巖層厚度及傾角對(duì)順層隧道的圍巖穩(wěn)定性影響分析

【摘 要】為探明巖層厚度及傾角對(duì)順層偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了不同巖層厚度及傾角下的隧道圍巖塑性區(qū)分布、圍巖位移及巖層滑移位移。研究結(jié)論表明：（1）隧道圍巖穩(wěn)定性隨巖層厚度的增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)巖層厚度大于5 m后，可忽略地質(zhì)順層帶來的偏壓?jiǎn)栴}；（2）當(dāng)巖層傾角為0°或40°時(shí)，隧道最大圍巖位移及最大結(jié)構(gòu)面滑移位移相對(duì)其他傾角較大，隧道處于最不穩(wěn)定狀態(tài)，隧道的最不利位置位于結(jié)構(gòu)面與隧道輪廓切線平行的位置。

【關(guān)鍵詞】隧道； 圍巖穩(wěn)定性； 數(shù)值計(jì)算； 巖層厚度； 巖層傾角； 監(jiān)控量測(cè)

【中圖分類號(hào)】U451+.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

偏壓隧道包括地形偏壓隧道及地質(zhì)偏壓隧道。對(duì)于地形傾斜而引起的地形偏壓，隧道的圍巖壓力可根據(jù)TB 1003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，采用沿用多年且經(jīng)過工程驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法。但對(duì)于由軟硬巖層、傾斜順層巖體等引起的地質(zhì)偏壓，目前尚無成熟的設(shè)計(jì)理論和方法，通常根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采取加固圍巖和加強(qiáng)支護(hù)的方式來保證圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全［2-7］。但由于隧道所處地層巖性復(fù)雜多變，巖層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面參數(shù)、巖體參數(shù)離散型較大，且?guī)r層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)等與處于傾斜巖層中隧道的偏壓力學(xué)行為密切相關(guān)，故僅依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的片面性，在某些地層中可能由于經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知不足導(dǎo)致順層隧道在完成初期支護(hù)后發(fā)生偏壓變形，引起初支局部開裂、鋼架扭曲等現(xiàn)象，甚至可能導(dǎo)致隧道后期運(yùn)營(yíng)期間的二次襯砌破壞［7-10］。因此，本文采用數(shù)值模擬的方法，分析不同巖層厚度及巖層傾角下的圍巖塑性區(qū)、圍巖位移及結(jié)構(gòu)面位移的分布情況，從而探明巖層厚度及巖層傾角對(duì)順層隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并通過實(shí)際工程的監(jiān)控量測(cè)統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)論可為同類隧道的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

本次計(jì)算采用平面應(yīng)變模型，隧道跨度B為13.7 m，左、右及下邊界到隧道輪廓的距離為3B，上邊界至拱頂?shù)木嚯x為50 m，即隧道埋深為50 m，計(jì)算模型見圖1。巖層傾角40°，巖層厚度及巖層傾角視具體工況而定，結(jié)構(gòu)面分布如圖2所示。

強(qiáng)度準(zhǔn)則采用莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，計(jì)算參數(shù)見表1。

2 巖層厚度影響分析

本次計(jì)算根據(jù)巖層厚度的不同共計(jì)10種工況（表2），分別分析不同工況下圍巖塑性區(qū)、圍巖位移及結(jié)構(gòu)面位移的分布情況。但限于篇幅，只列出了部分工況的計(jì)算結(jié)果。

2.1 圍巖塑性區(qū)

圖3是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時(shí)的圍巖塑性區(qū)分布情況。巖層厚度對(duì)圍巖塑性區(qū)的分布形態(tài)及范圍有非常明顯的影響。當(dāng)巖層厚度較小時(shí)（0.5 m），塑性區(qū)分布表現(xiàn)出明顯的偏壓特征，反傾側(cè)拱腰、反傾側(cè)邊墻、順傾側(cè)邊墻、順傾側(cè)拱腳及拱底位置的塑性區(qū)分布較廣；隨著巖層厚度的增加，塑性區(qū)范圍逐漸減小，偏壓特征逐漸消失，塑性區(qū)逐漸均勻。這表明巖層厚度增加時(shí)，結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖穩(wěn)定性的不利影響逐漸減弱，隧道逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 圍巖豎向位移

圖4是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時(shí)的圍巖豎向位移分布云圖。從圖中可看出，巖層厚度對(duì)隧道圍巖豎向位移的大小及分布形態(tài)有明顯的影響。當(dāng)巖層厚度較小時(shí)（0.5 m），隧道周邊豎向變形偏壓特征明顯，最大豎向位移發(fā)生在反傾側(cè)拱腰-拱頂及順傾側(cè)拱腳-拱底位置。隨著巖層厚度增大，豎向變形偏壓特征逐漸消失，拱部最大豎向位移位置由反傾側(cè)拱腰向拱頂過渡，仰拱最大豎向位移位置由順傾側(cè)拱腳向拱底過渡。

圖5是巖層厚度與圍巖最大豎向位移的關(guān)系曲線。根據(jù)圖5，圍巖最大豎向位移隨著巖層厚度的增大而整體呈降低趨勢(shì)，且降低幅度逐漸減小。當(dāng)巖層厚度增至5 m后，繼續(xù)增加巖層厚度對(duì)洞周圍巖最大豎向位移的影響不大。由此可知，當(dāng)巖層厚度位于0.5～5 m范圍內(nèi)時(shí)，巖層厚度的增加有利于洞周圍巖的穩(wěn)定，達(dá)到5 m后繼續(xù)增加巖層厚度，位移變化幅度很小。

2.3 圍巖水平位移

圖6是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時(shí)的圍巖水平位移分布云圖。由圖6中可看出，巖層厚度對(duì)圍巖水平位移的大小及分布形態(tài)有明顯影響。當(dāng)巖層厚度較小時(shí)（0.5 m），最大水平位移在反傾側(cè)拱腰及順傾側(cè)拱腳位置，隨著巖層厚度的增大，最大水平位移位置由反傾側(cè)拱腰和順傾側(cè)拱腳逐漸向邊墻過渡，水平變形偏壓特征逐漸消失。

圖7是巖層厚度與圍巖最大水平位移的關(guān)系曲線。根據(jù)圖7，圍巖最大水平位移隨著巖層厚度的增大而整體呈降低趨勢(shì)，且降低幅度逐漸減小。當(dāng)巖層厚度增加至5 m后，繼續(xù)增大巖層厚度對(duì)最大水平位移的影響不大。

2.4 結(jié)構(gòu)面位移

圖8是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時(shí)結(jié)構(gòu)面滑移位移。由圖8可看出，隨著巖層厚度的增加，結(jié)構(gòu)面的最大滑移位移減小，但分布形態(tài)基本不變，發(fā)生最大滑移位移的位置一直處于反傾側(cè)拱腰位置或順傾側(cè)拱腳位置。

圖9是巖層厚度與結(jié)構(gòu)面最大位移的關(guān)系曲線。可以看出，巖層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)面切向滑移位移的影響較大，隨著巖層厚度增加，結(jié)構(gòu)面最大滑移位移迅速減??；法向位移相對(duì)滑移位移而言較小，且基本不受巖層厚度的影響。

綜上所述，巖層厚度對(duì)順層隧道的穩(wěn)定性有重要影響。當(dāng)巖層厚度小于5 m時(shí)，隨著巖層厚度的增加，順層隧道的偏壓力學(xué)特征逐漸消失，圍巖趨于穩(wěn)定，具體表現(xiàn)在：塑性區(qū)范圍、圍巖位移及結(jié)構(gòu)面位移逐漸減小，塑性區(qū)分布規(guī)律與圍巖變形規(guī)律逐漸接近于各向同性、均勻地層中隧道。當(dāng)巖層厚度超過5 m后，繼續(xù)增大結(jié)構(gòu)面摩擦角對(duì)隧道的力學(xué)特征影響較小。

3 巖層傾角影響分析

通過分析不同傾角下的隧道圍巖塑性區(qū)、圍巖位移及結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)位移的分布情況，研究巖層傾角對(duì)順層隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，計(jì)算工況如表3所示。

3.1 圍巖塑性區(qū)

圖10是巖層傾角為0°、20°、60°及90°時(shí)的圍巖塑性區(qū)分布圖。從該圖可看出，塑性區(qū)分布特征對(duì)巖層傾角具有追隨性，而塑性區(qū)的分布范圍變化不明顯。當(dāng)結(jié)構(gòu)面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，塑性區(qū)整體形狀也隨著旋轉(zhuǎn)，除巖層傾角為90°左右外，最大塑性區(qū)始終在結(jié)構(gòu)面與隧道輪廓切線平行的位置。

3.2 圍巖豎向位移

圖11是巖層傾角為0°、20°、60°及90°時(shí)的圍巖豎向位移云圖。由圖11可看出，豎向位移的分布特征對(duì)巖層傾角同樣具有追隨性，當(dāng)結(jié)構(gòu)面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，隧周最大豎向位移的位置也隨之旋轉(zhuǎn)，除巖層傾角為90°左右外，最大位移始終在結(jié)構(gòu)面與隧道輪廓切線平行的位置。

圖12是隧道圍巖最大豎向位移與巖層傾角的關(guān)系曲線圖。由圖12可以看出，當(dāng)沿層傾角為0°和40°時(shí)，仰拱最大上拱量和拱部最大下沉量達(dá)到最大。

3.3 圍巖水平位移

圖13是不同巖層傾角下的圍巖水平位移云圖。由圖13可看出，水平位移的變形特征對(duì)巖層傾角具有追隨性，當(dāng)巖層傾角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，隧周最大水平位移的位置也隨之旋轉(zhuǎn)，最大位移始終在結(jié)構(gòu)面與隧道輪廓切線平行的位置。

圖14是圍巖最大水平位移與巖層傾角的關(guān)系。由圖14可看出，當(dāng)巖層傾角為40°左右時(shí)，洞周圍巖最大水平位移達(dá)到最大值。綜合圖12與圖14可知，順層偏壓隧道存在最不利巖層傾角，本工況中的最不利傾角為0°和40°。

3.4 結(jié)構(gòu)面位移

圖15是不同巖層傾角下的結(jié)構(gòu)面滑移位移。由圖15可看出，結(jié)構(gòu)面滑移位移分布特征對(duì)巖層傾角具有追隨性，當(dāng)巖層傾角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)面滑移位移也隨著旋轉(zhuǎn)，最大滑移位移始終在結(jié)構(gòu)面與隧道輪廓切線平行的位置。

圖16是結(jié)構(gòu)面最大位移與巖層傾角的關(guān)系曲線。由圖16可看出，當(dāng)巖層傾角為0°和40°時(shí)，結(jié)構(gòu)面的最大切向滑移位移相對(duì)其他傾角較大。

綜上所述，隧道圍巖豎向位移、水平位移、塑性區(qū)、結(jié)構(gòu)面位移的分布特征均對(duì)巖層傾角具有追隨性，分布形狀均隨著結(jié)構(gòu)面的旋轉(zhuǎn)而整體旋轉(zhuǎn)。當(dāng)巖層傾角為0°或40°時(shí)，隧道圍巖最大位移及結(jié)構(gòu)面最大滑移位移相對(duì)其他傾角較大，隧道處于最不穩(wěn)定狀態(tài)，隧道的最不利位置位于結(jié)構(gòu)面與隧道輪廓切線平行的位置。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算得出的順層隧道巖層厚度和傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響規(guī)律，以京昆高速太原擴(kuò)容工程的太徐隧道為工程依托，對(duì)順層隧道層厚分別為0.1 m、0.3 m、0.8 m、1.5 m、3 m、5 m、6 m、7 m的不同斷面進(jìn)行拱頂位移和水平收斂的監(jiān)控量測(cè)，得到不同巖層厚度的隧道斷面拱頂位移和水平收斂累計(jì)變形曲線如圖17所示。

由圖17和圖18可以看出隧道層厚在0.1～5 m之間增加時(shí)，隧道的拱頂沉降和水平收斂均不斷增大，同時(shí)變形穩(wěn)定的時(shí)間在不斷減??；當(dāng)隧道層厚超過5 m之后，層厚的變化基本不會(huì)對(duì)拱頂沉降和水平收斂產(chǎn)生影響，同時(shí)變形穩(wěn)定的時(shí)間基本不變。驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算中巖層厚度對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬的方法，分析了巖層厚度及傾角對(duì)順層隧道的圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律。根據(jù)分析可知，隨巖層厚度增加，圍巖穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，圍巖塑性區(qū)、圍巖位移及結(jié)構(gòu)面位移偏壓分布特征逐漸消失，當(dāng)巖層厚度超過5 m后，可基本忽略巖層順層隧道的偏壓?jiǎn)栴}；隧道圍巖塑性區(qū)、圍巖位移及結(jié)構(gòu)面位移的分布特征分布形狀均隨著結(jié)構(gòu)面的旋轉(zhuǎn)而整體旋轉(zhuǎn)，最不利位置位于結(jié)構(gòu)面與隧道輪廓切線平行的位置。當(dāng)巖層傾角為0°或40°時(shí)，隧道圍巖處于最不穩(wěn)定狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范： TB 1003-2016［S］. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2017.

［2］ 周應(yīng)麟，邱喜華. 層狀巖層圍巖隧道穩(wěn)定性探討［J］. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2（2）：345-348.

［3］ 譚鑫，傅鶴林，陳琛，等. 層狀巖體中隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，13（6）：1108-1113.

［4］ 周曉軍，高楊，李澤龍，等. 地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖壓力及其分布特點(diǎn)的試驗(yàn)研究［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006，43（1）：12-21.

［5］ 曹興松，周德培，劉國(guó)強(qiáng)，等. 陡傾小交角層狀圍巖淺埋隧道錨桿支護(hù)優(yōu)化研究［J］. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（增2）：1926-1930.

［6］ 韓昌瑞，張波，白世偉，等. 深埋隧道層狀巖體彈塑性本構(gòu)模型研究［J］. 巖土力學(xué)，2008，29（9）：2404-2414.

［7］ 孫偉亮. 順層偏壓地層隧道施工力學(xué)行為分析［J］. 鐵道建筑技術(shù)，2008（5）：72-75.

［8］ 郭亮，李俊才，張志鋮，等. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)偏壓隧道圍巖松動(dòng)圈的研究與應(yīng)用［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（增1）：3009-3015.

［9］ 孫偉亮. 堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù)［J］. 隧道建設(shè)，2009，29（1）：76-81.

［10］ 趙景彭. 節(jié)理傾角對(duì)層狀巖體大斷面隧道穩(wěn)定性研究［J］. 鐵道建筑，2011（9）：58-61.

［作者簡(jiǎn)介］駱耀文（1990—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗淼拦こ獭?/p>