不同大變形等級(jí)下層理角度對(duì)層狀軟巖隧道的影響

潘文韜 何川 吳枋胤 徐迪 王飛 楊文波 寇昊

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.198

收稿日期：2021?06?18

基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃（2019YFG0001）

作者簡(jiǎn)介：潘文韜（1998- ），男，主要從事隧道與地下工程研究， E-mail：1403334583@qq.com。

通信作者：楊文波（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：yangwenbo1179@hotmail.com。

Received： 2021?06?18

Foundation items： Science and Technology Program Support of Sichuan Province（2019YFG0001）

Author brief： PAN Wentao （1998- ）， main research interests： tunnel and underground engineering， E-mail： 1403334583@qq.com.

corresponding author：YANG Wenbo （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： yangwenbo1179@hotmail.com.

摘要：為探究不同大變形等級(jí)下層理角度對(duì)層狀軟巖隧道的影響，依托九綿高速全線軟巖大變形隧道，通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)確定遍布節(jié)理模型參數(shù)，基于數(shù)值模擬，探究不同軟巖大變形等級(jí)（輕微、中等、強(qiáng)烈）下層理角度對(duì)層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護(hù)體系受力變形的影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的層理角度與大變形情況對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：1）層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形較大，隨著大變形等級(jí)的增大，層理角度引起的圍巖支護(hù)變化效果越明顯。2）隨著層理角度的增大，圍巖變形從拱底逐漸轉(zhuǎn)移到右拱腰。圍巖變形主要發(fā)生在隧道輪廓與層理面相切位置，其中拱底及左拱腳對(duì)層理角度變化較敏感。3）初支應(yīng)力偏向及節(jié)理塑性區(qū)大致與層理弱面法向一致，隨著層理角度的增大，節(jié)理的剪切塑性區(qū)由拱頂、拱底轉(zhuǎn)移到左拱腳、右拱肩，最終偏移到左右拱腰上下位置；相比初支壓應(yīng)力，初支拉應(yīng)力對(duì)層理角度更敏感，垂直節(jié)理增大了張拉剪切破壞塑性區(qū)貫通的風(fēng)險(xiǎn)，但剪切破壞塑性區(qū)半徑反而有可能減小。4）現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律表現(xiàn)為小角度與大角度大變形等級(jí)較高，層理角度為60°以下時(shí)，巖層破壞發(fā)生在拱腰及拱肩處，隨著層理角度的增大，有向拱肩發(fā)展的趨勢(shì)，大角度層理時(shí)巖層破壞主要發(fā)生在拱腰處。

關(guān)鍵詞：層狀軟巖隧道；大變形等級(jí)；層理角度；遍布節(jié)理模型；數(shù)值分析；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

中圖分類號(hào)：TU457 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：2096-6717（2023）05-0094-12

Effect of bedding angle of layered soft rock tunnels with different large deformation grades

PAN Wentao1， HE Chuan1， WU Fangyin1， XU Di2， WANG Fei2， YANG Wenbo1， KOU Hao1

（1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， P. R. China； 2. Sichuan Mianjiu Expressway Co.， Ltd， Jiangyou 621700， Sichuan， P. R. China）

Abstract： This paper aims to explore the influence of bedding angle on layered soft rock tunnel under different deformation grades. Based on the large deformation soft rock tunnels along the Jiumian Expressway， the parameters of ubiquitous joint model were determined through rock mechanical test. Based on the numerical simulation， the influence of bedding angle on the stress and deformation of surrounding rock and supporting system of large deformation tunnel in layered soft rock was studied under different soft rock large deformation levels （slight， medium and strong）. The results of numerical simulation were verified by field statistical law of bedding angle and large deformation. The results show that： 1） The deformation and stress of surrounding rock and the supporting structure with small angle （0°， 15°） and large angle （90°） of bedding are large， with the increase of large deformation grade， the effect of surrounding rock and support changes caused by bedding angle is more obvious. 2） The deformation of surrounding rock gradually shifts from the arch bottom to the right arch waist with the increase of bedding angle. The surrounding rock deformation mainly occurs at the position where the tunnel contour is tangent to the bedding plane， and the arch bottom and left arch foot are sensitive to bedding angle. 3） The deflection of the initial support stress and the plastic zone of the joint are roughly consistent with the normal direction of the weak plane of bedding. With the increase of bedding angle， the shear plastic zone of joints shifts from vault and arch bottom to left arch foot and right arch shoulder， and finally shifts to the upper and lower position of left and right arch waist. The initial support tension stress is more sensitive to the bedding angle than the compressive stress， vertical joints increase the risk of tensile and shear failure plastic zone transfixion， but the radius of plastic zone in shear failure may decrease. 4） The statistical law of the site is that the large deformation grade of small angle and large angle is higher，strata failure occurred in the waist and shoulder of the arch when the bedding angle is below 60°， the failure of rock strata tends to develop to the spandrel with the increase of bedding angle. Rock failure mainly occurs in the arch waist at large bedding angles.

Keywords： layered soft rock tunnel； large deformation grade； bedding angle； ubiquitous-joint model； numerical analysis； field monitoring

隨著中國(guó)交通隧道網(wǎng)逐漸向西部山區(qū)布置，遇到的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜多樣[1]。隧址區(qū)的軟弱圍巖具有分布廣、互層現(xiàn)象嚴(yán)重、變形大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，在高地應(yīng)力及不良地質(zhì)條件下受到擠壓產(chǎn)生軟巖大變形，造成初支剝落開裂、鋼拱架扭曲變形、邊墻鼓包等現(xiàn)象，給隧道運(yùn)營(yíng)及安全保證帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，軟巖大變形隧道往往還存在層理、節(jié)理等軟弱面，修建過(guò)程中呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)。因此，有必要針對(duì)不同大變形等級(jí)的層狀軟巖隧道進(jìn)行研究，探究不同層理角度對(duì)其安全穩(wěn)定性的影響。

在軟巖大變形隧道變形破壞機(jī)理及分級(jí)研究方面，徐國(guó)文等[2]通過(guò)對(duì)鷓鴣山軟巖大變形隧道的大變形特征進(jìn)行分析，將大變形隧道圍巖破壞分成3種情況。陳子全等[3]對(duì)高地應(yīng)力情況下層狀軟巖隧道的非對(duì)稱圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞特征展開研究，提出了基于最大變形及強(qiáng)度應(yīng)力比的冪指數(shù)變化規(guī)律的大變形預(yù)測(cè)分級(jí)指標(biāo)。李國(guó)良等[4]提出以強(qiáng)度應(yīng)力比、地應(yīng)力量值作為高地應(yīng)力劃分標(biāo)準(zhǔn)，并將大變形等級(jí)劃分為4級(jí)。張廣澤等[5]發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造及巖性等是造成隧道發(fā)生大變形的主要原因，綜合考慮多個(gè)因素后，提出了構(gòu)造軟巖大變形的分級(jí)方法。在層理角度影響研究方面，徐國(guó)文等[6]基于離散元建立了新的層狀軟巖隧道數(shù)值模擬方法，研究了不同層理角度及層理間距對(duì)軟巖隧道的影響。吳迪等[7]通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)不同地應(yīng)力及層理角度下隧道變形及初支、二襯受力規(guī)律展開了研究。李江騰等[8]利用模型試驗(yàn)分析了不同板巖試件層理角度與其抗壓韌性之間的關(guān)系。

目前，針對(duì)軟巖大變形破壞機(jī)理及層理角度影響均有一定研究，但沒有針對(duì)不同大變形等級(jí)分析不同層理角度對(duì)層狀軟巖隧道影響的系統(tǒng)研究。筆者依托九綿高速全線軟巖大變形隧道，通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)確定遍布節(jié)理模型參數(shù)，基于數(shù)值模擬，探究不同軟巖大變形等級(jí)（輕微、中等、強(qiáng)烈）下層理角度對(duì)層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護(hù)體系受力變形的影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的層理角度與大變形情況統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

九綿高速起于四川省和甘肅省交界處的青龍橋附近，止于綿陽(yáng)市游仙區(qū)張家坪附近，跨越九寨溝縣、平武縣、北川縣、江油市、綿陽(yáng)市游仙區(qū)。線路全長(zhǎng)244.026 km，共有隧道42座，總長(zhǎng)度120.960 km，占線路全長(zhǎng)的49.6%。其中22座隧道的IV、V級(jí)圍巖占比超過(guò)70%，大量分布以千枚巖、板巖等為代表的層狀變質(zhì)軟巖，隧道層間連接較差，具有明顯的各向異性及流變特征，在不良地質(zhì)及高地應(yīng)力等因素共同作用下，自開工以來(lái)，九綿高速全線軟巖隧道均出現(xiàn)了不同程度的大變形災(zāi)害。

九綿高速中的大變形隧道主要有水牛家隧道、白馬隧道及五里坡隧道，根據(jù)大變形分級(jí)的相關(guān)研究[2-5]并結(jié)合全線大變形隧道情況，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)：土建工程》（JTG 3370.1—2018）[9]中大變形分級(jí)方案（表1），對(duì)全線軟巖大變形等級(jí)進(jìn)行判定，水牛家、白馬、五里坡隧道中均有大變形等級(jí)為輕微、中等、強(qiáng)烈的監(jiān)測(cè)斷面，其中，水牛家隧道以輕微為主，白馬隧道以中等為主，五里坡隧道以強(qiáng)烈為主。現(xiàn)場(chǎng)大變形情況如圖1所示。

2 巖石力學(xué)試驗(yàn)確定大變形參數(shù)

2.1 遍布節(jié)理模型

在層狀軟巖隧道中存在層理及節(jié)理等軟弱面，相比普通圍巖，軟弱面更容易產(chǎn)生滑移及張拉破壞，因此，除了考慮普通圍巖外，還需對(duì)層理、節(jié)理等軟弱面進(jìn)行考慮分析。

遍布節(jié)理模型是摩爾庫(kù)倫模型的擴(kuò)展[10]，即在摩爾庫(kù)倫模型上增加節(jié)理面，節(jié)理面同樣服從摩爾庫(kù)倫屈服破壞準(zhǔn)則，遍布節(jié)理模型同時(shí)考慮了圍巖本體與節(jié)理面，巖體可以同時(shí)在兩者中產(chǎn)生破壞，節(jié)理面的傾向與傾角由笛卡兒坐標(biāo)系確定，節(jié)理面的參數(shù)主要考慮內(nèi)聚力、剪脹角、摩擦角、抗拉強(qiáng)度、傾向與傾角等[11-12]。

節(jié)理方位由笛卡兒坐標(biāo)系在弱面法線向量以全局坐標(biāo)表示，遍布節(jié)理模型下屈服準(zhǔn)則如圖2所示，剪切破壞包絡(luò)線AB及拉伸破壞包絡(luò)線BC滿足f_j^s=0、f_j^t=0，且二者分別滿足式（1）、式（2）所示關(guān)系式。

f_j^s=τ+σ_3'3'^ ?tanφ_j-c_j （1）

f_j^t=σ_3'3'-σ_j^t （2）

式中：φ_j^ 、c_j^ 、σ_j^t分別為節(jié)理摩擦角、黏聚力及抗拉強(qiáng)度；σ_3'3'^ 為廣義應(yīng)力張量；τ為剪切應(yīng)力；f_j^s=0為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后剪切包絡(luò)線AB；f_j^t=0為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后拉伸包絡(luò)線BC。

2.2 確定遍布節(jié)理模型參數(shù)

從白馬隧道和五里坡隧道現(xiàn)場(chǎng)選取采集多個(gè)斷面位置巖體相對(duì)較完整、層理明顯的變質(zhì)板巖和變質(zhì)千枚巖試塊，通過(guò)后續(xù)試驗(yàn)確定圍巖力學(xué)參數(shù)，而不同大變形等級(jí)主要通過(guò)調(diào)整地應(yīng)力數(shù)值落入規(guī)范中的不同大變形等級(jí)強(qiáng)度應(yīng)力比來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體采樣過(guò)程：在九綿高速層狀變質(zhì)軟巖典型隧道施工現(xiàn)場(chǎng)采集原始尺寸大于300 mm×300 mm×300 mm的完好巖塊，從而保證試樣加工的完整性。巖樣采取過(guò)程如圖3所示。

將巖體取芯制樣，加工好的圓柱體試樣直徑約為50 mm，長(zhǎng)度約為100 mm，誤差±0.5 mm，端面平行度±0.02 mm。

采用MTS815 Flex Test GT 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)與程控三軸流變儀對(duì)大變形下圍巖的彈性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角參數(shù)進(jìn)行確定。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

節(jié)理面的參數(shù)較難通過(guò)試驗(yàn)確定，在試驗(yàn)確定大變形下圍巖力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮節(jié)理面對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的折減及弱化，主要借鑒文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行折減，節(jié)理摩擦角略低于完整巖體，模型中節(jié)理抗拉強(qiáng)度取完整巖體的10%，節(jié)理黏聚力取完整巖體的30%，得到最終的圍巖節(jié)理面物理力學(xué)參數(shù)，見表2，相關(guān)節(jié)理參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息反算得到驗(yàn)證。巖石試驗(yàn)表明，頁(yè)巖及板巖的單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)隨層理角度出現(xiàn)U型變化[14]，但在實(shí)際工程中，不同層理角度下抗壓強(qiáng)度的變化對(duì)隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化影響較小，且本文主要研究圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及塑性區(qū)分布隨層理角度的變化特征，因此，不考慮層理角度變化引起的巖體抗壓強(qiáng)度變化，將不同層理角度圍巖參數(shù)取為相同值。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型情況

根據(jù)隧道相關(guān)尺寸及埋深，在CAD中繪制隧道橫斷面線框圖，在ANSYS中完成網(wǎng)格的精細(xì)劃分，通過(guò)拉伸生成實(shí)體模型，最后導(dǎo)入FLAC中進(jìn)行后續(xù)數(shù)值模擬。

計(jì)算模型采用遍布節(jié)理模型，初支、二襯采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)。模型縱向?yàn)?0 m、長(zhǎng)為84 m、高為75 m，四周及底部設(shè)置法向約束。初支為錨噴聯(lián)合支護(hù)，二襯厚度為0.6 m，強(qiáng)度為C30。超前加固方式為注漿小導(dǎo)管，拱頂范圍注漿加固，錨桿采用梅花形布置。圍巖、第2層初支（大變形等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)采用雙層初支）、二次襯砌采用實(shí)體單元，錨桿、小導(dǎo)管采用cable單元，第1層初支采用shell單元。第1層初支在開挖面后2 m施作，第2層初支在第1層初支施作后2 m施作，二襯在初支施作后10 m施作。計(jì)算模型如圖5所示，不同大變形等級(jí)下采用的工法及超前支護(hù)體系如表3所示。

針對(duì)不同大變形等級(jí)設(shè)置不同的層理傾角，探究層理角度對(duì)不同大變形等級(jí)軟巖大變形隧道的受力變形塑性區(qū)等的影響，設(shè)置6組不同的層理傾角（0°、15°、30°、45°、60°、90°），如圖6所示。

大變形除了與層理角度有關(guān)，還與主應(yīng)力的方向密切相關(guān)，根據(jù)白馬隧道現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試及地應(yīng)力反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)：最大水平主應(yīng)力方向?yàn)樗剑瓜蛑鲬?yīng)力方向?yàn)樨Q直，由水平主應(yīng)力及垂向主應(yīng)力求得隧道平面應(yīng)力狀態(tài)，如圖7所示，大變形等級(jí)為輕微、中等、強(qiáng)烈時(shí)的最大主應(yīng)力大致分別在10、14、19 MPa附近，最小主應(yīng)力數(shù)值為最大主應(yīng)力數(shù)值的一半，施加相應(yīng)地應(yīng)力后，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比落在不同的大變形等級(jí)范圍內(nèi)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 圍巖隧道變形

不同大變形等級(jí)下不同層理角度的圍巖最大變形如表4所示。從圍巖最大變形來(lái)看，不同大變形等級(jí)下層理角度對(duì)最大變形的影響規(guī)律基本一致，均為在角度較?。?°、15°）及角度較大（90°）時(shí)圍巖變形較大，即較小或較大的層理角度將增大圍巖位移，使圍巖處于危險(xiǎn)之中，最危險(xiǎn)的層理角度在15°附近，最安全的層理角度在45°～60°之間。圍巖最大變形大致呈先減小后增大的趨勢(shì)，大變形等級(jí)越高，由層理角度引起的圍巖最大變形效果越明顯。

圍巖變形主要集中于隧道四周，為了更好地揭示層理角度對(duì)圍巖變形的影響，將隧道四周放大，并讀取變形較大處的數(shù)值，得到不同大變形等級(jí)、不同層理角度下各位置的最大變形（圖8）。

圍巖在隧道的拱頂、拱底及左右拱腰至拱肩之間產(chǎn)生較大變形，不同層理角度下產(chǎn)生較大變形的部位基本一致。圍巖變形有向?qū)永斫嵌仍龃蠓较騼A斜的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在隧道拱底變形處最為明顯，隨著層理角度從0°增大到30°，隧道拱底變形順著層理角度增大方向向左傾斜，30°時(shí)傾斜最大，繼續(xù)增大層理角度，隧道拱底的傾斜又逐漸向中間回靠。

分析圍巖產(chǎn)生較大變形時(shí)數(shù)值的變化規(guī)律可得：拱頂變形小于拱底，圍巖的最大變形出現(xiàn)在拱底或右拱腰處，從左右拱腰變形差距上來(lái)看，0°時(shí)左右拱腰變形一致，隨著層理角度的增大，拱腰變形順著層理角度增大方向偏移，右拱腰變形逐漸大于左拱腰，兩者之間的差值在45°時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增大層理角度，兩者之間的拱腰變形差異又逐漸減小。拱底變形在0°、15°時(shí)較大，整體上層理角度越大，拱底變形逐漸減小，隨著層理角度的增大，圍巖變形有從拱底轉(zhuǎn)移到左右拱腰的趨勢(shì)。不同大變形等級(jí)圍巖變形隨層理角度變化的規(guī)律基本一致，大變形等級(jí)升高時(shí)，相比另外3個(gè)位置，拱底變形變化更明顯。

為更直觀地表現(xiàn)層理角度對(duì)圍巖變形的影響，在圖8中輕微大變形時(shí)各位置圍巖變形的基礎(chǔ)上，提取出不同層理角度的8個(gè)位置（拱頂、右拱肩、右拱腰、右拱腳、拱底、左拱腳、左拱腰、左拱肩）的水平豎向變形，以層理角度0°為基礎(chǔ)，繪出不同層理角度下隧道變形輪廓趨勢(shì)的變化，如圖9所示。由于不同層理角度之間圍巖的變化相比隧道尺寸較小，將不同層理角度之間的差異放大100倍，以便研究變化規(guī)律。

圖9中的變化規(guī)律與4個(gè)方向圍巖較大變形規(guī)律基本一致。不同層理角度下，隧道拱頂變化較不明顯，拱底變化較為明顯，左拱腳次之。層理角度較?。?°、15°）時(shí)，隧道拱底隆起較為突出，層理角度越大，隧道拱底隆起越小，當(dāng)層理角度達(dá)到60°～90°后，隧道拱底隆起不明顯。當(dāng)層理角度較大（如90°）時(shí)，隧道右拱腰收斂極明顯；層理角度為45°、60°時(shí)，右拱腰收斂較小，隧道處于較安全狀態(tài)。垂直層理下左拱腰收斂也較大，且將導(dǎo)致左右拱肩及左右拱腳向外擴(kuò)張，較不利。這是由于圍巖變形主要發(fā)生在隧道輪廓與層理面相切的位置，隨著層理角度的變化，隧道在與層理面相切處發(fā)生了較大變形。

3.2.2 初支受力變形

提取不同大變形等級(jí)（輕微、中等、強(qiáng)烈）下不同層理角度初支的變形，如圖10所示。由圖10可知，不同大變形等級(jí)下，層理角度對(duì)初支變形的影響規(guī)律基本一致，且與圍巖變形規(guī)律大致吻合，這主要是由于初支與圍巖緊密貼合，變形具有一定的協(xié)同性。整體上來(lái)看，隨著層理角度的增大，初支變形先減小后增大，即在層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）時(shí)初支變形較大，在30°～60°時(shí)初支變形較小，初支變形最危險(xiǎn)的層理角度大致在15°左右，最安全的層理角度大致在45°左右。

大變形等級(jí)越高，層理角度對(duì)初支變形的影響越大，因此，在大變形等級(jí)較高時(shí)，必須考慮層理角度對(duì)初支變形的影響。比較初支變形與圍巖變形結(jié)果可知，第1層初支大約承擔(dān)了圍巖變形的60%。在大變形等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)，第2層初支的變形量及層理角度對(duì)其變形影響的變化量均有較明顯的減小，第2層初支的變形約為第1層初支的50%。

提取的不同大變形等級(jí)下不同層理角度的初支最大拉、壓應(yīng)力如圖11、圖12所示。層理角度對(duì)初支應(yīng)力和變形的影響規(guī)律基本一致，即在層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）時(shí)初支應(yīng)力較大，在45°～60°時(shí)初支應(yīng)力較小，最安全位置大致出現(xiàn)在層理角度45°左右，且隨著大變形等級(jí)的升高，層理角度引起的初支應(yīng)力變化更明顯。初支拉應(yīng)力比壓應(yīng)力對(duì)層理角度更加敏感，數(shù)值變化更為明顯。隨著大變形等級(jí)的升高，初支的拉、壓應(yīng)力不斷增大，當(dāng)大變形等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)，第1層初支壓應(yīng)力達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度，出現(xiàn)開裂情況，此時(shí)需要增設(shè)第2層初支，以確保隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

為更好地分析不同大變形等級(jí)下層理角度對(duì)隧道初支應(yīng)力分布的影響，以大變形等級(jí)為輕微為例，提取不同層理角度下隧道的最大壓應(yīng)力，如圖13所示。

初支壓應(yīng)力主要受地應(yīng)力及層理角度共同控制，最大主應(yīng)力方向大致沿右拱肩方位，這也是無(wú)論層理角度如何變化，右拱肩均為初支壓應(yīng)力最大位置的原因。當(dāng)層理角度為0°時(shí)，初支壓應(yīng)力主要集中于左右拱肩及拱底，隨著層理角度的增大，拱頂及拱底位置初支壓應(yīng)力逐漸減小，左右拱腰附近的初支壓應(yīng)力先減小后增大，最小值大致出現(xiàn)在30°層理附近。初支的壓應(yīng)力較大部位也有隨著層理角度增大逐漸偏移的現(xiàn)象，初支應(yīng)力偏向大致與層理角度法線方向一致。

3.2.3 二襯結(jié)構(gòu)受力

提取不同大變形等級(jí)、不同層理角度下二襯的最大拉、壓應(yīng)力，如表5所示。不同層理角度下，二襯受力的變化規(guī)律與初支基本一致，這主要是因?yàn)槌踔Ш投r緊密貼合，共同承擔(dān)荷載。大變形等級(jí)從輕微到中等，二襯拉應(yīng)力有著較為明顯的增大，而由于大變形等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)設(shè)置了2層初支，二襯不再像大變形等級(jí)為輕微、中等時(shí)一樣作為承載的主體，因此其受力明顯減小。

3.2.4 圍巖節(jié)理塑性區(qū)分布及半徑

提取不同大變形等級(jí)下不同層理角度的圍巖節(jié)理塑性區(qū)，如圖14所示。塑性區(qū)分為圍巖塑性區(qū)與節(jié)理塑性區(qū)，圍巖塑性區(qū)基本呈對(duì)稱分布，主要集中于隧道四周，層理角度對(duì)其影響較小，而且受拱頂加固區(qū)影響，拱頂塑性區(qū)明顯小于拱底。隧道拱頂?shù)焦把浇鼑鷰r可能會(huì)發(fā)生張拉、剪切破壞。

節(jié)理塑性區(qū)伴隨層理角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象極明顯：0°層理時(shí)，節(jié)理主要在拱頂及拱底發(fā)生剪切破壞，受拱頂注漿區(qū)的影響，相比拱底，拱頂節(jié)理的剪切破壞并不明顯；當(dāng)層理角度增大時(shí)，塑性區(qū)逐漸順著層理角度增大方向傾斜，節(jié)理的拱底剪切破壞塑性區(qū)逐漸向左偏移至左拱腳，拱頂剪切破壞塑性區(qū)逐漸向右偏移至右拱肩；當(dāng)層理角度增大至90°時(shí)，節(jié)理剪切破壞塑性區(qū)又重新呈對(duì)稱狀態(tài)，并在左右拱腰上下位置產(chǎn)生剪切破壞。在隧道拱肩至拱腳附近，節(jié)理可能產(chǎn)生張拉、剪切破壞塑性區(qū)，隨著層理角度的傾斜，節(jié)理的張拉、剪切破壞塑性區(qū)也有順著層理角度增大方向傾斜的趨勢(shì)，并且在層理角度為90°時(shí)，節(jié)理的張拉、剪切破壞塑性區(qū)有貫通的風(fēng)險(xiǎn)。

不同大變形等級(jí)下層理角度對(duì)圍巖節(jié)理塑性區(qū)的影響規(guī)律基本一致，并且隨著大變形等級(jí)的增大，圍巖塑性區(qū)及節(jié)理塑性區(qū)的范圍均有較明顯的增大，圍巖塑性區(qū)范圍增大更為明顯。節(jié)理剪切破壞塑性區(qū)大致出現(xiàn)在層理弱面的法向方位。

提取不同大變形等級(jí)、不同層理角度下節(jié)理塑性區(qū)的半徑，如表6所示。從表6可得，層理角度較小（0°、15°）時(shí)節(jié)理塑性區(qū)半徑較大，當(dāng)層理角度達(dá)到90°時(shí)，由于節(jié)理剪切破壞塑性區(qū)轉(zhuǎn)移至左右拱腰，其半徑有可能減小。隨著大變形等級(jí)升高，節(jié)理剪切破壞塑性區(qū)半徑不斷增大，相比大變形等級(jí)為中等時(shí)，大變形等級(jí)為強(qiáng)烈時(shí)其半徑?jīng)]有進(jìn)一步增大，說(shuō)明大變形等級(jí)為強(qiáng)烈下的工法及支護(hù)有效抑制了塑性區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)大，起到了較好的支護(hù)效果。

3.2.5 層理角度影響系數(shù)

將分析結(jié)果以影響系數(shù)的形式進(jìn)行表述，以60°層理角度為基準(zhǔn)（設(shè)為1），得到不同大變形等級(jí)下圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形及節(jié)理剪切破壞塑性區(qū)半徑的相對(duì)值并作為不同層理角度的影響系數(shù)，如表7所示。不同大變形等級(jí)下層理角度影響系數(shù)規(guī)律基本一致，即大致為先減小后增大，在層理角度較?。?°、15°）及較大（90°）時(shí)，對(duì)圍巖變形、塑性區(qū)分布、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較不利。隨著大變形等級(jí)的不斷升高，層理角度影響系數(shù)有所增大，但大變形等級(jí)為中等及強(qiáng)烈時(shí)，影響系數(shù)增大并不明顯，表明大變形等級(jí)越高，層理角度引起圍巖襯砌受力變形的效果越明顯，但通過(guò)有效超前支護(hù)等一定程度上能抑制這種變化。表7中的影響系數(shù)可作為不同層理角度下支護(hù)加強(qiáng)修正的依據(jù)。

4 層理角度的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證

五里坡隧道左洞以垂直節(jié)理為主，隧道大變形等級(jí)以強(qiáng)烈為主；水牛家隧道進(jìn)出口位置以60°節(jié)理為主，而大變形等級(jí)以輕微為主，此層理角度及大變形等級(jí)規(guī)律與前文中層理小角度、大角度時(shí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大、45°～60°時(shí)圍巖較為安全的結(jié)果吻合。然而現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，即使是一個(gè)隧道的不同斷面，層理產(chǎn)狀及大變形情況均不同，因此，有必要統(tǒng)計(jì)全線大變形斷面，探究不同層理角度與大變形情況。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的大變形中，由于洞周圍巖層理方向的差異導(dǎo)致不同部位的鼓包和擠出（圖15、圖16），嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致斷面嚴(yán)重侵限，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的由于層理弱面方向?qū)е碌倪厜陌蛿D出如圖15（a）、（b）所示，巖層產(chǎn)狀基本與隧道中軸線平行，在重力和山體壓力下隨時(shí)會(huì)發(fā)生豎向位移和沿約束差方向發(fā)生垂直于圍巖走向（水平方向）的鼓出（不利結(jié)構(gòu)面造成的潛在偏壓），具體表現(xiàn)為邊墻鼓入和拱頂變形小。

按層理弱面的角度特征將節(jié)理面方位角分為3類：節(jié)理面方位角≤30°、30°<節(jié)理面方位角≤60°和60°<節(jié)理面方位角≤90°。提取不同層理角度下的大變形等級(jí)情況及大變形破壞位置情況，如圖17、圖18所示。

從圖17可知，每個(gè)層理角度類別中均發(fā)生輕微、中等、強(qiáng)烈大變形，且以輕微大變形為主，占該類別層理角度的50%以上。不同層理角度下的大變形占比有所變化，可以看到，斜交角度下，大變形等級(jí)為輕微的比例增大，大變形為強(qiáng)烈的比例有所下降，相比斜交層理，水平-小角度及垂直-大角度下大變形等級(jí)為輕微的比例小一些，大變形等級(jí)為強(qiáng)烈的比例大一些，表明在小角度及大角度下，隧道將呈現(xiàn)出更不利的力學(xué)和變形特征，與數(shù)值模擬情況較貼合。現(xiàn)場(chǎng)中，斜交角度相比層理小角度與大角度的優(yōu)勢(shì)沒有數(shù)值模擬中明顯，這主要是由于隨著層理角度的增大，巖體抗壓強(qiáng)度呈U型，在斜交層理中抗壓強(qiáng)度反而較低所致。

層狀巖體隧道大變形集中發(fā)生在主應(yīng)力與層理弱面垂直的部位，現(xiàn)場(chǎng)為層理小角度時(shí)，巖層主要變形部位為拱肩和拱腰，斜交角度下巖層主要變形部位依然為拱肩和拱腰，但拱肩部位發(fā)生變形的比例增大，這主要是層理角度的移動(dòng)造成的，垂直-大角度時(shí)，巖層主要變形部位為拱腰，占比高達(dá)93%。上述巖層變形部位與數(shù)值模擬中圍巖變形及塑性區(qū)的偏移規(guī)律基本一致，且分析可得，較大層理角度下的巖層破壞主要為水平應(yīng)力造成的垂直層理弱面方向的彎曲、折斷型破壞，主要表現(xiàn)為向隧道內(nèi)的擠壓變形，鮮有沿節(jié)理面的順層滑移破壞。

5 結(jié)論

依托九綿高速全線軟巖大變形隧道，通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)確定了遍布節(jié)理模型參數(shù)，基于數(shù)值模擬，探究不同軟巖大變形等級(jí)（輕微、中等、強(qiáng)烈）下層理角度對(duì)層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護(hù)體系受力變形的影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的層理角度與大變形情況對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

1）層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）下圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形較大，最危險(xiǎn)與最安全的層理角度分別為15°和45°～60°左右，大變形等級(jí)越高，層理角度變化導(dǎo)致圍巖支護(hù)變形的效果越明顯。

2）隨著層理角度的增大，圍巖變形從拱底逐漸轉(zhuǎn)移到右拱腰，右拱腰與左拱腰收斂的差異先增大后減小。圍巖變形主要發(fā)生在隧道輪廓與層理面相切的位置，拱底及左拱腳對(duì)層理角度變化較敏感。

3）初支應(yīng)力偏向及節(jié)理塑性區(qū)大致與層理弱面法向一致，隨著層理角度的增大，節(jié)理的剪切塑性區(qū)由拱頂、拱底轉(zhuǎn)移到左拱腳、右拱肩，最終偏移到左右拱腰上下位置。相比初支壓應(yīng)力，初支拉應(yīng)力對(duì)層理角度更為敏感，垂直節(jié)理增大了張拉、剪切破壞塑性區(qū)貫通的風(fēng)險(xiǎn)，但剪切破壞塑性區(qū)半徑反而有可能減小。

4）現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律為巖層小角度與大角度下大變形等級(jí)較高，且層理角度為60°以下時(shí)，巖層破壞主要發(fā)生在拱腰及拱肩處，隨層理角度的增大，有向拱肩發(fā)展的趨勢(shì)，垂直-大角度層理時(shí)巖層破壞主要發(fā)生在拱腰。

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（編輯 ?黃廷）