缓倾泥页岩互层隧道开挖的围岩松动圈形态研究

杨平庆，邵 蔚，王长柏，周 志，陈云超

(1.安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 232001；2.河南省南阳市水利建筑勘测设计院， 河南 南阳 473068； 3.苏交科集团股份有限公司， 江苏 南京 210000)

随着我国经济的快速发展，铁路和高速公路的隧洞工程建设进入了高速发展期。建设过程中不可避免地出现大量隧道[1]，隧道的建设开挖，打破了原有的应力平衡状态，当围岩重分布应力超过其承载力极限时，岩体产生破坏甚至发生开裂、岩爆以及坍塌现象[2-3]。

围岩松动圈是在应力重分布的过程中，围岩裂隙从隧道开挖面逐步向深处扩展，以重新达到应力平衡状态时形成的破裂区域[4]。围岩松动圈的形态与开挖方式、支护设计等密切相关，目前对围岩松动圈的研究主要针对匀质围岩，对于各向异性的非匀质围岩的研究比较少。例如，池田和彦[5]首次利用声测法对围岩松动区现场测试，并提出围岩松动的厚度与隧道参数及岩体波速的关系式。L.Z.Wojno[6]根据围岩破碎程度以及墙体位移对围岩进行分类，定义为正常和严重两种状态，并对松动下的围岩提出支护建议。长春煤炭科研所于1977年研制出适用于矿山条件下的超声波围岩裂隙探测仪，使声波探测围岩松动圈进入快速发展时期。周黎明等[7]通过对隧道围岩松动区声波法测试，发现断面上部比断面下部的松动区厚度大，且松动区岩体静弹性模量值较完整性岩体明显降低。樊克恭等[8]利用数值模拟分析了软弱围岩巷道的塑性区，指出弱结构部位松动圈厚度较大，非弱结构部位松动圈厚度较小，软弱围岩巷道的松动圈形态特征与塑性发育区特征基本一致。近年来，随着工程实践经验的累计和丰富，部分学者提出了新的认知理论和分析方法，如王睿等[9]基于Hoek-Brown强度准则，提出理想状态下围岩松动圈厚度的计算公式，其结果对公路隧道围岩隧道松动范围的估算中具有一定的准确性和适用性。

由于地层结构的复杂性，大多数隧道开挖地层隧道开挖面临的是不同岩性组合的地层结构，单一均质地层结构在实际中并不多见。因此，研究组合岩层结构条件下隧道围岩松动圈形态特点对实际工程具有重要的现实意义[10-11]。本文结合缓倾泥页岩互层地层中的某隧道，针对其开挖过程中出现的变形破坏问题，采用有限元分析软件对不同岩体应力条件下的围岩松动特性进行了数值模拟，并与现场测试结果进行了对比分析，确定了隧道围岩的松动形态特征和深度范围，并针对非均质地层特点提出了相应的支护建议，为后续的隧道设计及围岩加固提供了参考，有效地保证了隧道的安全顺利施工。

1 现场工程背景

该隧道位于四川省凉山彝族自治州境内，地层岩性主要为侏罗系中统益门组(J2y)泥岩，弱风化带，属Ⅳ级软石，紫红、深紫色，中厚层状长石石英砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩，节理裂隙发育；三叠系上统白果湾组(T3b)砂岩、泥岩、粉砂岩夹炭质页岩及煤，灰色，中厚层状细、中粒岩屑，石英砂岩、粉砂岩、深灰色炭质水云母黏土岩、页岩，底部夹部分煤层、弱风化带，属Ⅳ级软石。岩层层理倾向为N20°E左右，倾角在13°～25°SE左右，整体为缓倾岩层。

当隧道施工至中—薄层页岩及泥岩区段时，现场陆续发现进口平导出现底板隆起开裂，拱顶变形下沉，拱部左侧初期支护混凝土开裂掉块，右侧边墙初期支护大面积崩落。根据现场统计，平导初支开裂主要分布在左侧拱腰部位，隆起最大值接近30 cm，裂缝纵向延伸，宽度达到9.0 cm，混凝土剥落掉块严重。采取临时措施，用C25混凝土补喷、封闭平整后，底部隆起及下沉变形仍然呈逐渐发展趋势。

针对该隧道缓倾中薄层泥岩和页岩段支护破坏情况，根据开挖段的地层特征和岩体参数，利用有限元分析软件建立模型进行仿真分析，并与现场测试结果对比，综合分析确定围岩的松动破坏特征和破坏机制，及时评估地下硐室围岩稳定状态，指导施工，反馈设计，及时调整支护参数，保障硐室整体稳定[12-14]。

2 数值模拟计算及分析

2.1 数值模拟的参数和建模

为了模拟出该工程围岩松动圈的形态，使用RS2有限元分析软件建模，模型大小为85 m×84 m，隧道截面宽度为12 m，高度10 m，弧形边界。模型共划分为9 012个网格，节点数为4 667个，四周刚性铰接，围岩定义为泥页岩薄层相互嵌插，倾角水平逆时针13°，网格划分后的模型如图1所示，其中浅色薄层为泥岩层，深色薄层为页岩层，模型计算参数参照樊克恭等[8]，如表1所示。

图1 计算模型与网格划分

2.2 计算结果及分析

根据现场地质资料，隧道埋深为310 m，上覆岩层密度2.65 g/cm3。为准确地反映数值模拟下围岩松动圈的形态，在硐室周围选取8个应力位移监测点，其中1#—7#点对应于现场的声波测试孔K1—K7点，8#点为上顶板中心位置。

为更清楚地展示泥页岩互层的计算模型，对岩体地应力侧压力系数λ=2.0时的计算结果图进行放大，并标记地层信息(①表示泥岩、②表示页岩)，如图2所示。

为了分析围岩应力侧压力系数对围岩损伤的影响，分别取侧压力系数值为0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75和2.00代入模型中计算，得到每个侧压力系数下的围岩松动形态[15]。

图2隧道截面测点分布图

研究结果表明：隧道断面不同部位岩层的松动形态与范围呈现如下规律：在上顶板与下底板处主要是泥岩层的破坏，泥岩损伤分布范围较页岩层大；而在侧边墙处，页岩松动范围比泥岩松动范围大，整体呈现“钉齿状”。

以此同时，隧道围岩松动圈沿垂直于缓倾层理方向对称分布，当侧压力系数较小时，损伤范围主要集中在两侧墙，上顶板和下底板损伤范围较小；当侧压力系数较大时，上顶板和下底板损伤区域迅速增大，而侧墙损伤范围增加不明显。

选取隧道断面8个监测点的损伤深度平均值作为平均松动深度，与侧压力系数的变化关系如图3所示。随着侧压力系数增加，松动圈平均深度先基本保持不变，当侧压力系数大于1.0后，平均损伤深度随侧压力系数的增加呈线性增长趋势。

除此之外，随着地应力侧压力系数增加，隧道横截面不同部位、不同岩性的围岩松动深度变化特征不同。分别选取隧道顶板中心、底板中心、侧边墙泥岩层、侧边墙页岩层监测点，其松动圈深度随侧压力系数变化曲线如图4所示。从图4可以看出：边墙泥岩层损伤深度基本不随侧压力系数变化而变化，平均值为0.17 m；边墙页岩层则处于折线平缓上升的状态，整体增长幅度不大；而上顶板在0.5≤λ≤1.0时，基本处于无损伤状态，而后随着侧压力系数的增长，上顶板损伤范围迅速增大；下底板损伤范围在λ=0.75有所下降之外，随着侧压力系数增长，其损伤范围增长速度越来越快。

图3 侧压力系数与松动圈范围的关系曲线

图4不同部位松动圈范围随侧压力系数的变化

3 模拟值和实际值对比分析

3.1 现场测试与测试结果

为了全方位测量隧道围岩损伤厚度，在隧道底板和两侧共布置7个钻孔作为单孔声波测试孔，编号为K1—K7，其中K1—K4孔深为5.0 m，K5—K7孔深为10 m，孔径均为50 mm，声波测试孔布置情况如图5所示。

图5声波测试孔布置与围岩损伤范围图

K1—K7测试孔的波速-深度变化曲线如图6所示。各测试孔的岩体声波波速在孔口附近较低，并逐渐增加直至一定深度后趋于稳定，将此变化过程的拐点深度视为损伤深度[16]。例如，对于测试孔K1，孔口附近声波波速为2 122 m/s，随深度增加波速急剧增大，深度达1.68 m时波速达到3 879 m/s，此后只有小幅度变化，K1附近岩体损伤范围为1.68 m。同理，可以得到K2—K7测试孔岩体损伤深度分别为1.70 m、1.50 m、1.45 m、1.60 m、1.62 m、2.53 m。

图6实测围岩波速随孔深的变化

根据各声波孔测试结果和孔位布置，可勾画出该隧道横截面处的围岩平均损伤范围，如图5所示。声波法测试结果表明：硐室顶板、左右两侧岩体损伤深度范围基本一致，平均扰动深度为1.60 m左右。整体扰动深度并不是沿着隧道截面均匀延伸，而是呈现侧壁薄板底厚的格局，其中下板底中心岩体扰动深度达到最大值2.53 m。

3.2 模拟值和实际值对比分析

根据现场地应力测试资料，岩体地应力侧压力系数约为1.75。为进行对比分析，选取数值计算中λ=1.75时，隧道围岩各个监测点的松动范围深度，并与声波测试结果进行对比，如图7所示。

从图7可看出，K1—K7监测点的损伤范围模拟值和声波测试值基本接近，实测值略小于模拟值，二者的吻合度较高。现场声波测试缺乏上顶板测试结果，利用模拟计算结果推测，在侧压力系数λ=1.75时，上顶板的松动圈范围深度为1.80 m，与侧墙的松动范围均值接近。平均松动圈范围在两侧壁向下沿着截面外壁均匀向深处发展，下底板中心处的平均松动深度最大。

图7松动圈范围模拟值与实测值的比较

4 结 论

结合缓倾、泥页岩互层隧道开挖工程，针对其开挖过程中出现的变形破坏问题，采用有限元分析软件对不同岩体应力条件下的围岩松动特性进行了数值模拟，并与现场测试结果进行了对比分析，主要得到如下结论：

(1) 隧道围岩松动在上顶板与下底板处主要是泥岩层的破坏，泥岩损伤分布范围较页岩层大；而在侧边墙处，页岩松动范围比泥岩松动范围大，整体呈现不均匀的“钉齿状”。

(2) 隧道围岩松动圈沿垂直于缓倾层理方向对称分布，而非与隧道断面中心对称；当侧压力系数较小时，损伤范围主要集中在两侧墙，上顶板和下底板损伤范围较小；当侧压力系数较大时，上顶板和下底板损伤区域迅速增大，而侧墙损伤范围增加不明显。

(3) 随着侧压力系数增加，松动圈平均深度先基本保持不变，当侧压力系数大于1.0后，平均损伤深度随侧压力系数的增加呈线性增长趋势。

(4) 隧道不同部位、不同岩性的围岩松动深度随地应力侧压力系数的变化特征不同。边墙泥岩层损伤深度基本不随侧压力系数变化而变化，平均值为0.17 m；边墙页岩层则处于折线平缓上升的状态，整体增长幅度不大；而上顶板在0.5≤λ≤1.0时，基本处于无损伤状态，而后随着侧压力系数的增长，上顶板损伤范围迅速增大；下底板损伤范围在λ=0.75有所下降之外，随着侧压力系数增长，其损伤范围增长速度越来越快。

(5) 通过与声波测试结果的对比，发现数值计算的围岩损伤范围平均值与声波测试值基本吻合。但声波测试结果为围岩损伤范围的平均值，无法反映隧道围岩不同部位的“钉齿状”损伤形态和非对称分布特征。

(6) 建议实施有针对性的支护设计，尤其注意加强隧道顶部左侧和底部右侧的加固支护措施，可有效防止发生初期支护混凝土开裂掉块、右侧底板开裂破坏情况，为后续的隧道设计及围岩加固提供了参考，有效地保证了隧道的安全顺利施工。