陡傾巖層中公路隧道變形影響分析

彭 濤

(內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100)

0 引言

隧道及地下工程施工不但與施工方法、開挖面大小和埋深等有關(guān)，還與地形地質(zhì)條件等密切相關(guān)[1]。尤其是在我國西南片區(qū)，因地質(zhì)條件變化起伏大，有時圍巖還存有富水巖溶區(qū)、瓦斯等病害。而在我國川渝地帶，陡傾巖層也較常見，在這種巖土體中進(jìn)行地下工程施工難度較大、安全要求更高且工期長。然而，在陡傾巖層中存在的主要工程問題，即是陡傾地質(zhì)構(gòu)造帶來的圍巖大變形，這對工程設(shè)計和施工帶來了一定麻煩。在通省隧道中，圍巖大變形的特點有：1)圍巖變形量較大；2)變形速度快；3)圍巖破壞范圍較大；4)圍巖變形時間較長。而在大多數(shù)隧道當(dāng)中，陡傾巖層由于受構(gòu)造擠壓作用，地形上形成斜坡，有的地段形成陡坡陡崖；地形坡度多在30°以上。由于特殊的地形地質(zhì)構(gòu)造，也給圍巖穩(wěn)定性帶來了極大不便[2]。在陡傾巖層隧道工程中，因其陡傾巖層地質(zhì)構(gòu)造和其他因素的影響，使得圍巖的穩(wěn)定性較差、應(yīng)力較大，從而導(dǎo)致隧道大變形問題發(fā)生[3]。

1 工程概況

本文依托工程為重慶某高速公路隧道工程，隧道采用雙向四車道，行車速度設(shè)計為80 km/h，凈寬為10.25 m，凈高為5.0 m。根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件，得到隧道選址位于彈子山背斜北西翼，隧道軸線大致沿構(gòu)造線方向布置，隧址區(qū)呈單斜構(gòu)造，巖層傾向和傾角分別為293°～320°和26°～40°，圍巖產(chǎn)狀穩(wěn)定且沒有次級褶曲及斷層。通過對其地層傾角、巖層厚度、巖性、界面參數(shù)的改變，研究各影響因素對陡傾巖層隧道變形的影響。

1.1 陡傾巖層中隧道變形破壞

對于陡傾巖層隧道，其圍巖破壞變形具有一般隧道圍巖變形的破壞特征，而且其圍巖體發(fā)生變形破壞的方式更復(fù)雜[4]。圍巖穩(wěn)定性不但與巖層傾角、層面強(qiáng)度、地下水以及受力情況等因素有關(guān)，還受隧道工程的跨度、形狀及走向等影響[5]。但從總體上講，可將陡傾巖層隧道的變形破壞形式歸納為順層滑移和彎折破壞[6]。

1)順層滑移破壞。

指圍巖主要沿結(jié)構(gòu)面以剪切滑移為主的破壞，究其原因為陡傾巖層中，開挖隧道產(chǎn)生的臨空面，從而產(chǎn)生不穩(wěn)定塊體，由于重力作用沿結(jié)構(gòu)面方向發(fā)生滑移或掉塊。其主要包括巖體沿層面的剪切破壞和產(chǎn)狀較差結(jié)構(gòu)面的大塊體沿著層面向洞室的滑動破壞。

2)彎折破壞。

彎折破壞主要指在地下工程施工后導(dǎo)致應(yīng)力重分布，使陡傾巖層受拉且靠近臨空面?zhèn)?，在圍巖受力大于其抗拉強(qiáng)度時所發(fā)生的破壞。這種破壞分為卸荷回彈引起的破壞和應(yīng)力集中引起的破壞。第一種破壞主要發(fā)生在地應(yīng)力較高的巖體內(nèi)；第二種破壞主要發(fā)生在壓應(yīng)力集中的部位(如巖體內(nèi)最大初始主應(yīng)力趨于平行的洞壁處和隧道拐角處)。

1.2 模型參數(shù)

本文中的依托工程代表性圍巖按照Ⅲ級圍巖進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和依托工程勘察文件，巖層層面的主應(yīng)力剛度模量為2 500 MPa，剪切模量為250 MPa，黏聚力為0.6 MPa，摩擦角取35°。其中，表1所列為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖體的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)工程實際，數(shù)值模型中的隧道埋深為40 m。

表1 計算物理力學(xué)參數(shù)

1.3 數(shù)值建模

隧道采用全斷面施工方法，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，其中錨桿為直徑22 mm的砂漿錨桿，長度3 m，環(huán)距1.2 m。隧道尺寸為厚0.2 m的噴射混凝土C25，二襯為厚0.3 m的模筑混凝土C25。

計算采用MIDAS/GTS有限元軟件，模型中以實體單元模擬圍巖，用梁單元模擬初支混凝土和二襯模筑混凝土，以植入式桁架單元模擬錨桿，采用界面接觸單元模擬層狀圍巖層面。巖體采用彈-塑性本構(gòu)模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則(即M-C準(zhǔn)則)。初支混凝土層和二襯混凝土層采用彈性本構(gòu)模型。模型計算范圍為：水平方向和下邊界各取5倍洞跨，上邊界取至地表。模型邊界條件設(shè)置為：左右邊界及下邊界施加法向約束，上邊界不施加任何約束。計算模型見圖1。

2 影響因素分析

2.1 地層傾角的影響

地層傾角的變化也會對隧道位移變形有影響，為模擬不同傾角對層狀圍巖開挖的影響[7]，模擬工況共5個，即一個無巖層工況和巖層傾角分別為30°，40°，50°，60°等4個工況。其中計算傾角為30°的數(shù)值模型如圖2所示。其中，當(dāng)?shù)貙觾A角為0°和30°時，隧道位移變形情況如圖3所示。

由圖3可得，隧道變形受地層傾角影響較大，在洞室拱頂附近以沉降變形為主，在仰拱位置以隆起變形為主，變化規(guī)律大致相同，只是數(shù)值上存在差異，地層傾角為30°的仰拱隆起變形和拱頂沉降變形值是地層傾角為0°時的2倍。

地表沉降：選取開挖拱頂中間點對應(yīng)的地表點為特征點，得到各種工況下該點的地表沉降隨巖層傾角變化情況如圖4所示。

由圖4可看出，隨著巖層傾角的增加，地表沉降值也呈增大態(tài)勢，在0°～60°逐漸增加到原先的兩倍，這說明巖層傾角對隧道的變形控制較明顯，巖層沿層面產(chǎn)生的下滑力也會隨著傾角增大而增大，從而使隧道易發(fā)生順層滑移破壞。由于在0°～30°地表沉降位移增幅較小，地層傾角為30°時的地表沉降與0°時的地表沉降相差不多。因此，為研究其他因素的影響，固定地層傾角為30°。

2.2 巖層厚度的影響

為模擬不同巖層厚度對層狀圍巖開挖的影響，模擬工況共5個，即一個無巖層工況和巖層厚度分別為 3 m，5 m，7 m，10 m等4個工況。巖層傾角取為30°，其余參數(shù)與之前同樣。計算得到的各種工況下，中間地表點的沉降值如圖5所示。

由圖5可得，隨著巖層厚度的增加，地表沉降值最大值和最小值變化趨勢大致相同，呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)巖層厚度為3 m時，地表沉降值達(dá)到最大，這說明巖層厚度是地表沉降的一個重要影響因素。隨著巖層厚度由0 m增加到3 m時，地表沉降變大是因為巖層接觸面增多導(dǎo)致巖層沿層面產(chǎn)生的下滑力增大，隧道發(fā)生順層滑移破壞的幾率也增加。當(dāng)巖層增加到一定程度時，地表沉降變化較小，究其原因隧道有整體穿越變?yōu)椴糠执┰?，使隧道發(fā)生順層滑移破壞的幾率變小，且?guī)r層本身具有一定承載力。

從圖6可得，對于左拱腳位移，隨著巖層厚度逐漸增加，左拱腳位移方向發(fā)生變化；巖層厚度大于3 m時，左拱腳位移變?yōu)檎蛭灰?，即位移方向由隧道外?cè)轉(zhuǎn)為隧道內(nèi)側(cè)。對于右拱腳位移，隨著巖層厚度增加，位移方向先由正位移變?yōu)樨?fù)位移，再由負(fù)位移變?yōu)檎灰疲次灰品较蛴伤淼劳鈱愚D(zhuǎn)變?yōu)樗淼纼?nèi)側(cè)，再由隧道內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼劳鈧?cè)。主要是因為隧道開挖后形成臨空面并發(fā)生應(yīng)力重分布，在隧道拱腳處應(yīng)力集中，導(dǎo)致左側(cè)拱腳周圍巖土體發(fā)生向隧道內(nèi)的位移。隨著巖層厚度增加，巖層有一定向右的傾角，自重沿層面上的分力增加，右側(cè)拱腳周圍巖土體主要發(fā)生向隧道外側(cè)的位移。因此，設(shè)計時應(yīng)充分考慮隧道外側(cè)和內(nèi)側(cè)的圍巖變形情況。

選取第一施工段開挖后的拱頂中間點和仰拱中間點為測點。由圖7可得，隨著巖層厚度的增加，拱頂下沉呈先增大后減小變化，且在0 m～3 m區(qū)段增幅最大；因為當(dāng)巖層厚度增加時，側(cè)面接觸面增加，隧道發(fā)生順層滑移破壞幾率增加，在巖層增加到一定程度時，達(dá)到隧道跨度(10 m)時，對到開挖產(chǎn)生的臨空面對巖層整體穩(wěn)定性影響較小。拱底隆起值與巖層厚度呈負(fù)相關(guān)，在巖層厚度為3 m時達(dá)最大，之后仰拱隆起變形幅度較小，這是因為巖層厚度增加，圍巖完整性較好，發(fā)生的拱底隆起位移變小。

2.3 巖性的影響

為研究巖性對陡傾巖層隧道變形的影響，選取四種不同的圍巖，研究巖性對隧道變形的影響。巖層傾角選為30°，巖層厚度選為5 m。其中，物理力學(xué)計算參數(shù)見表2，其余參數(shù)同前，表2中A表示千枚巖，B表示板巖，C表示頁巖，D表示砂巖。

表2 計算物理力學(xué)參數(shù)

通過分析，得出不同巖性下，陡傾巖層隧道變形結(jié)構(gòu)如表3所示。由表3可得，對于地表沉降和拱頂位移而言，千枚巖>頁巖>砂巖>板巖。對于拱底隆起位移而言，千枚巖拱底隆起值較大，為其他巖性的3倍往上。隨著圍巖力學(xué)參數(shù)的變化，總體趨勢比較一致。而對于拱腳位移規(guī)律也比較一致，對于左拱腳位移，隨著圍巖力學(xué)參數(shù)的變化，左拱腳的位移從隧道外側(cè)變成隧道內(nèi)側(cè)，變形方向發(fā)生了變化。而對于右拱腳位移，隨著圍巖力學(xué)參數(shù)的變化，右拱腳位移也相應(yīng)地發(fā)生了變化，由向隧道外的方向變成了向隧道內(nèi)的方向，位移大小也在不斷減小。

表3 巖性對陡傾巖層隧道變形的影響 mm

2.4 界面參數(shù)的影響

為研究界面參數(shù)對陡傾巖層隧道變形的影響，影響因素分別為主應(yīng)力剛度模量、剪切剛度模量、黏聚力和摩擦角，設(shè)置了5個對照組，研究不同界面參數(shù)對隧道變形的影響，巖層層面物理力學(xué)具體參數(shù)如表4所示，其余參數(shù)同前。

表4 巖層層面物理力學(xué)參數(shù)

通過計算得到不同巖層界面參數(shù)下的隧道變形結(jié)果見表5。由表5可得：1)隨著主應(yīng)力剛度模量的減小，地表沉降值、拱頂位移和拱底隆起增大，對于左拱腳位移和右拱腳位移也增大。2)隨著剪切剛度模量的減小，地表沉降值在減小，拱頂位移也在減小，但是拱底隆起值在增大。3)隨著黏聚力的減小，地表沉降和拱頂位移以及拱底隆起值影響并不大，而對于左拱腳位移則由負(fù)變正，其值也在增大，說明巖層對于黏聚力的反應(yīng)比較明顯。4)隨著摩擦角的減小，地表沉降、拱頂位移、拱底隆起變化值不大，而左拱腳位移在增大，右拱腳位移也在增大，但是增幅不明顯，說明摩擦角對于陡傾巖層隧道的變形影響并不明顯。

表5 界面參數(shù)對陡傾巖層隧道變形的影響 mm

3 討論與分析

通過前面的分析研究，得到地層傾角、巖層厚度、巖性和界面參數(shù)等影響因素對陡傾巖層中隧道變形均有影響。通過豎直位移云圖，得到地層傾角的變化導(dǎo)致了隧道變形呈不對稱變化，這是由于地層傾角變化，導(dǎo)致了圍巖結(jié)構(gòu)不對稱。當(dāng)?shù)貙觾A角增大時，地表沉降也呈增大趨勢，尤其是地層傾角大于30°后，地表沉降增幅較大。對于巖層厚度的研究，固定地層傾角為30°時，選取了巖層厚度為0 m，3 m，5 m，7 m，10 m的五種工況，分析了地表沉降和隧道襯砌周圍位移變化情況，得出巖層厚度在3 m以下時，變化情況明顯，主要是因為沿巖層面易發(fā)生順層滑移破壞。對于巖性的影響分析，選取了千枚巖、頁巖、砂巖和板巖等四種常見巖質(zhì)，對比地表沉降、隧道拱頂和仰拱位移變形數(shù)據(jù)，因為千枚巖的彈性模量相對較小，得到千枚巖中相應(yīng)的變形相對其他巖質(zhì)變化較大。分析了主應(yīng)力剛度模量、剪切剛度模量、黏聚力和摩擦角四種界面參數(shù)對陡傾巖性隧道變形的影響，初步得到摩擦角相對其他界面參數(shù)影響較小，主應(yīng)力和剪切剛度模量與地表沉降影響較大。

4 結(jié)語

本文以重慶某高速公路隧道工程為依托，研究了陡傾巖層中隧道變形破壞類型，采用MIDAS /GTS有限元軟件，分析了地層傾角、巖層厚度、巖性和界面參數(shù)對陡傾巖層中隧道變形的影響，得到的主要結(jié)論有：

1)地層傾角對隧道變形影響較大，隨著巖層傾角的增加，地表沉降值也會增大，地層傾角為60°的地表沉降變形值是地層傾角為0°時的2倍。

2)在巖層厚度逐漸增大到3 m時，地表沉降值、隧道拱頂和仰拱位移變化明顯。

3)對于地表沉降和隧道拱頂變形的影響大小順序為：千枚巖>頁巖>砂巖>板巖。

4)巖層層面的主應(yīng)力剛度和剪切剛度模量對陡傾巖層中的隧道變形影響較大，層間摩擦角的影響相對很小。