陡倾岩层中公路隧道变形影响分析

彭 涛

(内江师范学院，四川 内江 641100)

0 引言

隧道及地下工程施工不但与施工方法、开挖面大小和埋深等有关，还与地形地质条件等密切相关[1]。尤其是在我国西南片区，因地质条件变化起伏大，有时围岩还存有富水岩溶区、瓦斯等病害。而在我国川渝地带，陡倾岩层也较常见，在这种岩土体中进行地下工程施工难度较大、安全要求更高且工期长。然而，在陡倾岩层中存在的主要工程问题，即是陡倾地质构造带来的围岩大变形，这对工程设计和施工带来了一定麻烦。在通省隧道中，围岩大变形的特点有：1)围岩变形量较大；2)变形速度快；3)围岩破坏范围较大；4)围岩变形时间较长。而在大多数隧道当中，陡倾岩层由于受构造挤压作用，地形上形成斜坡，有的地段形成陡坡陡崖；地形坡度多在30°以上。由于特殊的地形地质构造，也给围岩稳定性带来了极大不便[2]。在陡倾岩层隧道工程中，因其陡倾岩层地质构造和其他因素的影响，使得围岩的稳定性较差、应力较大，从而导致隧道大变形问题发生[3]。

1 工程概况

本文依托工程为重庆某高速公路隧道工程，隧道采用双向四车道，行车速度设计为80 km/h，净宽为10.25 m，净高为5.0 m。根据相关设计文件，得到隧道选址位于弹子山背斜北西翼，隧道轴线大致沿构造线方向布置，隧址区呈单斜构造，岩层倾向和倾角分别为293°～320°和26°～40°，围岩产状稳定且没有次级褶曲及断层。通过对其地层倾角、岩层厚度、岩性、界面参数的改变，研究各影响因素对陡倾岩层隧道变形的影响。

1.1 陡倾岩层中隧道变形破坏

对于陡倾岩层隧道，其围岩破坏变形具有一般隧道围岩变形的破坏特征，而且其围岩体发生变形破坏的方式更复杂[4]。围岩稳定性不但与岩层倾角、层面强度、地下水以及受力情况等因素有关，还受隧道工程的跨度、形状及走向等影响[5]。但从总体上讲，可将陡倾岩层隧道的变形破坏形式归纳为顺层滑移和弯折破坏[6]。

1)顺层滑移破坏。

指围岩主要沿结构面以剪切滑移为主的破坏，究其原因为陡倾岩层中，开挖隧道产生的临空面，从而产生不稳定块体，由于重力作用沿结构面方向发生滑移或掉块。其主要包括岩体沿层面的剪切破坏和产状较差结构面的大块体沿着层面向洞室的滑动破坏。

2)弯折破坏。

弯折破坏主要指在地下工程施工后导致应力重分布，使陡倾岩层受拉且靠近临空面侧，在围岩受力大于其抗拉强度时所发生的破坏。这种破坏分为卸荷回弹引起的破坏和应力集中引起的破坏。第一种破坏主要发生在地应力较高的岩体内；第二种破坏主要发生在压应力集中的部位(如岩体内最大初始主应力趋于平行的洞壁处和隧道拐角处)。

1.2 模型参数

本文中的依托工程代表性围岩按照Ⅲ级围岩进行分析，根据相关规范和依托工程勘察文件，岩层层面的主应力刚度模量为2 500 MPa，剪切模量为250 MPa，黏聚力为0.6 MPa，摩擦角取35°。其中，表1所列为隧道支护结构和围岩体的力学参数。根据工程实际，数值模型中的隧道埋深为40 m。

表1 计算物理力学参数

1.3 数值建模

隧道采用全断面施工方法，初期支护采用锚喷支护，其中锚杆为直径22 mm的砂浆锚杆，长度3 m，环距1.2 m。隧道尺寸为厚0.2 m的喷射混凝土C25，二衬为厚0.3 m的模筑混凝土C25。

计算采用MIDAS/GTS有限元软件，模型中以实体单元模拟围岩，用梁单元模拟初支混凝土和二衬模筑混凝土，以植入式桁架单元模拟锚杆，采用界面接触单元模拟层状围岩层面。岩体采用弹-塑性本构模型，强度准则采用摩尔-库仑准则(即M-C准则)。初支混凝土层和二衬混凝土层采用弹性本构模型。模型计算范围为：水平方向和下边界各取5倍洞跨，上边界取至地表。模型边界条件设置为：左右边界及下边界施加法向约束，上边界不施加任何约束。计算模型见图1。

2 影响因素分析

2.1 地层倾角的影响

地层倾角的变化也会对隧道位移变形有影响，为模拟不同倾角对层状围岩开挖的影响[7]，模拟工况共5个，即一个无岩层工况和岩层倾角分别为30°，40°，50°，60°等4个工况。其中计算倾角为30°的数值模型如图2所示。其中，当地层倾角为0°和30°时，隧道位移变形情况如图3所示。

由图3可得，隧道变形受地层倾角影响较大，在洞室拱顶附近以沉降变形为主，在仰拱位置以隆起变形为主，变化规律大致相同，只是数值上存在差异，地层倾角为30°的仰拱隆起变形和拱顶沉降变形值是地层倾角为0°时的2倍。

地表沉降：选取开挖拱顶中间点对应的地表点为特征点，得到各种工况下该点的地表沉降随岩层倾角变化情况如图4所示。

由图4可看出，随着岩层倾角的增加，地表沉降值也呈增大态势，在0°～60°逐渐增加到原先的两倍，这说明岩层倾角对隧道的变形控制较明显，岩层沿层面产生的下滑力也会随着倾角增大而增大，从而使隧道易发生顺层滑移破坏。由于在0°～30°地表沉降位移增幅较小，地层倾角为30°时的地表沉降与0°时的地表沉降相差不多。因此，为研究其他因素的影响，固定地层倾角为30°。

2.2 岩层厚度的影响

为模拟不同岩层厚度对层状围岩开挖的影响，模拟工况共5个，即一个无岩层工况和岩层厚度分别为 3 m，5 m，7 m，10 m等4个工况。岩层倾角取为30°，其余参数与之前同样。计算得到的各种工况下，中间地表点的沉降值如图5所示。

由图5可得，随着岩层厚度的增加，地表沉降值最大值和最小值变化趋势大致相同，呈先增大后减小的变化趋势。当岩层厚度为3 m时，地表沉降值达到最大，这说明岩层厚度是地表沉降的一个重要影响因素。随着岩层厚度由0 m增加到3 m时，地表沉降变大是因为岩层接触面增多导致岩层沿层面产生的下滑力增大，隧道发生顺层滑移破坏的几率也增加。当岩层增加到一定程度时，地表沉降变化较小，究其原因隧道有整体穿越变为部分穿越，使隧道发生顺层滑移破坏的几率变小，且岩层本身具有一定承载力。

从图6可得，对于左拱脚位移，随着岩层厚度逐渐增加，左拱脚位移方向发生变化；岩层厚度大于3 m时，左拱脚位移变为正向位移，即位移方向由隧道外侧转为隧道内侧。对于右拱脚位移，随着岩层厚度增加，位移方向先由正位移变为负位移，再由负位移变为正位移，即位移方向由隧道外层转变为隧道内侧，再由隧道内侧转变为隧道外侧。主要是因为隧道开挖后形成临空面并发生应力重分布，在隧道拱脚处应力集中，导致左侧拱脚周围岩土体发生向隧道内的位移。随着岩层厚度增加，岩层有一定向右的倾角，自重沿层面上的分力增加，右侧拱脚周围岩土体主要发生向隧道外侧的位移。因此，设计时应充分考虑隧道外侧和内侧的围岩变形情况。

选取第一施工段开挖后的拱顶中间点和仰拱中间点为测点。由图7可得，随着岩层厚度的增加，拱顶下沉呈先增大后减小变化，且在0 m～3 m区段增幅最大；因为当岩层厚度增加时，侧面接触面增加，隧道发生顺层滑移破坏几率增加，在岩层增加到一定程度时，达到隧道跨度(10 m)时，对到开挖产生的临空面对岩层整体稳定性影响较小。拱底隆起值与岩层厚度呈负相关，在岩层厚度为3 m时达最大，之后仰拱隆起变形幅度较小，这是因为岩层厚度增加，围岩完整性较好，发生的拱底隆起位移变小。

2.3 岩性的影响

为研究岩性对陡倾岩层隧道变形的影响，选取四种不同的围岩，研究岩性对隧道变形的影响。岩层倾角选为30°，岩层厚度选为5 m。其中，物理力学计算参数见表2，其余参数同前，表2中A表示千枚岩，B表示板岩，C表示页岩，D表示砂岩。

表2 计算物理力学参数

通过分析，得出不同岩性下，陡倾岩层隧道变形结构如表3所示。由表3可得，对于地表沉降和拱顶位移而言，千枚岩>页岩>砂岩>板岩。对于拱底隆起位移而言，千枚岩拱底隆起值较大，为其他岩性的3倍往上。随着围岩力学参数的变化，总体趋势比较一致。而对于拱脚位移规律也比较一致，对于左拱脚位移，随着围岩力学参数的变化，左拱脚的位移从隧道外侧变成隧道内侧，变形方向发生了变化。而对于右拱脚位移，随着围岩力学参数的变化，右拱脚位移也相应地发生了变化，由向隧道外的方向变成了向隧道内的方向，位移大小也在不断减小。

表3 岩性对陡倾岩层隧道变形的影响 mm

2.4 界面参数的影响

为研究界面参数对陡倾岩层隧道变形的影响，影响因素分别为主应力刚度模量、剪切刚度模量、黏聚力和摩擦角，设置了5个对照组，研究不同界面参数对隧道变形的影响，岩层层面物理力学具体参数如表4所示，其余参数同前。

表4 岩层层面物理力学参数

通过计算得到不同岩层界面参数下的隧道变形结果见表5。由表5可得：1)随着主应力刚度模量的减小，地表沉降值、拱顶位移和拱底隆起增大，对于左拱脚位移和右拱脚位移也增大。2)随着剪切刚度模量的减小，地表沉降值在减小，拱顶位移也在减小，但是拱底隆起值在增大。3)随着黏聚力的减小，地表沉降和拱顶位移以及拱底隆起值影响并不大，而对于左拱脚位移则由负变正，其值也在增大，说明岩层对于黏聚力的反应比较明显。4)随着摩擦角的减小，地表沉降、拱顶位移、拱底隆起变化值不大，而左拱脚位移在增大，右拱脚位移也在增大，但是增幅不明显，说明摩擦角对于陡倾岩层隧道的变形影响并不明显。

表5 界面参数对陡倾岩层隧道变形的影响 mm

3 讨论与分析

通过前面的分析研究，得到地层倾角、岩层厚度、岩性和界面参数等影响因素对陡倾岩层中隧道变形均有影响。通过竖直位移云图，得到地层倾角的变化导致了隧道变形呈不对称变化，这是由于地层倾角变化，导致了围岩结构不对称。当地层倾角增大时，地表沉降也呈增大趋势，尤其是地层倾角大于30°后，地表沉降增幅较大。对于岩层厚度的研究，固定地层倾角为30°时，选取了岩层厚度为0 m，3 m，5 m，7 m，10 m的五种工况，分析了地表沉降和隧道衬砌周围位移变化情况，得出岩层厚度在3 m以下时，变化情况明显，主要是因为沿岩层面易发生顺层滑移破坏。对于岩性的影响分析，选取了千枚岩、页岩、砂岩和板岩等四种常见岩质，对比地表沉降、隧道拱顶和仰拱位移变形数据，因为千枚岩的弹性模量相对较小，得到千枚岩中相应的变形相对其他岩质变化较大。分析了主应力刚度模量、剪切刚度模量、黏聚力和摩擦角四种界面参数对陡倾岩性隧道变形的影响，初步得到摩擦角相对其他界面参数影响较小，主应力和剪切刚度模量与地表沉降影响较大。

4 结语

本文以重庆某高速公路隧道工程为依托，研究了陡倾岩层中隧道变形破坏类型，采用MIDAS /GTS有限元软件，分析了地层倾角、岩层厚度、岩性和界面参数对陡倾岩层中隧道变形的影响，得到的主要结论有：

1)地层倾角对隧道变形影响较大，随着岩层倾角的增加，地表沉降值也会增大，地层倾角为60°的地表沉降变形值是地层倾角为0°时的2倍。

2)在岩层厚度逐渐增大到3 m时，地表沉降值、隧道拱顶和仰拱位移变化明显。

3)对于地表沉降和隧道拱顶变形的影响大小顺序为：千枚岩>页岩>砂岩>板岩。

4)岩层层面的主应力刚度和剪切刚度模量对陡倾岩层中的隧道变形影响较大，层间摩擦角的影响相对很小。