昔格达地层隧道围岩稳定性及系统锚杆功效研究

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(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.中国中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 401121)

昔格达地层是我国攀西地区的一种软弱半成岩，主要分布于金沙江及其支流大渡河、雅碧江和安宁河的河谷地区[1]。昔格达地层具有开挖后易风化及遇水易泥化崩解的特性，其工程性质介于极软岩与土之间。近年来，随着我国西部大开发战略的逐步推进，在川西南地区出现大量穿越昔格达地层的公路、铁路隧道[2]。

因昔格达地层隧道的特殊性，国内众多学者已对其开展了研究。文献[3]根据昔格达地层的水敏感性，对该地层隧道围岩进行亚级分级。文献[4]对昔格达地层隧道的围岩灾变特征进行了分析，认为含水率为25%时是该地层隧道的灾变临界点。文献[5]对昔格达地层隧道围岩和初期支护变形特征进行了研究，并对隧道预留变形量设置提出了建议。文献[6-7]基于强度折减法对隧道围岩破坏机理及稳定性进行了研究。

以往文献对于昔格达地层隧道的研究多集中于隧道围岩变形特征及控制技术上，对锚杆的加固效果研究不多。本文通过数值模拟方法，探求昔格达地层隧道整体失稳机制，分析隧道围岩含水率和隧道埋深对隧道在无支护条件下稳定性的影响，为昔格达地层隧道的设计提供指导。

1 工程概况

冉家湾隧道位于成昆铁路复线攀枝花段，隧道穿越青龙山、马家田、花城新区等，地形起伏大，隧址区相对高程100～650 m，自然坡度15°～45°。隧道全长12.877 km，为单洞双线隧道，隧道开挖高度为12.14 m，跨度为12.96 m，开挖面积达到133 m2，属于大断面隧道。隧道设计时速160 km，采用复合式衬砌。

冉家湾隧道所穿越的昔格达地层岩性主要是页岩夹砂岩和砂岩夹页岩，具有较强的水敏性(见图1)，工程性质随含水率的增加急剧劣化[8]。

图1 昔格达地层遇水前后形态

隧址旱季流量较小，雨季流量较大。地下水总体不发育，以孔隙潜水为主，主要以渗流方式受大气降水和地表水供给，且水对混凝土无侵蚀。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

本文采用有限差分软件FLAC 3D进行模拟分析，选取成昆铁路冉家湾隧道标准断面。依据隧道力学理论，隧道开挖后的应力影响范围为3～5倍隧道洞径[9-10]。模型见图2。

2.2 参数的选取

不同含水率下昔格达地层物理力学参数见表1，支护结构计算参数见表2。

表1 不同含水率下昔格达地层物理力学参数

表2 支护结构计算参数

2.3 模拟结果与分析

2.3.1 折减系数对隧道稳定性的影响

冉家湾隧道围岩含水率26.6%、埋深45 m时，围岩变形与强度折减系数关系曲线见图3。可见：随着折减系数的增大，拱顶沉降、边墙和墙脚处水平收敛均逐渐增大，基本成线性关系，折减系数为1.44时各项位移值发生突变，隧道处于极限平衡状态。

图3 围岩变形与强度折减系数的关系曲线

为直观分析隧道整体失稳破坏机制，选取不同强度折减系数下最大塑性剪应变，见图4。

图4 最大塑性剪应变云图

从图4可以看到隧道变形失稳的全过程。折减系数较小时，塑性剪应变分布在隧道两侧，拱顶塑性剪应变较小，此时隧道处于稳定状态；随着折减系数的增大，塑性剪应变范围扩大，进而向拱顶扩展，塑性剪应变范围呈“双耳”状，此时隧道处于极限状态。

2.3.2 含水率对隧道稳定性的影响

隧道埋深45 m时不同含水率下隧道整体安全系数见图5。

图5 不同含水率下隧道整体安全系数

从图5可以看出含水率对隧道整体稳定性影响显著。当含水率低于20%时，安全系数与含水率基本成线性关系；当含水率超过20%时，安全系数急剧下降;当含水率为30%时，隧道无自稳能力。

2.3.3 各项加固措施对隧道稳定性的影响

对无支护毛洞、仅设置系统锚杆、仅喷射混凝土和喷射混凝土+设置系统锚杆4种工况进行分析。天然含水率下浅埋和深埋时隧道各特征点折减系数与位移的关系曲线分别见图6、图7。不同工况下隧道安全系数见表3。

由图6、图7和表3可以看出：

图6 浅埋时隧道不同工况下折减系数与位移的关系曲线

图7 深埋时隧道不同工况下折减系数位移曲线

1)设置系统锚杆对浅埋、深埋隧道安全系数的提升率分别为4.54%和3.11%，喷射混凝土对浅埋、深埋隧道安全系数的提升率分别为33.48%和29.18%。因此可认为设置系统锚杆不能有效提高隧道结构的安全储备，喷射混凝土对隧道稳定性的影响比设置系统锚杆明显。

表3 不同工况下隧道安全系数

2)从各特征点的位移和隧道整体安全系数来看，各工况下隧道的安全性排序为：喷射混凝土+设置系统锚杆>仅喷射混凝土>仅设置系统锚杆>毛洞。

3)随着折减系数的增大，浅埋隧道无支护时各特征点位移始终表现为拱顶沉降>边墙处水平收敛>墙脚处水平收敛。说明浅埋隧道从拱部开始破坏，并逐渐蔓延至边墙。随着折减系数的增大，围岩破坏向深部发展，最终引起隧道整体失稳。

4)深埋隧道无支护且折减系数较小时，各特征点的位移：边墙处水平收敛>拱顶沉降>墙脚处水平收敛；当折减系数达到1.44时，隧道各特征点的位移：拱顶沉降>边墙处水平收敛>墙脚处水平收敛。说明深埋隧道从边墙开始破坏，逐步蔓延至拱顶，引起隧道整体失稳。

3 结论

1)昔格达地层隧道稳定性随着围岩含水率的增加而减小。当含水率在20%以下时隧道具有一定的自稳能力，当含水率超过20%时隧道开挖需要采取一定的超前支护措施。

2)喷射混凝土对昔格达地层隧道安全系数的提升率大于设置系统锚杆。天然含水率下浅埋昔格达地层隧道破坏从拱部开始，延伸至边墙；深埋昔格达地层隧道破坏从边墙开始，蔓延至拱部。