红层隧道围岩稳定性分析研究

王 硕, 张志强, 周宇锴

(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)

随着川南地区高速公路铁路的兴修，出现大量穿越红层软岩的隧道[1]。红层围岩胶结程度差且富含黏土矿物导致其表现出强度低、塑性变形大、水理性强、易风化等特殊性质，同时节理发育[2-5]。在节理破碎岩体中，由于节理面的存在，特别是软弱夹层的存在，极大削弱了岩体力学性质及其稳定性。节理面的变形与强度性质往往对于工程岩体的变形和稳定性起着控制性作用，因此，研究节理面对围岩稳定性的影响对节理破碎岩体中隧道稳定性具有重要意义。

在国外，Kaiser[6]和Sulem等[7]较早的对隧道围岩稳定性做了研究。在国内，刘明[1]等利用实时监测的隧道围岩拱顶下沉和周边收敛数据，研究了红层隧道围岩的稳定状况。邵远扬[8]研究了层状岩体隧道围岩稳定性及破坏模式。郑昳[9]基于红层的性质及大跨度隧道的特点，采用数值模拟与现场实测相结合的方法，研究得出交叉中隔法(CRD)进行开挖与支护，可以满足隧道围岩稳定性要求。目前学者们针对红层工程地质条件下有关隧道围岩稳定性方面的研究较少，因此开展红层软岩隧道开挖后围岩稳定性评价及施工控制措施研究具有重要的意义。为此本文根据天坪寨隧道实际工程情况为依托，利用块体离散元方法研究不同倾角节理地层隧道稳定性规律，提出施工控制措施，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

达万(达州～万州)高速公路天坪寨隧道进出口节理裂隙相对发育，而洞身发育程度相对较差。节理实测结果显示，其主要发育3组(主控节理2组)，其中(1)J1组：产状0～35 °∠55～77 °，间距0.2～0.5m不等，为区内的主控节理之一；(2)J2组：产状190～230 °∠59～80 °，间距0.20～0.70m不等，为区内的主控节理之一；(3)J3组：产状40～65 °∠60～80 °，间距0.50～1.00m不等，局部泥质充填。

2 数值模拟分析

本次计算采用离散元数值模拟方法，该方法把节理岩体视为由离散的块体和岩块间的节理面组成，允许岩块平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离和滑动；从而可较真实地模拟节理岩体中非线性大变形特征。因此，对于节理发育隧道，采用UDEC进行数值模拟是非常适合的。

2.1 计算模型

计算基本假设：隧道穿越节理均匀发育的岩体和地层，节理间距相同、倾角相同；各节理计算参数相同：忽略其他复杂地质条件，如地下水渗流，断层破碎带等；模拟计算的毛洞断面采用隧道设计开挖轮廓线。

天坪寨隧道计算断面埋深573m；开挖跨径为12m；模型宽度108m，仰拱距下边界约36m，拱顶距上边界约48m。模型上边界施加上覆岩层压力，左右边界约束水平位移，下边界约束其竖向位移(图1)。

图1 计算模型(以30°倾角节理为例)

根据天坪寨隧道钻孔岩芯的物理力学参数，确定计算参数如表1、节理计算参数如表2。

表1 岩体计算参数

表2 节理计算参数

3.2 计算工况

在自重应力场下，0 °、30 °、60 °、90 °倾角节理隧道全断面开挖；除节理倾角以30 °递增变化外，各计算模型的其他计算参数相同，节理间距取0.5m，以此来探讨不同节理倾角对隧道围岩变形的影响。

3 计算结果分析

3.1 洞周沉降分析

隧道全断面开挖计算平衡后，各工况洞周沉降分布见图2～图5。

图2 0°倾角节理洞周沉降云图(单位：m)

图3 30°倾角节理洞周沉降云图(单位：m)

图4 60°倾角节理洞周沉降云图(单位：m)

图5 90°倾角节理洞周沉降云图(单位：m)

从图2～图5中可以看出：在相同初始地应力场中，节理倾角不同，各工况的洞周沉降分布不同。由此可见不同的节理倾角会对洞周沉降产生不同的影响。节理倾角30 °和60 °时，洞壁右侧沉降总体上大于洞壁左侧。由此可见在岩层产状倾斜的地质偏压隧道中，不同节理倾角会导致洞周产生不对称的沉降，当节理倾角在0～90 °之间时，洞壁右侧沉降总体上大于洞壁左侧。

从拱顶沉降计算结果可以看出：在自重应力场中，当节理倾角小于90 °时，不同节理倾角对拱顶沉降产生影响较小；但当节理倾角为90 °时，在自重应力作用下，拱顶沉降较大。故在隧道开挖后，应及时施做支护，防止拱顶沉降过大。

3.2 洞周第一主应力σ1分析

隧道全断面开挖计算平衡后，各工况洞周第一主应力σ1分布见图6～图9。

图6 0°倾角洞周σ1云图(单位：Pa)

图7 30°倾角洞周σ1云图(单位：Pa)

图8 60°倾角洞周σ1云图(单位：Pa)

图9 90°倾角洞周σ1云图(单位：Pa)

从图6～图9中可以看出：在相同初始地应力场中，节理倾角不同，各工况的洞周第一主应力分布也不同；由此可见不同的节理倾角会对隧洞应力场分布产生影响。节理倾角30 °和60 °时，洞壁右侧第一主应力总体上大于洞壁左侧。由此可见在岩层产状倾斜的地质偏压隧道中，不同节理倾角会导致洞周产生不对称的应力场，当节理倾角在0～ 90 °之间时，洞壁右侧第一主应力总体上大于洞壁左侧。

4 结论

本文主要探讨在不同倾角节理岩体中隧道围岩二次应力场分布特性以及在倾斜地质偏压条件下隧道围岩的变形情况。主要结论如下：

(1)不同节理倾角会对洞周沉降和洞周主应力分布产生不同的影响；洞周沉降随着节理倾角的增大而不断增大。

(2)岩层产状倾斜的地质偏压隧道会导致洞周产生不对称的应力场分布；节理倾角不同，洞周应力场分布也不相同，洞周各项应力最大值及其发生部位也随节理倾角的改变而不同。当节理倾角在0～ 30 °之间时，洞周第一主应力最大值大小变化不大；当节理倾角在30～ 90 °之间时，随着节理倾角的增大，洞周第一主应力最大值反而减小；同时，随着节理倾角不断增大，隧道洞周第一主应力最大值的发生部位也在不断上移。

(3)根据红层隧道围岩变形特征和产生原因，提出加强监控量测，提高初支强度刚度，及时封闭等施工控制措施来提高围岩稳定性。