地层倾角对浅埋偏压隧道拱顶沉降的影响研究

徐同启,严松宏,王凤菲,程剑春

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070； 2.中交第三航务工程局有限公司宁波分公司,宁波 315200)

引言

随着我国铁路建设的全面发展，西南的铁路网愈渐密集延展，而西南多山岭，地貌险要，地质多样，穿越倾斜地层的浅埋偏压隧道时常出现。虽然偏压隧道往往是因地形地貌，地质构造，施工不合理这3个因素引起不对称围岩压力导致支护结构受力差异过大，但目前许多学者主要偏重在地面坡度引起偏压问题的研究[1-10]，而关于地层间接触，地层倾角走向，地层完整程度等地质方面的影响研究颇少。

在对隧道的研究中，数值模拟凭借方便快捷、可多次重复、尺寸限制小等特点，在隧道施工力学分析中得到广泛应用，为隧道围岩和支护结构的变形提供可靠预测[11]。宋战平等[12]将岩体视为一种各向同性的弹性材料，对小墁坪隧道进行数值模拟；肖启山等[13]将岩体视为均质的弹塑性整体结构，取3组边坡坡度进行数值模拟，对浅埋偏压隧道稳定性进行评价；裴晓彤等[14]在建模时假设各地层等间距且具有相同物理力学参数，并加入了层面接触；董志明等[15]依照地表线，建立与之平行的多层岩体模型，研究了软弱结构面对隧道施工的影响；贾蓬等[16]通过多组平行结构面将岩体等距划分地层并改变结构面角度进行模拟，发现地层倾角越大，隧道底部受力越小，侧边墙受力越大；谭鑫等[17]在各向异性弹塑性材料模拟板岩的基础上加入层理结构，发现围岩松动区与层理角度有较大关系。

综上所述，目前借助数值模拟进行隧道施工力学分析的研究较多，但在数值模型中考虑地层倾角的文献则较少。现有研究一方面直接把围岩视为一个均质整体，使各岩层具有相同力学参数，忽略了地层倾角，另一方面只强调地形坡度的影响，把各地层简化为与地形平行，或改变部分地层角度，使得各地层产状基本一致，以上方法在隧道上部岩层参数相差不大时可达到精度要求，但当差异明显时，模拟结果将造成一定偏差。

以重庆市黔江区蒲草沟Ⅴ级浅埋偏压隧道为工程依托，结合现场地质构造情况和施工操作水平，通过FLAC3D有限差分软件建立浅埋偏压隧道数值模型，对施工过程进行模拟。结合现场实测值，分析了地层倾角与隧道拱顶沉降的关系，以证在隧道数值模拟中，地层倾角不能轻易简化。

1 模型建立

1.1 工程概况

蒲草沟隧道位于重庆市黔江区蒲草沟村，穿越坡度约20°的小山坡。隧道起止里程为DK6+682～DK6+980，全长298 m，最大埋深约30 m，设计速度120 km/h，为双线铁路隧道，横断面如图1所示。隧区位于扬子地台鄂黔台褶带，以斜歪褶皱为主，地质勘探为Ⅴ级软弱围岩，带内地层倾向南西，走向大致与隧道轴向平行，故在下文计算模型中，X-Y面上地层的倾角可约等于地层倾角。各地层岩性分述如下：(1)粉质黏土层，浅黄色，土质不均，夹大量土砾石，地表分布广泛，厚约1.4 m，σ0=120 kPa，为Ⅱ级普通土。(2)砾岩夹砂岩分化层，厚约5 m，节理裂隙不发育，σ0=350 kPa。(3)砾岩夹砂岩地层，巨厚层状构造，产状为205°∠8°，σ0=600 kPa，整条隧道均位于该层。砾岩，成青灰色和黑灰色，颗粒成分以灰岩为主，局部夹有少量砂岩，砾状结构。砂岩，紫红色，矿物成分为石英和长石，泥钙质胶结，粉砂质结构。隧道为钻爆法施工，采用三台阶临时仰拱法分步开挖，喷锚支护，复合式衬砌，现场施工情况见图2。

图1 隧道设计断面(单位：cm)

图2 现场施工情况

1.2 三维模型

取隧道洞口段48 m内的施工过程为研究对象，建立三维浅埋偏压隧道数值模型，模型如图3所示。水平(x)方向左右边界取隧道外轮廓线向外4倍洞径，竖直(y)方向取隧道上方的山坡表面到隧道底下2倍洞径为计算范围，纵向(z)方向取80 m，即模型尺寸为117 m×(42.71～85.29) m×80 m，共划分为369 500个单元和381 174个节点。模型左右边界加以水平位移约束，顶部为自由面，底部为竖向位移约束，前后施加纵向位移约束。需说明的是，纵向网格划分长度最好要为各分步循环进尺的最小基数，本文为0.8 m。

图3 隧道计算模型

1.3 计算参数

根据围岩特征选定基于Mohr-Coulomb强度准则的本构模型，由地层自重形成初始地应力场，考虑风化层与砾岩夹砂岩层接触关系，其接触面采用Mohr-Coulomb剪切本构模型，且接触面建立在砾岩夹砂岩层上。超前支护采用Shell单元，初期支护和临时支护采用Elastic本构模型，锚杆用提高加固区的围岩参数进行模拟。围岩和支护材料的主要物理参数是基于《蒲草沟隧道施工设计说明》及相关资料与试验综合考虑确定，各地层力学参数相差较大，如表1所示。

表1 围岩及各种支护参数

1.4 计算过程

整个计算过程与现场施工一致，上台阶前3.2 m开挖支护完成后，才开始对中台阶进行爆破开挖，当中台阶施工完成了3.2 m时，也开始对下台阶进行施工，一个开挖步(即一次爆破开挖与初期支护)对应的时间为1 d。隧道整个断面的施工步序如图4所示：(1)超前支护2.4 m；(2)上台阶开挖进尺0.8 m，中台阶左开挖进尺1.6 m，下台阶右开挖1.6 m；(3)施作上、中左、下右台阶初期支护与上台阶临时仰拱；(4)上台阶开挖进尺0.8 m，中台阶右开挖进尺1.6 m，下台阶左开挖进尺1.6 m；(5)施作上、中右、下左台阶初期支护与上、中、下台阶临时仰拱；(6)当下台阶开挖到41.6 m时，进行仰拱开挖。

图4 施工步序

2 拱顶沉降对比与分析

由于篇幅所限，只针对DK6+684， DK6+689，DK6+693监测断面的拱顶沉降进行分析。现场监控量测仪器为Leica全站仪TS50，标称精度测距(0.6 mm+2 ppm)。3个断面拱顶沉降的模拟计算值与实测值曲线对比如图5所示。

图5 隧道拱顶沉降实测值与模拟计算值对比曲线

由图5可知，模拟前期与实际值偏差略大，主要原因有以下两点。(1)模拟是假定在施工以前就完成测点的埋设，在开挖影响范围内的点都会有沉降记录，而现场是在初期支护之后才完成测点埋设，在布置测点并进行观测时，测点处已经发生过观测不到的位移，即二者的起点不同，后者滞后。(2)围岩应力重分布是个复杂的过程，而模拟中把围岩近似于人工填土的机械叠加，没有把应力重分布的特征模拟出来。图中DK6+684断面在开挖后一段时间出现拱顶上抬是因为施工初期，一些施工参数如炸药量等都不够合适，欠挖严重，多次爆破又造成较大超挖，对岩体扰动较大，山体的应力调整也很剧烈，挤压初支，初支与围岩间没有完全贴合，从而造成拱顶上抬。

观察图5可知，无论是实测曲线还是模拟曲线，其掌子面处的变化幅度和最终稳定曲率都有变大的趋势。这说明随着开挖的深入围岩在变软弱，相应的支护也应逐渐加强或者往后的开挖进尺再适当调小。隧道拱顶沉降在经过监测断面约20个循环后趋于稳定，说明该里程处的围岩应力已经重新达到平衡状态，之后的位移发展走向与数值模拟基本吻合，证明了模型的可靠性。

为进一步验证所建数值模型的可靠性，提取图5中的拱顶沉降的实测值与数值模拟计算值进行分析，见表2。

表2 拱顶沉降实测值与模拟计算值对照

由表2可知，所构建的数值模型应用到在建隧道工程拱顶沉降量预测中，平均差值为0.773 mm，最大差值仅为0.87 mm。需要说明的是，计算模型考虑理想状态下的数值模拟，而实际施工监测过程中受到各种因素的影响(如超欠挖、测量误差、工序干扰等)，使得计算结果和量测结果并非完全吻合，但其沉降规律是一致的，而且误差较小，由此可以说明数值模型是可靠的。

3 地层倾角对隧道拱顶沉降的影响

地层倾角会对隧道稳定性产生影响[18-19]，采用前文给出的模型，保持模型左边界的砾岩夹砂岩上界面埋深不变，改变砾岩夹砂岩层倾角来对隧道施工进行数值模拟，为方便找寻规律，以实际地层角度8°为量纲，分别对砾岩夹砂岩层倾角为0°，8°，16°的工况进行模拟，又因为现场地形坡度为20°，考虑到建模中常见的均质一体和地层产状一致的情况，又添加了20°的工况。为了降低边界效应，取距洞口11 m断面为观察面，即DK6+693断面，模拟拱顶沉降，如图6所示。

图6 不同地层倾角拱顶沉降曲线

图6(a)中曲线代表不同的砾岩夹砂岩层倾角情况下，DK6+693断面随着隧道开挖的拱顶沉降，图6(a)表明，砾岩夹砂岩层倾角越大，其视厚度越大，拱顶沉降也越大；随着倾角变大，其开挖面处的位移变化也越来越剧烈，说明隧道结构受力也在变大。由6(b)可以发现，拱顶沉降与地层倾角的关系大致呈线性正相关，并且随着倾角变大，拱顶沉降有加速增长的趋势。提取数据进一步分析得表3。

表3 不同地层倾角情况下拱顶沉降

由表3可知，与实际工况相比，在假设砾岩夹砂岩层倾角与地形一致的工况下(即20°)，相对误差有16.4%，在把地层简化为水平的工况下(即0°)，相对误差为11.19%，可见，在隧道上部地层间参数相差较大时，地层倾角对隧道拱顶沉降有较大影响。

4 结论

(1)本隧道围岩应力重分布完成需要20个开挖步的时间，现场量测和数值模拟结果也是在围岩压力稳定后愈发贴合，且拱顶稳定沉降值的最大差值仅为0.87 mm，证实所建模型参数的可靠性，同时也说明将构建的三维数值模型应用到在建隧道工程的拱顶沉降预测中是可行的。

(2)在可靠模型的基础上对砾岩夹砂岩层倾角进行研究，设定砾岩夹砂岩层倾角为0°，8°，16°，20°四种工况进行模拟计算，发现随着角度增大，拱顶沉降呈斜率加速增加趋势的线性增长，倾角为20°工况的拱顶沉降最大，为3.11 mm，属最危险工况，且与8°实际工况相差达16.4%。由此可知，在砾岩夹砂岩层倾角变大的情况下，也应提高隧道结构的强度，地层倾角对隧道拱顶沉降的影响不可忽视，在建模时不应轻易简化地层倾角。