深埋软硬互层隧道围岩开挖变形影响研究

王仁鹏

摘  要：深埋软硬交替地质条件下公路隧道因具有构造复杂、地应力高等特点，对隧道施工安全造成严重威胁，且其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。文章以拟建某高铁宝云隧道为例，就硬软互层层理和共轭节理共同作用下隧道围岩开挖变形开展数值模拟研究，主要对隧道开挖围岩二次应力场的分布规律及变形特征进行分析评价。结果表明：（1）隧道周围的最大主应力出现在顺层层理和共轭节理面，即两侧上拱腰和拱脚处，最大主应力分别为3MPa和5MPa;（2）隧道周边最小主应力呈对称分布，洞室周围最小主应力在0MPa附近;在洞室周围3m附近，隧道最小主应力达到3MPa，最小的主应力出现负值，其值为-0.3MPa，随着距隧道周边距离的增加，最小主应力也增加;（3）隧道埋深206.9m，考虑层理和共轭节理共同作用时，模拟断面结构围岩变形云图呈蝴蝶形，两方向变形垂直层面向位移略大于顺层面向，宏观上表现出了基本对称特性;（4）隧道围岩洞室边墙、拱腰变形位移最大，其次为拱顶，仰拱变形位移最小，横向上以隧道中轴线为界，左侧拱腰、边墙变形整体较右侧大。

关键词：深埋顺层;隧道围岩;开挖变形;数值计算

中图分类号：U416 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）28-0054-04

Abstract： Under the condition of deep buried alternating soft and hard geological conditions， highway tunnel has the characteristics of complex structure and high ground stress， which poses a serious threat to the safety of tunnel construction. Taking Baoyun Tunnel of a high-speed railway as an example， this paper studies the excavation deformation of surrounding rock under the joint action of hard and soft interbedding and conjugate joints. The results show that： （1） The maximum principal stress around the tunnel appears in the plane of bedding layers and conjugate joints， namely the upper arch waist and arch foot on both sides. The maximum principal stress is 3MPa and 5MPa respectively. （2） The minimum principal stress around the tunnel is distributed symmetrically， and the minimum principal stress around the cave is around 0MPa. The minimum principal stress of the tunnel is up to 3MPa around 3m. The minimum principal stress appears negative value， whose value is -0.3MPa. As the distance from the periphery of the tunnel increases， the minimum principal stress also increases. （3） The buried depth of the tunnel is 206.9m. Considering the interaction of bedding and conjugate joints， the deformation cloud diagram of the simulated section structure of surrounding rock is in the shape of a butterfly. （4） The deformation and displacement of the side wall and arch waist of the enclosing rock chamber of the tunnel were the largest， followed by the vault， and the deformation and displacement of the invert were the smallest， which is bounded by the central axis of the tunnel laterally， and the deformation of the left arch waist and side wall is larger than that of the right side.

Keywords： deeply buried bedding; tunnel surrounding rock; excavation deformation; numerical calculation

1 概述

隨着我国铁路工程在山区建设的迅速发展，致使深部岩体中隧道修筑必不可少，随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出[1]。特别是拟建某高铁，互层隧道开挖之后，引起的地表及深层层状土体的应力变化常常容易导致初期支护变形开裂，围岩压力较大时还会进一步导致二次衬砌开裂[2]。

为此国内外学者对深埋层状岩体隧道开挖展开研究并取得了众多成果。Arora S等[3]、Yang J等[4]基于不同的假定条件，结合不同的计算理论建立了不同的层状岩体理论研究模型;刘宁等[5]以中国最大埋深锦屏山超深埋特长交通洞例，提出了超深埋长隧道地应力场综合反分析方法;杨宗宝[6]以深埋福堂隧道为例进行地应力测试和应力场回归反演分析，得到了整个工程区的地应力分布特征;刘成禹等[7]以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据，对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究;陈怀伟[8]以颗粒离散元理论为基础，从开挖过程中的能量转换规律、应力波传播衰减规律及应力重分布规律等角度研究构造应力场对双线硬岩隧道的影响;夏才初等[9]基于GZZ强度准则考虑应变软化特性，给出了深埋隧道弹塑性解;骆俊晖等[10]结合Midas模型，考虑构造应力场，对深埋隧道围岩稳定性进行了研究;李天扬（SURESH SANDA）[11]通过流固耦合计算模型对隧道围岩开挖效应及稳定性进行了分析研究;潘家奇[12]基于有限元计算，对深埋公路隧道开挖方法进行了对比研究;苏永华等[13]通过有限元计算，围绕某深埋隧道支护结构失效机理展开了研究;罗志文[14]采用ABAQUS 有限元分析软件，建立了泥砂岩互层隧道围岩蠕变计算模型，得到了围岩蠕变30d后的水平位移和竖向位移分布特征。

从层状深部岩体隧道围岩开挖变形的国内外研究现状分析来看，目前国内外学者研究主要通过理论分析、有限元计算和现场测试等手段方法对公路工程互层状结构隧道围岩开挖变形开展研究工作，关于因岩体倾斜且岩体之间节理、层理面等地质构造作用影响的铁路深埋顺层隧道研究却鲜有报道。本文以拟建某高铁宝云隧道为例，就软硬互层层理和共轭节理共同作用下隧道围岩开挖变形开展数值模拟研究，主要对隧道开挖围岩二次应力场的分布规律及变形特征进行分析评价。

2 工程概况

拟建某高铁宝云隧道里程为DK502+140～DK518+955，前后均为路基，全长16815m，最大埋深约400m。隧道浅埋段为DK502+380～DK502+500，埋深为15～50m。根据现场调查及线路可研、定测阶段勘察资料，隧道DK502+140～DK512+480区间走向与岩层走向近平行，线路走向為SW31°，岩层产状为N10°～65°E/30°～50°SE，岩层走向与线路夹角0°～30°，倾向线路左侧，横向上视倾角30°～45°，隧道右侧存在深层顺层。

2.1 地质构造

隧道主要处于乐业向斜的西北翼，线路走向与构造线近平行，为单斜构造。大里程段发育有白彝村断层（处于非偏压端），走向与路线近正交。受区域构造影响，段内岩体节理裂隙发育，岩体较破碎～破碎，地质构造如图1所示。

2.2 隧址区基岩特性

根据区域地质资料图及隧道工点资料，宝云隧道深埋顺层区间DK502+140～DK512+480均处于三叠系下统飞仙关组（T1f）。地层岩性以砂岩、泥岩及互层为主，泥岩紫红色，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落;砂岩多为长石石英砂岩，浅灰、紫红色，中～细粒结构，泥质胶结，中厚～厚层状，质稍硬。沿线全风化带（W4）厚2～4m，属Ⅲ级硬土。强风化带（W3）厚5～10m，属Ⅳ级软石。以下为弱风化带（W2），属Ⅳ级软石。

3 数值模拟计算

3.1 模型建立

以往学者研究结果表明，计算模型边界范围与隧道断面尺寸直接相关，向洞室上下及两侧各延伸4倍洞径一般就可以满足计算对边界条件的要求[15，16]。据此得到最终模型宽120m、高100m。边界条件为底部竖向约束，顶部施加上覆压力，左右两侧施加实测最大水平主应力。采用三节点三角形单元对模型进行有限元离散，并对隧道断面附近的岩体作加密网格处理。隧道开挖按两台阶法开挖考虑。

3.2 模型参数

顺层宝云隧道围岩属于层状岩体结构，岩体则由岩石和结构面组合而成。硬-软组合顺层隧道包含硬质岩、软质岩和结构面三种材料。岩石采用实体单元模拟，服从摩尔-库伦理想弹塑性本构关系;结构面采用GOODMAN接触单元模拟，切向力学行为服从摩尔-库伦理想弹塑性本构关系。

根据《深孔地应力测试报告》相关测试成果及建议，在测试隧道洞深范围内，最大主应力均以水平地应力为主，方向与区域主构造线近垂直，垂向主应力随埋深不同呈第二或第三主应力，洞身段最大水平主应力σ1=σH=9.53MPa，σ2=σh=5.83MPa，σ3=σz=5.48Mpa。岩层的计算参数参考地勘报告中的建议值，节理面参数根据土工试验推荐取值和同类计算经验统一选取，各材料的物理力学参数如表1所示。

3.3 模型工况

宝云隧道DK508+630处断面，隧道埋深206.9m，围岩结构为硬软岩互层，厚度分别为0.8m和0.8m，岩层倾角为53.72°，共轭节理与岩层按照隧道中轴线对称，间距为0.8m。如无特别说明，在所有计算结果中，应力单位为kPa，以受压为正，位移单位为m。

3.4 开挖地应力场演化分析

按照周围全约束的边界条件模拟隧道两台阶开挖，得到隧道开挖下的围岩二次应力场的分布规律，如图3所示。

（1）隧道周围的最大主应力出现在顺层层理面和顺共轭节理面，即两侧上拱腰和拱脚处，最大主应力分别为3MPa和5MPa，最大的主应力出现在左侧上拱腰处，为8.60MPa;边墙，拱顶和拱底的最大主应力为0MPa左右，甚至部分位置出现了拉应力;随着距离隧道周边的距离增加，最大主应力出现小幅度的升高;在左侧上拱腰处和右侧拱脚处最大主应力在5MPa左右，接近原岩应力;在隧道周围10m处附近，最大主应力整体增到3MPa左右，说明隧道开挖影响范围从洞周到1倍洞径之间。隧道周边最大主应力出现负值，为-0.4MPa，随着距隧道周边距离的增加，其值逐渐增加为正。

（2）隧道周边最小主应力几乎对称分布，洞室周围最小主应力在0MPa附近;在洞室周围3m附近，隧道最小主应力达到3MPa。最小的主应力出现负值，其值为-0.3MPa，随着距隧道周边距离的增加，最小主应力也增加。

3.5 变形特征分析

宝云硬-软互层顺层隧道由于开挖引起的围岩变形云图如图4所示。由图可知：

（1）隧道埋深206.9m，考虑层理和共轭节理共同作用时，模拟断面结构围岩变形云图呈蝴蝶形，两方向变形垂直层面向位移略大于顺层面向，宏观上表现出了基本对称特性。

（2）总体看来，洞室边墙、拱腰变形位移最大，其次为拱顶，仰拱变形位移最小，横向上以隧道中轴线为界，左侧拱腰、边墙变形整体较右侧大;判断水平构造应力场对隧道围岩的变形特征产生了影响，使得在最大主应力方向产生了较大的变形位移，隧道支护应着重考虑该种变形特征。

4 结论

本文以拟建某高铁宝云隧道为例，就硬软互层层理和共轭节理共同作用下隧道围岩开挖变形开展数值模拟研究，主要对隧道开挖围岩二次应力场的分布规律及变形特征进行分析评价。得到如下结论：

（1）隧道周围的最大主应力出现在顺层层理和共轭节理面，即两侧上拱腰和拱脚处，最大主应力分别为3MPa和5MPa。

（2）隧道周边最小主应力呈对称分布，洞室周围最小主应力在0MPa附近;在洞室周围3m附近，隧道最小主应力达到3MPa。最小的主应力出现负值，其值为-0.3MPa，随着距隧道周边距离的增加，最小主应力也增加。

（3）隧道埋深206.9m，考虑层理和共轭节理共同作用时，模拟断面结构围岩变形云图呈蝴蝶形，两方向变形垂直层面向位移略大于顺层面向，宏观上表现出了基本对称特性。

（4）隧道围岩洞室边墙、拱腰变形位移最大，其次为拱顶，仰拱变形位移最小，横向上以隧道中轴线为界，左侧拱腰、边墙变形整体较右侧大。

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