位移變化情況如圖12所示。

圖12 順層隧道圍巖位移與順層傾角的關(guān)系Fig.12 Relationship between surrounding rock displacement and bedding dip angle of bedding tunnel

由圖12可知：當(dāng)順層傾角小于15°或順層傾角為90°時(shí)，順層隧道周邊圍巖位移基本對稱，隧道不存在偏壓特征；當(dāng)順層傾角在15～90°逐漸增大時(shí)，順層法線方向圍巖位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，順層方向圍巖位移持續(xù)減?。划?dāng)順層傾角為45～75°時(shí)，順層法線方向圍巖位移明顯大于順層方向，隧道的偏壓特征較為顯著。

順層傾角不同時(shí)隧道塑性區(qū)范圍如圖13所示(圖例表示圍巖進(jìn)入塑性區(qū)的比例)。由圖13可知：當(dāng)順層傾角為0°及90°時(shí)，隧道圍巖塑性區(qū)基本上對稱分布，不存在偏壓現(xiàn)象；當(dāng)順層傾角在15～90°逐漸增大時(shí)，隧道右側(cè)泥巖塑性區(qū)范圍開始逐漸大于左側(cè)，砂巖順層塑性區(qū)沿順層法線方向延伸；當(dāng)順層傾角為45°時(shí)，泥巖塑性區(qū)范圍最大，砂巖順層的塑性區(qū)沿順層法線方向延伸范圍最大，順層隧道的偏壓現(xiàn)象最為顯著。

3.2 順層間距對隧道偏壓的影響

由3.1節(jié)可知，順層隧道的最不利傾角為45°，因此假定順層傾角為45°，在此條件下分析順層間距對隧道偏壓的影響。當(dāng)順層間距由0.5 m增大至5 m時(shí)，隧道周邊圍巖位移計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知：當(dāng)順層間距較小時(shí)，順層法線方向圍巖位移明顯大于順層方向，隧道偏壓特征顯著；隨著順層間距的增大，圍巖的非對稱位移逐漸減小，偏壓特征逐漸減緩；當(dāng)順層間距超過3 m后，隧道位移基本對稱。

順層隧道圍巖塑性區(qū)范圍與順層間距的關(guān)系如圖15所示。由圖15可知：順層間距較小時(shí)，順層法線方向泥巖塑性區(qū)范圍大于順層方向；當(dāng)順層間距大于2 m時(shí)，隨著順層間距的增大，泥巖塑性區(qū)范圍變化不明顯。

3.3 地下水對隧道偏壓的影響

泥巖具有抗壓強(qiáng)度低，滲透性差，失水易開裂剝落，遇水易軟化崩解、強(qiáng)度急劇降低的特點(diǎn)[17]。柳萬里等[18]對天然狀態(tài)與飽和狀態(tài)下巴東組泥巖開展的單軸壓縮試驗(yàn)表明，飽和試件彈性模量降低22.97%，顆粒摩擦因數(shù)降低30%，黏結(jié)法向強(qiáng)度與切向強(qiáng)度降低22.86%。根據(jù)以上結(jié)論調(diào)整順層隧道模型參數(shù)并考慮地下水的滲流效應(yīng)，結(jié)合施工現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件，設(shè)置水位高度距離隧道拱頂200 m，泥巖滲透系數(shù)為1×10-7m/s。假定順層間距為0.5 m、順層傾角為45°，分別對有無地下水的2種工況進(jìn)行計(jì)算與分析，計(jì)算結(jié)果如圖16所示。

由圖16可知，由于地下水對圍巖物理參數(shù)的削弱及滲流作用，圍巖位移、泥巖與砂巖塑性區(qū)范圍均有所增大，圍巖破壞比例增加，圍巖穩(wěn)定性下降，其中，隧道拱腰圍巖力學(xué)特征變化最為顯著。因此，地下水對泥巖夾砂巖順層隧道產(chǎn)生了明顯的不利影響，該計(jì)算結(jié)果與施工現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象基本一致。

(a)順層傾角0°

圖14 順層隧道圍巖位移與順層間距的關(guān)系Fig.14 Relationship between surrounding rock displacement and bedding spacing of bedding tunnel

圖15 順層隧道圍巖塑性區(qū)范圍與順層間距的關(guān)系Fig.15 Relationship between plastic zone depth and bedding spacing of bedding tunnel

(a)圍巖位移(單位：cm)

4 結(jié)論與討論

本文采用現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對泥巖夾砂巖順層大跨度隧道力學(xué)特征進(jìn)行了研究，分析了順層主要地質(zhì)參數(shù)及地下水對順層隧道力學(xué)特征的影響，得出的主要結(jié)論如下。

1)在泥巖夾砂巖地層條件下，順層隧道的力學(xué)特征與均質(zhì)地層存在較大的區(qū)別。由于巖體沿順層法線方向彎曲變形，順層法線方向圍巖位移明顯大于順層方向，隧道變形呈現(xiàn)出明顯的不對稱特征；砂巖順層的破壞會引起泥巖塑性區(qū)延伸，造成泥巖塑性區(qū)的不對稱發(fā)育。

2)砂巖順層的間距對隧道力學(xué)特征有較大的影響。隨著順層間距的增加，圍巖位移與塑性區(qū)范圍逐漸減小，隧道的不對稱變形逐漸減小。當(dāng)砂巖順層間距超過3 m以后，順層隧道的偏壓特征基本消失。

3)砂巖順層的傾角對隧道力學(xué)特征有顯著的影響。砂巖順層的破壞主要發(fā)生于順層法線方向，并引起一定范圍內(nèi)圍巖整體的破壞。隨著順層傾角的增大，圍巖塑性區(qū)逐漸向邊墻發(fā)展。順層傾角為45°時(shí)，砂巖順層塑性區(qū)范圍最大，圍巖位移的不對稱特征最為顯著，此時(shí)順層構(gòu)造對圍巖的穩(wěn)定性最為不利。

4)在含有地下水的順層地質(zhì)條件下，由于地下水對泥巖力學(xué)參數(shù)的削弱以及地下水的滲流作用，圍巖位移及塑性區(qū)范圍均有所增加，圍巖穩(wěn)定性降低，此時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注拱腰處的圍巖變形情況。

5)對于順層隧道而言，可通過圍巖巖性、順層間距、順層傾角及地下水等主要參數(shù)對其偏壓特征進(jìn)行判定。對于泥巖夾砂巖大跨度順層隧道而言，當(dāng)順層間距小于3 m、順層傾角在45～75°時(shí)需要考慮隧道的偏壓特征。

本文主要探討了順層巖性、地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)及地下水對泥巖夾砂巖順層大跨度隧道力學(xué)特征的影響，但由于數(shù)值軟件的局限性及現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)量有限，并未得出大跨度順層隧道偏壓荷載與地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)的定量化關(guān)系，今后將針對上述問題開展進(jìn)一步的研究。