復(fù)理石地層公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究

鄭君長，萬 飛，安亞雄，任一凡

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011； 2.交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

1 概述

復(fù)理石是一種特殊的海相沉積巖，具多次重復(fù)性韻律層理。巖石類型中泥巖、頁巖力學(xué)強度低，砂巖力學(xué)強度相對較高，構(gòu)造節(jié)理、裂隙發(fā)育，砂巖、泥巖、頁巖的重復(fù)性排列形式導(dǎo)致復(fù)理石巖體的穩(wěn)定性較差，隧道在開挖時容易發(fā)生大變形與塌方現(xiàn)象。

目前國內(nèi)外在復(fù)理石地層中修建隧道的工程實踐較少，針對復(fù)理石地層隧道設(shè)計與施工技術(shù)研究成果鮮見。由復(fù)理石地層巖體結(jié)構(gòu)可以看出，復(fù)理石地層隧道可以借鑒軟硬互層地層和層狀巖體隧道穩(wěn)定性分析方面研究成果。趙大洲[1]建立了砂巖與板巖互層巖體的本構(gòu)模型，研究了互層巖體隧道圍巖的力學(xué)特性。任松[2]采用ANSYS非線性接觸分析方法，對重慶四面山隧道砂泥巖互層段進(jìn)行圍巖穩(wěn)定分析。陳紅軍[3]結(jié)合鴨江隧道工程進(jìn)行了傾斜軟硬互層隧道破壞過程的模型試驗。王志杰[4]研究了土砂互層地層層厚比對圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。常偉[5]將水平砂巖泥巖互層巖體等效為正交各向異性，分析了隧道圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布特征。邵遠(yuǎn)揚[6]研究了在不同傾角、不同厚度、不同節(jié)理組數(shù)條件下層狀巖體的隧道圍巖穩(wěn)定性及破壞模式。

黑山共和國南北高速公路北部段(19 km)隧道工程均處于復(fù)理石地層中，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工方案設(shè)計缺乏技術(shù)支撐與依據(jù)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工安全面臨較大的風(fēng)險。因此，本文采用數(shù)值分析手段，建立能夠反映復(fù)理石地層巖石重復(fù)性組合層狀結(jié)構(gòu)的隧道工程模型，采用強度折減法[7]分析復(fù)理石地層隧道圍巖的穩(wěn)定性。

2 工程概況

黑山南北高速公路項目位于歐洲巴爾干半島的中北部的黑山共和國，該項目為雙向四車道(局部雙向六車道)高速公路，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為歐標(biāo)，時速100 km，全長約182 km，其中包含現(xiàn)有公路約10 km，其余為完全新建的道路。根據(jù)黑山政府的規(guī)劃，Smokovac-Matesevo段將先行建設(shè)，該項目路線全長40.872 km。Smokovac-Matesevo段共設(shè)隧道10座，隧道為左右線分離式隧道，左右線隧道間距離為20～30 m，隧道總長18.171 km，隧道采用復(fù)合式襯砌，內(nèi)襯半徑4.95 m，設(shè)計開挖半徑5.50～5.77 m(Ⅲ～Ⅴ級)，采用兩臺階法開挖。

項目施工區(qū)域位于黑山北部山區(qū)地帶，線路區(qū)巖性主要分為灰?guī)r區(qū)和復(fù)理石區(qū)，以里程K22分界，線路南部22 km為灰?guī)r區(qū)，北部19 km為復(fù)理石區(qū)。復(fù)理石地層巖石呈層片狀，以砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖互層為主(見圖1)，互層層厚一般為0.05～0.4 m，圍巖平均強度 25 MPa，最高50 MPa，節(jié)理發(fā)育，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比 89%，隧道開挖時容易出現(xiàn)塌方。

圖1 復(fù)理石地層隧道掌子面

3 分析方案

復(fù)理石地層是砂巖與泥巖巖石的集合體，數(shù)值計算模型中的地層應(yīng)分別具有砂巖和泥巖巖石的力學(xué)特性和層狀巖體的產(chǎn)狀特征。

采用有限元法對層狀巖體節(jié)理面進(jìn)行模擬時通常有兩種方式，分別為按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理的軟弱夾層模擬方式和按照不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理的無厚度接觸單元模擬方式。根據(jù)以往的研究表明，只要采用的節(jié)理面強度一致，上述兩種模擬方式計算結(jié)果十分相近，兩種模式都可以用來模擬層狀巖體。因此，可按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，采用實體單位模擬復(fù)理石地層中砂巖與泥巖巖石。

影響復(fù)理石地層隧道變形破壞特征的主要地質(zhì)因素為互層層厚、走向和傾角。已有研究成果表明，層狀巖體走向與隧道軸向夾角越大圍巖越穩(wěn)定，層狀巖體走向與隧道軸向平行時，圍巖的總位移最大且圍巖位移分布和發(fā)展規(guī)律與其他巖層走向時相同(走向與隧道軸向夾角<90°)[1]。因此，數(shù)值計算模型中取巖層走向與隧道軸向的最不利組合關(guān)系，即夾角為0°(平行)，數(shù)值計算模型可不考慮巖層走向變化的影響。

結(jié)合以上分析結(jié)果，并假定隧道在全斷面開挖完成后才會發(fā)生破壞，同時支護(hù)結(jié)構(gòu)失去支撐作用，數(shù)值計算模型采用平面應(yīng)變模型，隧道輪廓形式為三心圓兩車道，隧道施工狀態(tài)為全開斷面毛洞狀態(tài)，采用有限元強度折減法，分析復(fù)理石地層互層層厚和傾角不同時，隧道洞周圍巖的變形發(fā)展規(guī)律、圍巖破壞過程及破壞時變形分布規(guī)律。

3.1 計算參數(shù)

《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》[8]給出了砂巖與泥巖的物理力學(xué)參數(shù)，其中砂巖和泥巖兩種巖石的彈性模量、泊松比及粘聚力差別不大，摩擦角差別較大。因此，考慮構(gòu)造節(jié)理、風(fēng)化裂隙的影響，計算模型中砂巖與泥巖巖層的彈性模量均為5 GPa，泊松比均為0.3，重度均為24 kN/m3，粘聚力分別取0.4、1 MPa，摩擦角分別取40°、25°。

有限元強度折減法引入的強度折減系數(shù)可以表征沉積巖石受到構(gòu)造、風(fēng)化等作用導(dǎo)致的巖石力學(xué)參數(shù)降低效果，并在一定程度上反映隧道圍巖等級變化的趨勢。本數(shù)值計算模型中圍巖強度折減對象應(yīng)為泥巖與砂巖巖石的抗剪強度參數(shù)，并認(rèn)為泥巖與砂巖受到地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化作用后的損傷程度相同，泥巖與砂巖巖石采用相同的折減系數(shù)。

3.2 計算工況

計算工況中巖層傾角分為0°、30°、45°、60°、90°共5組方案，互層層厚分為泥巖和砂巖巖層厚度均為5、10、25、40 cm共4組方案，折減系數(shù)不斷增大直至圍巖發(fā)生失穩(wěn)。其中，以互層厚度均為0.4 m計算分析互層巖體傾角模型，以巖層傾角0°計算分析互層巖體層厚模型。計算工況詳見表1。

表1 計算工況Table1 Calculationcases工況圍巖層厚比層厚/cm傾角/(°)10.4020.430互層巖體傾角模型3泥巖∶砂巖1∶10.44540.46050.490互層巖體層厚模型10.0502泥巖∶砂巖1∶10.1030.25040.40

3.3 計算模型

隧道埋深為60 m，模型上表面自由，兩側(cè)為水平約束，縱向兩端為縱向水平約束，底面為垂直約束。豎直向上為Z軸正向，隧道橫斷面向右方向為X軸正向。圍巖采用實體單元、Morh-Coulomb理想彈塑性材料模擬，開挖單元采用Null Model模擬。

互層巖體傾角模型左右邊界距隧道中心線距離約為5倍洞徑，底部邊界距隧道底部的距離按4倍隧道高度，互層巖體傾角模型長×高=120 m×120 m。為減少互層巖體層厚模型網(wǎng)格數(shù)量以提高計算速度，將模型四周邊界范圍的網(wǎng)格進(jìn)行加強，模型計算范圍的左右邊界距隧道中心線距離約為4倍洞徑，底部邊界距隧道底部的距離按3倍隧道高度考慮，互層巖體層厚模型長×高=90 m×105 m，其中0.4、0.25、0.1、0.05 m層厚模型單元數(shù)分別為8 729、21 638、134 796、341 884個?；訋r體傾角模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 互層巖體傾角模型網(wǎng)格

4 不同巖層傾角時圍巖變形破壞特征

為分析隧道圍巖的穩(wěn)定性，以隧道開挖后圍巖的剪切應(yīng)變和拉應(yīng)變分析圍巖破壞過程，提取各折減系數(shù)時隧道洞周監(jiān)測點的位移，繪制不同巖層傾角條件下各折減系數(shù)時的監(jiān)測點位移曲線，分析不同巖層傾角隧道圍巖變形發(fā)展規(guī)律和破壞時變形分布規(guī)律。隧道洞周關(guān)鍵位置監(jiān)測點如圖3所示。

圖3 隧道洞周監(jiān)測點布置

4.1 圍巖變形發(fā)展規(guī)律分析

不同折減系數(shù)各巖層傾角隧道圍巖總位移最大值見表2。

表2 圍巖總位移最大值Table2 Maximumdisplacementofsurroundingrock折減系數(shù)總位移/mm0°30°45°60°90°1.57.37.57.67.06.62.016.419.818.215.613.22.327.034.732.329.724.02.540.449.948.253.62.662.161.562.279.82.7414.084.579.1失穩(wěn)2.8失穩(wěn)369.3393.4失穩(wěn)2.9失穩(wěn) 失穩(wěn)

由表2看出：

a.巖層傾角不同時隧道安全系數(shù)的變化范圍為2.4～2.8，其中巖層傾角30°和45°時安全系數(shù)最大為2.8，巖層傾角90°時安全系數(shù)最小為2.4。

b.組成互層巖體的巖石力學(xué)參數(shù)較好(折減系數(shù)1.5～2.3)，隧道圍巖不出現(xiàn)失穩(wěn)時，巖層傾角30°的隧道圍巖總位移最大，巖層傾角90°的隧道圍巖總位移最小。

c.組成互層巖體的巖石力學(xué)參數(shù)較差時(折減系數(shù)2.5～2.9)，巖層傾角≥60°的隧道圍巖將更容易失穩(wěn)。如折減系數(shù)2.5時，傾角90°隧道圍巖失穩(wěn)，傾角≤60°的隧道圍巖穩(wěn)定；折減系數(shù)2.7時，傾角60°隧道圍巖失穩(wěn)，傾角≤45°的隧道圍巖穩(wěn)定。

4.2 圍巖破壞過程分析

以最大剪切應(yīng)變、拉應(yīng)變大于0.2為剪切破壞閾值，即認(rèn)為當(dāng)切應(yīng)變、拉應(yīng)變大于0.2時材料發(fā)生了剪切滑裂、拉裂破壞[9]。計算得到不同巖層傾角隧道圍巖破壞過程如表3所示。

表3 隧道圍巖破壞過程

由表4看出：

a.巖層傾角0°的隧道破壞過程為隧道兩側(cè)墻腳首先出現(xiàn)破壞，然后隧道兩側(cè)拱腳～拱腰部位出現(xiàn)破壞，最后隧道墻腳～拱頂部位破壞水平向外擴展。

b.巖層傾角30°與45°的隧道破壞過程較為相似，為巖層與隧道開挖輪廓線相切部位，即隧道左側(cè)墻腳和拱頂(順巖層側(cè))首先出現(xiàn)破壞，然后隧道右側(cè)墻腳～右側(cè)拱腳(逆巖層側(cè))出現(xiàn)破壞，最后左側(cè)墻腳～右側(cè)拱腰(順巖層側(cè))沿平行層面方向破壞向外擴展，右側(cè)墻腳～右側(cè)拱腳范圍(逆巖層側(cè))沿平行層面方向破壞向外擴展，但破壞深度明顯小于順巖層側(cè)。

c.巖層傾角60°的隧道破壞過程為巖層與隧道開挖輪廓線相切部位，即隧道左側(cè)拱腳和右側(cè)拱腰(順巖層側(cè))首先出現(xiàn)破壞，然后從這兩個部位破壞范圍和深度不斷擴大，最終左側(cè)墻腳～右側(cè)拱腰(順巖層側(cè))和右側(cè)拱腰～右側(cè)墻腳(逆巖層側(cè))均發(fā)生破壞，并且順巖層側(cè)的破壞深度更大。

d.巖層傾角90°的隧道破壞過程為隧道兩側(cè)墻腳(逆巖層側(cè))首先出現(xiàn)破壞，然后隧道拱頂部位(順巖層側(cè))出現(xiàn)破壞，最終左側(cè)拱腳～右側(cè)拱腳(順巖層側(cè))破壞豎向向外擴展，兩側(cè)拱腳～墻腳(逆巖層側(cè))破壞向外擴展。

4.3 圍巖破壞變形分布規(guī)律分析

圖4為巖層傾角0°～90°數(shù)值模型在隧道圍巖失穩(wěn)時(強度折減系數(shù)分別為：2.8、2.9、2.7、2.7、2.5)的總位移云圖。

圖4 隧道圍巖變形云圖

由圖4看出，隧道圍巖變形主要集中在開挖輪廓與順巖層面大角度相交的范圍，0°傾角時為兩側(cè)拱腰～邊墻部位、30°傾角時為左拱腰～左邊墻部位、45°傾角時為左拱頂～左拱腳部位、60°傾角時為左拱頂～左拱腳部位、90°傾角時為左拱腰～右拱腰部位；開挖輪廓與巖體層面小角度相交及逆巖層面范圍的圍巖位移較小。

將隧道失穩(wěn)時洞周監(jiān)測點總位移量進(jìn)行歸一化處理(各傾角監(jiān)測點位移量/各傾角最大位移量)，歸一化后的總位移量數(shù)值稱作變形比(0.1～1.0)，繪制不同巖層傾角時各監(jiān)測點變形比分布曲線如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點位移分布曲線

由圖5看出：

a.不同互層巖體傾角隧道洞周各位置圍巖位移相差較大。巖層傾角0°～90°條件下，各監(jiān)測點的最小變形比分別為0.68、0.54、0.41、0.43、0.68，分別出現(xiàn)在拱頂、右邊墻、右邊墻、右邊墻、右邊墻。

b.除0°和90°傾角外，隧道洞周對稱位置的左側(cè)變形量明顯大于右側(cè)。如30°傾角時，左拱腰變形比為0.98，右拱腰變形比為0.64；45°傾角時，左拱腰變形比為1.0，右拱腰變形比為0.59；60°傾角時，左拱腰變形比為1.0，右拱腰變形比為0.82。

c.隨著巖層變陡(傾角增大)，隧道洞周圍巖最大變形位置將由邊墻向拱頂逐漸轉(zhuǎn)移。巖層傾角由0°～90°變化時，分別是邊墻、左拱腳、左拱腰、左拱腰、拱頂?shù)缺O(jiān)測點位移量最大。

5 互層層厚對圍巖變形破壞特征影響

因前文已分析巖層傾角0°、互層層厚0.4 m時的圍巖變形發(fā)展規(guī)律、圍巖破壞過程、圍巖破壞變形分布規(guī)律，因此僅需分析互層層厚改變引起的圍巖變形發(fā)展規(guī)律、圍巖破壞過程、圍巖破壞變形分布規(guī)律變化情況。由互層層厚模型計算結(jié)果看出，不同的互層層厚不影響隧道圍巖破壞過程，此處僅分析互層層厚對隧道圍巖變形發(fā)展規(guī)律和圍巖破壞變形分布規(guī)律的影響。

5.1 對圍巖變形發(fā)展規(guī)律影響分析

不同折減系數(shù)各互層層厚隧道圍巖總位移見表4。

表4 圍巖總位移最大值Table4 Maximumdisplacementofsurroundingrock折減系數(shù)總位移/mm0.050.10.250.42.09.28.98.48.12.314.714.313.613.02.520.319.719.218.22.737.135.829.827.52.891.168.643.22.9失穩(wěn) 110.961.53.0失穩(wěn) 失穩(wěn) 129.93.1失穩(wěn)

由表4看出：

a.圍巖安全系數(shù)隨互層層厚不斷增大，安全系數(shù)的變化范圍2.7～3.0，并且安全系數(shù)對應(yīng)的隧道圍巖位移值也不斷增大。層厚0.05時安全系數(shù)最小為2.7，對應(yīng)的圍巖位移量37.1 mm；層厚0.4時安全系數(shù)最大為3.0，對應(yīng)的圍巖位移量129.9 mm。

b.組成互層圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)較好(折減系數(shù)2.0～2.7)，隧道圍巖不出現(xiàn)失穩(wěn)時，互層層厚越小，隧道圍巖變形量越大。組成互層圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)較差時(折減系數(shù)2.8～3.0)，互層層厚較小的隧道圍巖將更容易失穩(wěn)。如折減系數(shù)2.8時，0.05 m層厚互層巖體失穩(wěn)，層厚≥0.1 m的互層巖體穩(wěn)定；折減系數(shù)2.9時，0.1 m層厚互層巖體失穩(wěn)，層厚≥0.25 m的互層巖體穩(wěn)定；折減系數(shù)3.0時，0.25 m層厚互層巖體失穩(wěn)，層厚≥0.4 m的互層巖體穩(wěn)定。

綜上所述，在互層巖層的巖石力學(xué)參數(shù)可以保證隧道圍巖穩(wěn)定時(折減系數(shù)2.0～2.7)，互層層厚越小隧道圍巖變形量越大，但互層層厚越小的隧道安全系數(shù)更小(隧道失穩(wěn)時的互層巖層的巖石力學(xué)參數(shù)更小)，且隧道發(fā)生失穩(wěn)時的位移越小。

5.2 對圍巖破壞變形分布規(guī)律影響分析

將隧道失穩(wěn)時洞周監(jiān)測點總位移量進(jìn)行歸一化處理(各互層層厚監(jiān)測點位移量/各互層層厚最大位移量)，繪制不同互層層厚的各監(jiān)測點變形比分布曲線如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點位移分布曲線

由圖6看出：

a.不同互層層厚隧道洞周圍巖變形分布形狀差別不大，均為拱頂和兩側(cè)墻腳處最小(不同部位變形比接近)、兩側(cè)邊墻處最大。

b.互層層厚越大，隧道洞周圍巖變形分布越均勻。互層層厚由0.05 m增大至0.4 m，隧道洞周各監(jiān)測點變形比相差越小，0.05 m時全部監(jiān)測點的變形比平均值為0.86，0.4 m時全部監(jiān)測點的變形比平均值為0.94。

6 結(jié)論

通過采用數(shù)值計算方法分析復(fù)理石地層隧道圍巖的穩(wěn)定性，得到如下主要結(jié)論：

a.當(dāng)互層巖體隧道圍巖巖石力學(xué)參數(shù)較好，隧道圍巖不出現(xiàn)失穩(wěn)時，復(fù)理石地層巖層傾角≥60°的隧道圍巖位移更小，巖層傾角≤45°的隧道圍巖位移相對較大；當(dāng)圍巖巖石力學(xué)參數(shù)較差時，復(fù)理石地層巖層傾角≥60°的隧道圍巖更容易失穩(wěn)，巖層傾角90°的隧道圍巖安全系數(shù)最小為2.4。巖層傾角≤45°的隧道圍巖相對更穩(wěn)定，巖層傾角30°和45°的隧道圍巖安全系數(shù)最大為2.8。

b.巖層傾角由0°～90°變化時，隧道圍巖最大變形位置將由邊墻向拱頂逐漸轉(zhuǎn)移，隧道圍巖發(fā)生破壞部位、破壞發(fā)展順序和破壞深度發(fā)生改變，隧道圍巖變形主要集中在開挖輪廓與順巖層面大角度相交的范圍，開挖輪廓與巖體層面小角度相交及逆巖層面范圍的圍巖位移較小。除0°和90°傾角外，隧道洞周對稱位置順巖層側(cè)變形量明顯大于逆巖層側(cè)，如45°傾角時，左拱腰變形比為1.0，右拱腰變形比為0.59。

c.當(dāng)互層巖體隧道圍巖巖石力學(xué)參數(shù)可以保證隧道圍巖穩(wěn)定時，互層層厚越小隧道圍巖變形量越大。但當(dāng)圍巖巖石力學(xué)參數(shù)變差，互層層厚越小的隧道圍巖將更容易失穩(wěn)，且隧道出現(xiàn)失穩(wěn)時的位移越小。

d.不同互層層厚隧道洞周圍巖變形分布特征變化不大，層厚越大的隧道洞周圍巖變形量差別越小，0.05～0.4 m厚度時表征變形分布特征的監(jiān)測點變形比平均值由0.86增大至0.94。