順層圍巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征模擬分析

摘要 為研究順層圍巖隧道開挖支護(hù)后其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形特征，以調(diào)整相應(yīng)支護(hù)參數(shù)及確保隧道施工的安全性。該文依托黃百鐵路老山隧道順層圍巖段，首先對(duì)順層圍巖段隧道進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以獲取相關(guān)圍巖參數(shù)，再結(jié)合隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行開挖后變形相關(guān)數(shù)值模擬，對(duì)隧道塑性區(qū)分布及位移狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，以此揭示不同工況條件下順層圍巖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征及變形規(guī)律，最終以數(shù)值模擬分析結(jié)論，為順層隧道設(shè)計(jì)及優(yōu)化施工提供

參考。

關(guān)鍵詞 順層圍巖；數(shù)值模擬；受力特征；變形規(guī)律

中圖分類號(hào) U25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）01-0082-03

0 引言

隧道開挖過程中，圍巖的力學(xué)特性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用是影響隧道穩(wěn)定性和施工安全的關(guān)鍵因素之一。順層圍巖通常是指圍巖中的巖層以一定傾角排列，且層理面沿隧道軸向方向展布的情況，這種地質(zhì)條件下，圍巖的力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力分布呈現(xiàn)出與常規(guī)巖層顯著不同的特點(diǎn)[1]，對(duì)于此種特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過建立合理的數(shù)值模型，模擬不同施工條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力過程，能幫助工程設(shè)計(jì)更好地理解隧道圍巖的變形機(jī)理及其與支護(hù)系統(tǒng)之間的相互作用[2]。該文依托黃百鐵路老山隧道順層圍巖段，通過單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲取相關(guān)圍巖參數(shù)，在此基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬的方法對(duì)順層隧道變形情況進(jìn)行模擬，以及設(shè)置不同順層圍巖工況進(jìn)行模擬，以研究各條件下順層圍巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征。

1 工程概況

黃百鐵路老山隧道里程為D1K248+185～D1K257 +306，隧道全長9 121 m，隧道洞身段最大埋深

448 m，最小埋深為13 m。隧道區(qū)該地層總體為泥巖夾砂巖、頁巖，局部為泥巖砂巖互層。該段隧道產(chǎn)狀N10～18°W/30～58°NE，巖層走向與線路走向夾角22～29°，在橫斷面上的視傾角為27～54°，線路右側(cè)順層圍巖。

2 圍巖單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試

為準(zhǔn)確模擬順層隧道圍巖受力變形特征，該文開展了順層圍巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以獲取相關(guān)圍巖參數(shù)。首先對(duì)斷面巖塊進(jìn)行取樣，此次取樣里程段為D1K257+040，該段圍巖等級(jí)根據(jù)地勘資料顯示為Ⅳ級(jí)圍巖，試樣尺寸直徑取50 mm，高100 mm，取樣過程如圖1所示。

對(duì)所取巖芯樣通過電子天平稱重及游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑來計(jì)算巖樣的天然密度，分別取三塊巖芯樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試如圖2所示，其天然密度分別為2.755 g/cm3、

2.734 0 g/cm3、2.744 g/cm3，平均值為2.744 g/cm3。

采用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行各項(xiàng)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖3所示。根據(jù)規(guī)范中定義的天然抗壓強(qiáng)度、干抗壓強(qiáng)度以及飽和抗壓強(qiáng)度測(cè)定方法對(duì)圍巖試樣進(jìn)行測(cè)試，其最終測(cè)試結(jié)果如表1所示。由《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）中定義可知該隧道斷面巖石為硬巖，根據(jù)巖樣及地勘報(bào)告判定此次取樣為砂巖。最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果所判定巖石類別，則可獲取地勘資料中對(duì)于硬質(zhì)圍巖其余相關(guān)參數(shù)，有助于數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)取值。

3 數(shù)值建模及分析

該數(shù)值模擬采用二維有限元分析軟件OptumG2，該軟件可自適應(yīng)加密網(wǎng)格以獲得更加精確的結(jié)果。為避免邊界效應(yīng)的影響，將模型尺寸設(shè)置為100 m×100 m，模型單元數(shù)量為20 000，根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定該斷面圍巖為砂巖類型，因此根據(jù)地勘資料中測(cè)定的砂巖各項(xiàng)參數(shù)建立數(shù)值模型[3]。

巖體部分與巖層之間接觸面均采用摩爾-庫倫本構(gòu)進(jìn)行模擬，初支部分采用板單元進(jìn)行模擬，且設(shè)計(jì)資料中顯示初期支護(hù)采用C25噴射混凝土25 cm，工況分為地應(yīng)力平衡與彈塑性分析兩階段，模型示意圖如圖4所示，具體模型參數(shù)如表2所示。

該文所設(shè)模型工況分為不同順層傾角θ，不同巖層厚度h，不同側(cè)壓力系數(shù)條件K0。如圖5～7為各不同工況下圍巖塑性區(qū)分布圖。

由圖5可知，不同順層傾角對(duì)圍巖塑性區(qū)分布范圍的影響較小，且順層傾角越大塑性區(qū)的非對(duì)稱效應(yīng)越明顯。由圖6可知，巖層厚度的變化對(duì)塑性區(qū)的分布形態(tài)造成影響較小，塑性區(qū)基本對(duì)稱，隨著巖層厚度增加塑性區(qū)范圍有小幅度的縮減。由圖7可看出，側(cè)壓力系數(shù)的變化對(duì)圍巖塑性區(qū)分布范圍有較大影響，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為0.5、0.75時(shí)，隧道塑性區(qū)主要分布在隧道拱腰與邊墻部位，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，拱頂與仰拱兩部位塑性區(qū)有明顯增大趨勢(shì)，而拱腰與邊墻附件塑性區(qū)明顯縮減，但塑性區(qū)整體分布特性仍呈現(xiàn)對(duì)稱現(xiàn)象。

圖8～10為不同工況下圍巖最大位移值變化情況，由圖可看出，側(cè)壓力系數(shù)越大則圍巖最大位移越大，順層傾角與巖層厚度越小則圍巖最大位移越大。圍巖最大位移值均未超過6 cm，且由圖可看出，三種因素對(duì)于圍巖最大位移值的影響從大到小為：順層傾角、側(cè)壓力系數(shù)及巖層厚度。

4 結(jié)論

該文以黃百鐵路老山隧道順層圍巖段為研究對(duì)象，對(duì)隧道圍巖取樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及建立順層圍巖相關(guān)模型，從而得出以下相關(guān)結(jié)論：

（1）該隧道斷面巖石單軸抗壓強(qiáng)度從大到小依次為干抗壓強(qiáng)度、天然抗壓強(qiáng)度、飽和抗壓強(qiáng)度，分別為76.1 MPa、62.3 MPa、53.3 MPa，隧道圍巖為硬巖。

（2）順層傾角與巖層厚度對(duì)圍巖塑性區(qū)分布范圍影響較小，側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圍巖塑性區(qū)分布范圍造成影響較大，但塑性區(qū)整體分布特性仍呈現(xiàn)對(duì)稱現(xiàn)象。

（3）對(duì)于圍巖最大位移值的影響從大到小為：順層傾角、側(cè)壓力系數(shù)及巖層厚度。

參考文獻(xiàn)

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[3]李深圳，沙鵬，伍法權(quán)，等.層狀結(jié)構(gòu)巖體變形的各向異性特征分析[J].巖土力學(xué)， 2018（S2）：366-373.

收稿日期：2024-12-06

作者簡(jiǎn)介：李彬（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，從事鐵路、公路隧道和橋梁施工工作。