层状岩体隧道围岩稳定性的数值模拟分析

丁 尧, 王 俊, 徐国文

(1.四川省交通运输厅 公路规划勘察设计研究院，成都 610041；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)

由于层理面的存在，层状岩体中隧道开挖后围岩力学响应机制复杂，容易产生非对称钢拱架扭曲、塑性挤入等大变形现象。国内外学者对层状岩体地下工程的开挖稳定性问题进行了大量的研究。周晓军等[1]采用相似模型试验，对层理面影响下二次衬砌结构的受力特性进行了研究；夏彬伟[2]、马腾飞等[3]采用室内三维模型试验，揭示了层状岩体深埋隧道开挖破坏规律；ZHANG Zhizen等[4]求解得到了隧道轴线与层理方向垂直时不同开挖断面的弹性解；Huy Tran Manh[5]推导出层状岩体中任意形状断面开挖力学响应的解析解；Manh Vu[6]得到非线弹性各向异性岩石中隧道开挖响应的半解析解；在隧道轴线与层理面垂直条件下，并考虑中间主应力影响，余东明等[7]推导出深埋圆形隧洞弹塑性解；A.Lisjak[8]等采用FEM/DEM方法，对泥页岩地层圆形隧道开挖破坏过程进行了研究。

可以看出，目前关于层状围岩隧道稳定性的研究均是在假定岩层的走向与隧道轴线方向平行的基础上，分析层理面倾角对隧道稳定性的影响，即将三维空间问题简化成二维平面问题。实际工程中，层理面的走向、倾向与隧道轴线方向的夹角存在多样性，是一个复杂的三维问题[9-10]。因此，本文以四川省道219线改建工程海子山隧道为工程背景，基于现场调研与块体离散元数值模拟，对层状围岩隧道稳定性进行系统的分析，揭示隧道开挖后围岩的非对称形变规律，以期为该类岩体中隧道开挖支护设计提供参考。

为表述方便，本文视倾角指的是岩体层理面和隧道掘进掌子面的交线与水平线之间的夹角；倾向角指的是岩体层面和隧道轴线之间的夹角。

1 工程背景

海子山隧道是省道217线石(渠)马(尼干戈)公路改建项目的控制性工程，位于四川省甘孜州德格县窝公乡境内。隧道按二级公路、时速60 km/h进行设计，为单洞对向交通隧道。隧道设计净宽10.4 m，净高7 m，长2 522 m，最大埋深213 m，洞口海拔高度约 4 360 m。隧道穿越地层主要为三叠系变质砂岩、板岩(图1)。其中，板岩为灰褐、深灰色，具有板状结构，薄层状构造，岩石遇水易软化。

隧道围岩大变形主要发生在以板岩为主的软弱岩层中，该类岩层典型掌子面围岩特征如图2所示。从图2中可以看出，岩体中含有大量的原生层理面，且层理面的倾向与倾角变化范围较大。隧道的变形受层理面影响，具有显著的非对称形变特征，即初期支护与围岩大变形主要发生在隧道轮廓切线与层理面平行的位置处。主要的大变形现象如下。

a.初期支护结构变形破裂并伴有局部塌方(图3)。隧道进口段的隧道左侧(即垂直于层理面方向)格栅钢架变形扭曲、喷射混凝土开裂、剥落并掉块，围岩变形最大达60 cm。初期支护变形后架设间距为0.6 m的I18工字钢，但仍未阻止围岩的变形，工字钢架继续产生扭曲现象，最终围岩发生坍方。

b.拱顶严重下沉。K191+023～050里程段内岩层为水平层状分布，开挖初期岩石可以自稳。随着地下水的入渗，拱顶下沉突然增大29 cm，水平收敛变形增大3.8 cm，导致围岩变形侵限(图4)。在该数值模型中，岩体为满足摩尔-库伦准则的有限元单元，层理面为满足摩尔-库伦准则的接触单元，采用该模型可以显式地反映层理面对围岩形变的影响。计算工况分为3种(侧压力系数λ不同)，即工况1(λ=1)：σx=σy=σz=20 MPa；工况2(λ>1)：σx=20 MPa，σy=σz=10 MPa；工况3(λ<1)：σz=20 MPa，σx=σy=10 MPa。各工况中，倾角与倾向的组合有3类，即视倾角=0°，倾向角=0°～360°；视倾角=90°，倾向角=0°～360°；视倾角=0°～90°，倾向角=0°～360°。

图1 海子山隧道地质剖面图Fig.1 Longitudinal geological profile of Haizi Mountain tunnel

图2 掌子面典型围岩特征Fig.2 Typical features of tunnel face surrounding rocks

图3 围岩塌方过程Fig.3 Collapse process of surrounding rocks

c.非对称内鼓。大多数大变形断面中，围岩以薄层-中层板岩为主，开挖后初期支护后急剧变形，产生非对称内鼓(图5)。

2 建立数值模型

采用3DEC[11]数值模型软件建立块体离散元模型(图6)。模型大小为60 m×60 m×10 m，层理面间距0.6 m，岩体物理力学性质如表1所示。

图4 突发性大变形破坏Fig.4 Suddenly large deformation damage

图5 隧道非对称内鼓Fig.5 Asymmetric squeezed deformation

图6 数值模型Fig.6 Numerical model

参数体积模量/GPa剪切模量/GPa层理面法向刚度/GPa·m-1层理面切向刚度/GPa·m-1内摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉强度/MPa岩石20163264层面14102232.4

3 结果分析

3.1 岩层产状和隧道的空间关系对围岩稳定性的影响

a.视倾角δ=0°

当视倾角等于0°时，层面倾向角对围岩的位移和破坏形态无影响，如图7所示(图中位移云图中，红色为最大正向位移，深蓝色为最大负向位移，后续计算结果云图的含义与该图相同)。围岩水平形变较大的位置以及层理面剪切破坏的位置均分布于隧道断面拱顶与拱底附近的4个角落处。该现象说明，当视倾角为0°时，拱顶与拱底附近剪应力集中，容易导致层理面的剪切破坏；同时，隧道仰拱附近围岩在剪切力的作用下容易出现断裂，形成隆起变形。

b.视倾角δ=90°

当视倾角等于90°时，围岩形变特征及其破坏形态在不同层理面倾向角影响下存在4种模式(图8)。

①当层理面倾向角等于0°或180°时，隧道轴线两侧岩体为对称形态，因此隧道轴线两侧围岩的位移状态和塑性区均为对称分布(图8-A)。②当层理面倾向角等于90°或270°时，隧道轴线两侧岩体结构分布和前述情况相同，此时隧道轴线两侧围岩的位移状态和塑性区分布也大致对称(图8-B)，且竖向形变较大区域以及层理面破坏区域分布在拱肩及拱脚处。③当层理面倾向角位于0°～90°或180°～270°区间时，垂直方向变形较大区域在右拱肩和右拱底附近，且塑性区分布在右拱腰附近(图8-C)。④当层理面倾向角位于90°～180°或270°～360°区间时， 垂直方向变形较大区域集中在左拱肩和左拱底附近，且塑性区分布在左拱腰附近(图8-D)。

图8 视倾角90°计算结果Fig.8 Calculation result (apparent dip=90°)

c.视倾角δ∈(0°, 90°)

当视倾角处于0°～90°之间时，围岩的力学响应与层理面倾向角之间的关系较为复杂，图9为视倾角等于30°时的计算结果。当层理面倾向角等于0°或360°时，围岩的塑性破坏集中在拱顶附近。当层理面倾向角为180°时，围岩的塑性破坏集中在拱顶附近。当层理面倾向角位于0°～90°或270°～360°之间时，围岩的塑性破坏分别集中在左拱腰、右拱腰附近；当层理面倾向角为90°或270°时，围岩塑性破坏区域集中在右拱肩与左拱腰附近、左拱肩以及右拱腰附近；当层理面倾向角在90°～180°或180°～270°之间时，围岩的塑性破坏分别集中在右拱肩、左拱肩附近。

图9 视倾角为30°的计算结果Fig.9 Calculation result (apparent dip=30°)

3.2 地应力场的影响

a.视倾角δ=0°

视倾角为0°时，围岩位移场、塑性区分布与地应力场的关系如图10所示。对比图7发现，当侧压力系数=1时，围岩塑性破坏受岩体产状控制；当侧压力系数<1时，围岩塑性破坏则较多地受到主应力方向的影响，塑性区连线垂直于最大主应力方向；当侧压力系数>1时，围岩的塑性破坏同时受层理面与主应力方向的影响。

b.视倾角δ=90°

当视倾角等于90°时，围岩位移场、塑性区分布与地应力场的关系如图11、图12所示。

对比分析图11与图8的计算结果，当侧压力系数<1时，围岩的竖向形变特征及塑性区分布范围与侧压力系数=1时有较大区别。以层理面倾向角位于0°～90°或180°～270°之间为例，λ=1时围岩竖向形变较大区域的范围大于λ<1时的范围。同时，λ=1时塑性区集中在右拱顶至右拱脚之间的范围内，而λ<1时塑性区集中分布在右拱顶与右拱底附近的范围内。

图10 不同地应力条件下视倾角为0°时围岩力学响应Fig.10 Mechanical response of surrounding rock under different ground stress (apparent dip=0°)

图11 工况2计算成果Fig.11 Calculation result of the case 2

图12 工况3计算成果Fig.12 Calculation result of the case 3

对比分析图12与图8的计算结果，当λ>1时，围岩的水平形变特征及塑性区分布范围与λ=1时有较大区别。以层理面倾向角在0°～90°或180°～270°之间为例，λ=1时围岩水平形变较大区域的范围大于λ>1时的范围。同时，两者塑性区范围相似，但λ=1时层理面破坏程度小于λ>1时的破坏程度。

c.视倾角δ=30°

当视倾角为30°时，围岩的力学响应与地应力场及层理面倾向角间的关系如图13所示。

在λ>1条件下，当层理面倾向角等于0°或360°时，洞周变形以拱底隆起为主；当层理面倾向角为180°时，围岩形变以拱顶沉降为主；当层理面倾向角位于0°～90°区间时，围岩变形以洞周右下部围岩位移为主；当层理面倾向角位于270°～360°区间时，围岩变形以洞周左下部围岩位移为主；当层理面倾向角等于90°时，洞周变形以洞周左上及右下部围岩位移为主；当层理面倾向角为270°时，围岩变形以洞周左下及右上部围岩位移为主；当层理面倾向角位于90°～180°区间时，围岩变形以洞周右上部围岩位移为主；当层理面倾向角为270°～360°时，洞周变形以洞周左下部围岩位移为主。

对比λ>1与λ<1发现，当λ<1时，围岩塑性破坏区集中在拱顶与拱底区域内；当λ>1时，拱腰附近也会出现大量的塑性区。

3.3 层状软岩地层大变形治理措施的建议

从数值计算结果可以看出，层理面的剪切与拉伸破坏是造成层状岩体隧道非对称变形的主要因素。同时，由于层理面倾向角与视倾角的差异，不同角度下层状岩体隧道发生大变形与塑性破坏的位置差异较大。由于海子山隧道的层理面具有多种倾向角与视倾角(图2)，因此在实际工程中，首先根据数值计算结果及掌子面揭露的层理面形态判断围岩大变形的位置，然后加强这些位置处的支护，增加层理面的抗剪切与抗拉伸的能力，以控制围岩非对称形变的产生。

图13 不同地应力条件下视倾角为30°时围岩力学响应Fig.13 Mechanical response of surrounding rock under different ground stress conditions (apparent dip=30°)

具体的非对称支护措施可采用以下2种：①穿层定向锚固，穿层锚索设计为压力型锚索，防止层面在卸荷过程中被拉开(图14-A)。②开挖后注浆加固，或直接采用锚注方法，增加层面的黏结力(图14-B、C)。

图14 工程措施Fig.14 Engineering control measures

4 结 论

本文以省道219线改建工程海子山隧道为背景，对层状围岩地层隧道稳定性进行系统的分析，揭示隧道开挖后围岩的非对称形变规律。

a.隧道围岩大变形主要发生在以板岩为主的软弱岩层，围岩的变形受层理面影响，表现出显著的非对称形变特征，即初期支护与围岩大变形主要发生在隧道轮廓切线与层理面平行的位置处。

b.当视倾角等于0°时，层理面倾向角对围岩位移场及其破坏形态无影响。围岩侧压力系数λ=1、λ>1以及λ<1时，围岩的破坏形态分别受层理面、主应力方向、层理面与主应力方向共同控制。

c.当视倾角等于90°时，围岩形变特征及其破坏形态在不同层理面倾向角影响下存在4种模式。当λ<1时，围岩的竖向形变特征及塑性区分布范围与λ=1时有较大区别。当λ>1时，围岩的水平形变特征及塑性区分布范围与λ=1时有较大区别。

d. 当视倾角不等于0°或90°时，洞周形变状态及其围岩破坏形态在层理面倾向角的变化影响下存在8种模式。同时，当λ<1时，围岩塑性破坏区集中在拱顶与拱底区域内。当λ>1时，拱腰附近也会出现大量的塑性区。