高地應(yīng)力水平層狀巖體結(jié)構(gòu)特征對隧道底鼓影響分析

鄭長青，湯 印，路軍富

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

引言

近年來，隧道底鼓病害頻發(fā)，筆者調(diào)研20座發(fā)生底鼓病害的高速鐵路隧道發(fā)現(xiàn)，高地應(yīng)力和緩傾層狀圍巖是底鼓隧道的顯著特征。層狀巖體是隧道工程中常見的一種各向異性巖體，其變形和強(qiáng)度特征較為復(fù)雜，工程實(shí)踐表明，在層狀巖體中進(jìn)行隧道開挖常常會(huì)出現(xiàn)圍巖大變形和結(jié)構(gòu)破壞等工程問題[1-6]，相關(guān)研究也指出，層狀軟巖在高地應(yīng)力及其他因素的影響下發(fā)生隧道底鼓也較為常見[7-9]。目前，一些學(xué)者針對隧道層狀圍巖及其對隧道的底鼓影響進(jìn)行了深入研究，提出許多很有價(jià)值的研究成果，韓昌瑞[10]建立了深埋隧道層狀巖體彈塑性本構(gòu)模型，并基于C++匯編程序語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；肖小文等[11]提出高地應(yīng)力、隧底緩傾互層巖體及仰拱下部存在軟弱巖層是導(dǎo)致某無砟軌道隧道底部隆起的主要原因；汪洋等[12]通過數(shù)值模擬分析了高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道在不同埋深和側(cè)壓力系數(shù)下的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律；李曉紅等[13]通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對深埋層狀圍巖隧道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)特征對圍巖的變形和破壞具有顯著影響；楊清潔[14]分析了層狀巖體層理面傾角和圍巖蠕變對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響；陳洋宏[15-16]等針對高地應(yīng)力緩傾軟硬互層巖體中隧道底鼓問題，采用單一影響因素和多因素耦合方法研究側(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種影響因素下的隧道底鼓的規(guī)律；溫建永[17]對層狀巖體隧道底鼓病害進(jìn)行了機(jī)理分析，并提出了治理方法與施工控制措施。

以西南地區(qū)某鐵路隧道為依托，建立三維隧道地層-結(jié)構(gòu)模型，采用有限差分法，考慮高地應(yīng)力條件，開展隧底緩傾層狀巖層在不同分布深度、不同單層厚度、不同變形模量等結(jié)構(gòu)特征以及不同豎向應(yīng)力等因素對隧道底鼓變形特征及規(guī)律的影響分析。

1 工程概況

西南地區(qū)某鐵路隧道全長7 858 m，隧道圍巖等級為Ⅲ級，仰拱底部巖層主要為粉砂質(zhì)泥巖，呈紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀緩傾，多為中厚層狀構(gòu)造。隧道運(yùn)營開通后，由于隧道發(fā)生底鼓導(dǎo)致道床板和填充層出現(xiàn)開裂和抬升現(xiàn)象，經(jīng)地質(zhì)補(bǔ)勘分析認(rèn)為，隧址區(qū)高地應(yīng)力和緩傾層狀軟巖是導(dǎo)致隧道底鼓的主要原因。通過長達(dá)5年的底鼓變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隧道共有4個(gè)段落底鼓較為嚴(yán)重，底鼓最嚴(yán)重處現(xiàn)場監(jiān)測底鼓三維效果如圖1所示，底鼓量最大達(dá)64.6 mm，雖然各底鼓段變形程度不一樣，但在橫斷面上的底鼓變形規(guī)律一致，即：在橫斷面上，隧道中線位置底鼓量最大，越靠近墻腳底鼓量越小，墻腳處豎向位移幾乎無變化。

圖1 仰拱底鼓最嚴(yán)重段落三維效果

2 構(gòu)建數(shù)值模型

2.1 模型建立

以西南某鐵路隧道結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件為依據(jù)，選取底鼓最嚴(yán)重段落為研究區(qū)段，建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型。為減小計(jì)算邊界效應(yīng)問題，橫斷面范圍不小于5倍洞徑，因此，模型水平方向取140 m(X=-70～70 m)、縱向取10 m(Y=0～10 m)、豎向取120 m(Z=0～120 m)?？紤]隧道圍巖為緩傾中厚層狀巖體，為簡化模型，將隧道底部巖體建立為水平層狀巖體，巖層之間設(shè)置接觸面以模擬巖層結(jié)構(gòu)面；模型的底部邊界及側(cè)面均采用位移約束，模型頂部邊界為自由邊界。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維計(jì)算模型(單位：m)

2.2 模型參數(shù)選取

計(jì)算地應(yīng)力條件采用現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測值，如表1所示。豎向應(yīng)力場：在模型頂面施加均布荷載并計(jì)算自重，以實(shí)現(xiàn)隧道實(shí)際豎向地應(yīng)力環(huán)境。水平應(yīng)力場：在垂直和平行隧道方向賦予沿豎向梯度變化的初始應(yīng)力值，以實(shí)現(xiàn)隧道實(shí)際水平地應(yīng)力環(huán)境。

表1 現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測值 MPa

研究區(qū)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

層狀巖體層間接觸面參數(shù)如表3所示。

表3 層間接觸面參數(shù)

2.3 模型監(jiān)測點(diǎn)布置

為消除邊界效應(yīng)的影響，選取模型中間斷面縱向Y=5 m作為研究斷面。并針對隧道仰拱結(jié)構(gòu)最易破壞的位置，選取仰拱7個(gè)主要監(jiān)測點(diǎn)。主要監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置示意

3 水平層狀巖體結(jié)構(gòu)特征對隧道底鼓變形特征分析

本節(jié)采用單因素試驗(yàn)分析方法，分析隧底水平層狀巖層分布深度、單層厚度、變形模量等巖層特性，以及地層豎向應(yīng)力等因素對隧道仰拱變形特征的影響規(guī)律。

3.1 隧底層狀巖體分布深度影響分析

層狀巖體具有明顯的各向異性，由于結(jié)構(gòu)面的存在，在垂直結(jié)構(gòu)面方向的變形和受力特征差異尤為明顯，因此，層狀巖體分布范圍對隧道的底鼓有較大影響。故在中厚層狀巖體條件下，改變仰拱底部層狀巖體的分布深度來研究其對隧道底鼓變形特征的影響規(guī)律，共建立8組模型進(jìn)行分析，具體方案如表4所示。

表4 不同層狀巖體分布深度分析方案

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提取出各組模型研究斷面上仰拱各節(jié)點(diǎn)豎向位移，繪制出仰拱底鼓變形曲線，如圖4所示。

圖4 不同層狀巖層分布深度下仰拱豎向位移

由圖4可知，隧道仰拱的豎向變形以仰拱中線為基準(zhǔn)呈左右對稱，且仰拱中部的豎向位移最大，并由仰拱中部向兩側(cè)逐漸減小。隧底圍巖由均質(zhì)巖體(分布深度為0 m)變化為層狀巖體(分布深度為5 m)時(shí)，仰拱中部豎向位移增幅較大，共增加12.41 mm，為均質(zhì)巖體時(shí)的2.44倍。當(dāng)水平層狀巖層深度為35 m時(shí)，仰拱豎向位移是分布深度為5 m時(shí)的1.45倍，增加了18.44 mm。

隧道仰拱各關(guān)鍵位置底鼓規(guī)律如圖5所示。

圖5 各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化曲線

由圖5可知，隨著水平層狀巖層分布深度的增大，仰拱的豎向位移也逐漸增大，監(jiān)測點(diǎn)4(仰拱中心位置)豎向位移和位移增長速率均最大，監(jiān)測點(diǎn)1(靠近墻角處)豎向位移和位移增長速率均最小。

根據(jù)水平層狀巖層分布深度與仰拱最大豎向位移之間的規(guī)律，擬合出了仰拱最大位移與水平層狀巖層分布深度的關(guān)系曲線，如圖6所示，其關(guān)系式如下

圖6 仰拱最大豎向位移與層狀巖層分布深度擬合曲線

y=11.75h0.34

(1)

式中，y為仰拱最大位移，mm；h為水平層狀巖層分布深度，m。

根據(jù)式(1)可知，隨著水平層狀巖層分布深度的增加，隧道底鼓量也不斷增加，兩者呈非線性關(guān)系。在高地應(yīng)力條件下，隧道仰拱底部水平層狀巖層受高水平應(yīng)力擠壓作用，產(chǎn)生了向上的彎曲折斷變形，導(dǎo)致隧道底鼓，隨著水平層狀巖層分布深度的增加，底部圍巖的破壞范圍越大，仰拱結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力也越大，因此隧道仰拱底鼓量也越大。

3.2 隧底層狀巖體單層厚度影響分析

層狀巖體單層厚度越小，巖體承載和抵抗變形能力越差，單層厚度越大巖體性質(zhì)越接近均質(zhì)巖體，對隧道結(jié)構(gòu)越有利。故在水平層狀巖體分布深度為30 m條件下，改變仰拱下方層狀巖體的單層厚度來研究其對隧道底鼓變形特征的影響規(guī)律，共建立5組模型進(jìn)行分析，具體方案如表5所示。

表5 不同層狀巖體單層巖層厚度分析方案

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提取出各組模型研究斷面上仰拱各節(jié)點(diǎn)豎向位移，繪制出仰拱底鼓變形曲線，如圖7所示。

圖7 不同層厚下仰拱豎向位移曲線

由圖7可知，隧道仰拱的豎向變形以仰拱中線為基準(zhǔn)呈左右對稱，且仰拱中部的豎向位移最大，并由仰拱中部向兩側(cè)逐漸減小。層狀巖層單層厚度由0.25 m增至0.5 m時(shí)，仰拱中部豎向位移降幅較小，共降低0.77 mm，僅降低了2%。當(dāng)水平層狀巖層單層厚度為1.5 m時(shí)，仰拱豎向位移相較于單層厚度0.5 m時(shí)降低了22.4%，共降低8.39 mm。

隧道仰拱各關(guān)鍵位置底鼓變形規(guī)律如圖8所示。

圖8 各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化曲線

由圖8可知，隨著水平層狀巖層厚度的增大，靠近仰拱中點(diǎn)處，豎向位移減小速率越大，靠近墻角處，巖層由中厚層過渡到厚層時(shí)豎向位移出現(xiàn)少量增長趨勢，而后趨于平穩(wěn)。層狀巖層由中厚層變?yōu)楹駥訒r(shí)，其最大豎向位移減小了10.3%；層狀巖層由厚層變?yōu)榫藓駥訒r(shí)，其最大豎向位移減小了10.72%。

故在高地應(yīng)力下，層狀巖層單層厚度對隧道底鼓的影響大小為：薄層>中厚層>厚層>巨厚層，巖體單層厚度越厚，圍巖的整體性越好，抵抗變形的能力越強(qiáng)，故隧道仰拱底鼓量越小。

3.3 隧底層狀巖體彈性模量影響分析

由室內(nèi)巖石試驗(yàn)可知，隧址區(qū)仰拱底部不同巖層受巖石類型和深度的影響，其彈性模量相差較大，故在水平中厚層狀巖體分布深度為30 m條件下，分析Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級圍巖層狀巖層彈性模量下仰拱結(jié)構(gòu)的變形特征規(guī)律，共建立6組模型進(jìn)行分析，具體方案如表6所示。

表6 不同巖體彈性模量分析方案

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提取出各組模型研究斷面仰拱上各節(jié)點(diǎn)豎向位移，繪制仰拱底鼓變形曲線，如圖9所示。

圖9 不同彈性模量下仰拱豎向位移曲線

由圖9可知，隧道仰拱的豎向變形以仰拱中線為基準(zhǔn)呈左右對稱，且仰拱中部的豎向位移最大，并由仰拱中部向兩側(cè)逐漸減小。水平層狀巖體彈性模量由2.4 GPa逐漸增加至8.4 GPa期間，仰拱中部豎向位移降幅較大，共降低了40.53 mm，降幅為49.7%。當(dāng)水平層狀巖體彈性模量為25.5 GPa時(shí)，仰拱豎向位移相較于彈性模量為8.4 GPa時(shí)降低了39.6%，共降低16.67 mm。

隧道仰拱各關(guān)鍵位置底鼓變形規(guī)律如圖10所示。

圖10 各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化曲線

由圖10可知，隨著水平層狀巖層彈性模量逐漸增大，仰拱豎向位移逐漸減小，且在彈性模量0～8.4 GPa間降幅較大。在不同彈性模量情況下，監(jiān)測點(diǎn)4(仰拱中心位置)豎向位移均最大，監(jiān)測點(diǎn)1(仰拱端部)豎向位移均最小。

根據(jù)水平層狀巖層彈性模量與仰拱最大豎向位移之間的規(guī)律，擬合出仰拱最大位移與水平層狀巖層彈性模量的關(guān)系曲線，如圖11所示，其關(guān)系式如下

圖11 仰拱最大豎向位移與層狀巖層彈性模量擬合曲線

y=130.19E-0.52

(2)

式中，y為仰拱最大位移，mm；E為水平層狀巖層彈性模量，GPa。

根據(jù)式(2)可知，當(dāng)隧道底部圍巖彈性模量提高時(shí)，仰拱底鼓量不斷減小，兩者呈非線性關(guān)系。底部圍巖彈性模量增強(qiáng)時(shí)，圍巖自身承載力也增強(qiáng)，故隧道仰拱底鼓量降低。

3.4 豎向應(yīng)力影響分析

根據(jù)現(xiàn)場對隧道多個(gè)測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果可知，該隧道在不同區(qū)段其水平構(gòu)造應(yīng)力相差不大，而受隧道埋深影響，其豎向應(yīng)力相差較大。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)測資料表明，側(cè)壓力系數(shù)一般在0.5～5.0之間[18]。因此，在模型水平應(yīng)力不變的條件下，側(cè)壓力系數(shù)在1.0～4.0之間，建立6組模型進(jìn)行分析，具體方案如表7所示。

表7 不同豎向應(yīng)力分析方案

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提取出各組模型研究斷面上仰拱各節(jié)點(diǎn)豎向位移，繪制出仰拱底鼓變形曲線，如圖12所示。

圖12 不同豎向應(yīng)力下仰拱豎向位移

由圖12可知，隧道仰拱的豎向變形以仰拱中線為基準(zhǔn)呈左右對稱，且仰拱中部的豎向位移最大，并由仰拱中部向兩側(cè)逐漸減小。隨著地層豎向應(yīng)力增加，仰拱中部豎向位移量逐漸增加，每增加一級豎向應(yīng)力，豎向位移增加量基本一致，當(dāng)?shù)貙迂Q向應(yīng)力為13.54 MPa時(shí)，仰拱中部豎向位移是地層豎向應(yīng)力為3.43 MPa的4.8倍，共增加35.47 mm。

隧道仰拱各關(guān)鍵位置底鼓變形曲線如圖13所示。

圖13 各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移變化曲線

由圖13可知，在豎向應(yīng)力在0～13.5 MPa，隨著應(yīng)力的增加，仰拱豎向位移基本呈線性增長，監(jiān)測點(diǎn)4(仰拱中心位置)豎向位移的增長速率最大，其速率為3.51 mm/MPa，監(jiān)測點(diǎn)1(仰拱端部)豎向位移的增長速率最小，其速率為0.66 mm/MPa。這也從地層豎向應(yīng)力的角度，解釋了在現(xiàn)場監(jiān)測過程中不同埋深段隧道底鼓量不同的原因。

4 結(jié)論

以西南地區(qū)某鐵路隧道仰拱底鼓病害為研究對象，依據(jù)底鼓最嚴(yán)重區(qū)段地質(zhì)情況，建立了三維地層-結(jié)構(gòu)模型，針對高地應(yīng)力情況下隧底水平層狀巖體分布深度、單層厚度、變形模量以及地層豎向應(yīng)力對隧道仰拱底鼓變形特征及影響開展研究，得出以下結(jié)論。

(1)隧道仰拱底鼓呈仰拱中線位置底鼓量最大，越靠近墻腳底鼓量越小，墻腳處豎向位移幾乎無變化，計(jì)算結(jié)果與隧道實(shí)際底鼓形態(tài)一致。

(2)在高地應(yīng)力條件下，水平層狀巖層受水平及垂直應(yīng)力擠壓下易發(fā)生破壞，隨著水平層狀巖層分布深度的增加，隧道底鼓量也不斷增加，兩者呈非線性關(guān)系。隧底圍巖由均質(zhì)巖體轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝顜r體之后底鼓量增幅較大，層狀巖體對隧道底鼓的影響較大。

(3)隨著水平層狀巖體單層厚度增加，圍巖的整體性越好，抵抗變形的能力越強(qiáng)，隧道底鼓量逐漸降低。在高地應(yīng)力情況下，水平層狀巖體單層厚度對隧道底鼓量影響為：薄層>中厚層>厚層>巨厚層。

(4)隧道底部圍巖彈性模量提高時(shí)，隧道仰拱底鼓量不斷減小，兩者呈非線性關(guān)系。圍巖彈性模量增強(qiáng)時(shí)，圍巖自身承載力也增強(qiáng)，可通過控制隧道底部圍巖強(qiáng)度來控制隧道底鼓量。

(5)豎向應(yīng)力對隧道底鼓影響較顯著，隨著豎向應(yīng)力的增大底鼓量也隨之增大，兩者基本呈線性關(guān)系。