穿越土-岩交界面隧道围岩变形和衬砌受力特性研究

2023-12-14杨治军刘泾堂胡金鑫

岩土工程技术 2023年6期

杨治军刘泾堂胡金鑫洪铭

（1.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064）

0 引言

高速公路快速发展，山岭隧道建设已成为常态。但由于地质条件的复杂性，岩体一般由多岩层组成，隧道开挖过程中，软硬岩层交界面对隧道衬砌结构受力存在较大影响（见图1）。为此，诸多学者针对层状岩体开挖进行了一系列研究。腾俊洋等[1]采用室内模型试验，结合声发射技术，研究层状复合岩体的单轴压缩破坏机理。王启耀和蒋臻莉[2]系统总结了斜形层状岩体的力学特性与三种数值计算方法，使得层状岩体的工程问题研究得以实现。刘科[3]运用数值模拟手段，研究了层状岩体不同倾角、不同层间距及软硬互层中隧道围岩稳定性和支护结构受力特性，在此基础上，范雨等[4]、邓少军[5]基于穿越上软下硬复合地层交界面隧道工况，得到隧道互层岩体开挖变形规律、隧道衬砌受力及变形特征。此外，陈庆发等[6]早先提出改进声波方法在围岩松动圈测试方法中的应用，初步探明松动圈厚度等指标。杨平庆等[7]结合缓倾泥页岩地层与隧道围岩松动圈形态复杂性，得到岩体侧压力系数与松动范围的相关性。

图1 岩层交界面开挖实例

近年来，高速公路西部路网成为高速公路建设的重点，而黄土隧道是我国西部高速公路建设的重要组成部分。然而，黄土隧道达到一定埋深时，往往出现由泥巴及黏土固化而成泥岩等沉积岩，隧道穿越土-岩交界面时，围岩易出现失稳，衬砌结构受力复杂。何金峰[8]采用现场测试与数值模拟相结合的方法，评价了土石交界地层隧道开挖围岩与支护结构的稳定性。孙文君等[9]针对不同掘进方向和不同土石界面倾角下的隧道开挖围岩形变特征，得到土石界面倾角对隧道开挖围岩变形影响规律。此外，土石地层开挖方法对围岩稳定性影响较大，张雄等[10]、林炳潮等[11]针对土石地层爆破开挖对岩层稳定性展开了研究，得到较为合理的隧道开挖方案。实际施工过程中，偏压隧道开挖地层也易出现土石交界带，其中，谢壮等[12]采用现场测试和数值模拟手段，提出了土石交界地质隧道不对称支护措施。肖靖[13]采用室内模型试验与数值计算手段，研究了隧道在预加固前后围岩及支护结构的受力和变形特征，得到了不同开挖方法下隧道围岩变形影响规律。

基于现有研究成果，结合隧道穿越土-岩界面实际工程，运用数值计算手段，结合隧道施工过程中土-岩交界面分布规律，分析土-岩交界面空间位置对地表位移及洞内收敛变形特征的影响，进一步得到衬砌结构主应力变化规律，为隧道设计施工提供一定的理论依据。

1 研究模型

1.1 模型建立及参数确定

结合黄土隧道地质分布特征，将土-岩交界面近似简化为水平状态，而随着掘进深度增加，交界面逐渐抬升。因此，模型选择矩形断面，长宽均为100 m，隧道埋深约为44 m（见图2）。隧道断面选择单心圆，内轮廓拱部圆半径为560 cm，拱脚圆半径为150 cm，仰拱圆半径为1520 cm，衬砌厚度为78 cm，开挖高度约11 m，开挖宽度约13 m。

图2 模型参数与网格划分

为实现隧道围岩衬砌受力变形的可研分析，采用有限元软件，将黄土与泥岩考虑为弹塑性材料，并采用莫尔-库仑弹塑性准则模拟黄土、泥岩的塑性特征，具体参数根据室内土工试验确定（见表1）。衬砌采用C30 钢筋混凝土结构，弹性模量与强度均采用等效值。为使研究模型与初始应力相适应，根据土体参数、土-岩交界面埋深确定研究模型体的荷载与初始地应力场（见图3）；对于模型边界条件，侧部控制水平向位移，底部控制水平向位移与竖向位移。此外，模型土体采用四节点平面应变单元（CPE4）对模型进行网格划分，并对局部集中受力区进行网格加密；衬砌结构采用平面应变四节点非协调单元（CPE4I）进行网格划分，并采用“硬接触”模拟衬砌与土体的接触力学行为。

表1 材料的物理力学参数

图3 工况设置（单位：m）

为模拟实际隧道开挖分布卸荷作用，采用模量软化法进行隧道开挖卸荷模拟，衬砌施作前，开挖土体弹性模量减小20%，衬砌施作后，开挖土体弹性模量归零。

1.2 工况设置

结合黄土隧道中泥岩分布特征，洞顶泥岩埋深均较小。因此，根据土-岩交界面空间位置（即土-岩交界面与隧道起拱线间距离），得到以下研究工况：H=-4 m、H=-2 m、H=0 m、H=2 m、H=4 m、H=6 m、H=8 m、H=10 m、H=12 m。其中，H=0 m 为隧道起拱线位置（见图3）。

1.3 数据监测

隧道施工过程中，由于开挖卸荷作用，导致地表出现一定程度的不均匀沉降，故在模型顶部布设监测路径（见图4），分析土-岩交界面分布位置对地表沉降的影响规律。与此同时，隧道围岩存在较大收敛变形，拱顶布设沉降监测点，研究围岩拱顶沉降变形规律。此外，为了深入研究衬砌结构各个部位的应力变化特征，在衬砌内侧布设16 个监测点（见图5），研究土-岩交界面分布位置与衬砌受力特征相关性。

图4 围岩与地表监测点布置

图5 衬砌结构监测点布置

2 结果分析

2.1 土-岩交界面分布对地表沉降的影响

通过对比不同土-岩交界面分布的模型总位移场（见图6），发现拱顶处位移最大，并以隧道为中心，呈扩散状分布。此外，位移场分布在土-岩交界面处存在较为明显的折点，主要是由黄土与泥岩自重应力差异性导致的。

图6 模型总位移云图

为进一步分析模型顶部位移变化规律，得到地面沉降分布曲线（见图7）。各个工况下地表沉降曲线均呈“漏斗形”分布，且与位移场分布限界形态近乎一致（见图6）。随着土-岩交界面逐渐靠近地表，地表沉降逐渐减小。其中，工况H=-4 m 对应的地表沉降曲线最低，即地表沉降最大。此外，模型顶部中间沉降差值最大（地表沉降曲线差异性最大），地表路径起、终点处沉降值变化不大。当H值大于4 m 时，地表沉降曲线变化不大，接近重合。由此可见，土-岩交界面位于拱肩以上时，隧道开挖对地表沉降影响规律恒定。

图7 地表沉降曲线

在此基础上，进一步得到地表沉降差值（地表沉降最大值与最小值差值）分布特征（见图8）。随着土-岩交界面逐渐接近地表，隧道围岩逐渐由黄土过渡为泥岩，地表沉降差值逐渐减小。当隧道开挖范围均为泥岩时，地表沉降控制在8.5 mm 左右，拱效应较为显著。因此，结合地表沉降差趋势线演化规律，当土-岩交界面位于隧道拱顶以上时（H≥6 m），隧道开挖对地表沉降的影响规律基本不变。

图8 地表沉降差值分布

2.2 土-岩交界面分布对围岩变形的影响

根据材料力学理论，数值模型采用平面应变准则进行分析计算。其中，应变表示为研究对象长度的相对变化量，而对于最大主应变，围岩内部受力平面上的任一点同时受到几个方向的力作用时，每个方向都会产生一定的应变，其中最大的力的方向产生的应变就是最大主应变。隧道围岩最大主应变云图见图9。

图9 隧道围岩最大主应变云图

如图9 所示，选取具有代表性的工况进行分析。研究发现：当土-岩交界面处于最低时（隧道范围均为黄土），拱脚附近的最大主应变值最大，达到1.77%左右，且分布区域集中在拱脚附近；当土-岩交界面位于隧道开挖范围内时（-4 m＜H＜-6 m），围岩最大主应变值在0.76%左右，且主要分布于侧墙附近，变形厚度约为4 m 左右，交界面顶部附近最大主应变范围逐渐较小。

进一步地，结合部分模型隧道围岩总位移场方向分布特征（见图10），当土-岩交界面接近地表，拱圈围岩总位移场方向由竖直向下逐渐转变为垂直临空面，即隧道围岩由黄土逐渐过渡至泥岩，围岩收敛变形方向逐渐指向隧道中心。

图10 围岩总位移场分布特征

根据模型总位移云图（见图6），发现隧道拱顶围岩沉降值最大。为此，通过监测拱顶围岩竖向位移值，得到隧道拱顶围岩沉降变化规律（见图11）。如图11 所示，在模量软化分析步中，开挖范围岩土体模量软化20%（模拟应力释放20%），工况H=-4 m对应拱顶围岩沉降增长速率最大。而当H大于6 m时，应力释放对拱顶围岩沉降影响不大。进一步地，隧道施作衬砌之后，应力释放剩余80%，拱顶围岩沉降值增加幅度较为显著，其中，H值在-4 m 与6 m 之间时，各工况对应拱顶围岩最终沉降值较为接近。H值大于6 m 时，最终沉降值较为接近。由此可见，若拱顶出现黄土时，拱顶沉降变化几乎一致，最终沉降值均在45 mm 左右。

图11 拱顶围岩沉降曲线

2.3 土-岩交界面分布对衬砌结构受力变形影响

2.3.1 衬砌结构力学特性分析

为了得到土-岩交界面分布位置对隧道衬砌结构受力变形影响规律，在衬砌内边缘布设16 个监测点，以此得到衬砌主应力与主应变分布特征。如图12所示，当隧道开挖范围均为黄土（H=-4 m）时，衬砌拱顶与拱底位置最大主应力均最大。随着泥岩分布范围逐渐增大，拱顶处最大主应力在15 MPa 左右浮动，而工况H=4 m 对应拱顶处最大主应力最小、工况H=12 m 对应拱底处最大主应力最小。同时，衬砌侧墙附近（监测点3-7 和11-15）最大主应力变化不大。由此可见，黄土隧道拱顶与拱底衬砌受力较大，并随着土-岩交界面的“抬升”，拱底附近拉应力波动程度大于拱顶附近。而当土-岩交界面位于拱肩附近时，拱顶拉应力最小，拱底拉应力相对较大。

图12 衬砌内侧最大主应力分布（单位：MPa）

与此同时，拱腰附近（监测点4-5、12-14）最小主应力受土-岩交界面位置影响最大（见图13）。其中，工况H=12 m 对应最小主应力绝对值最小；工况H=-4 m 对应最小主应力绝对值最大。而对于拱圈附近（监测点14-16 和1-4），工况H=-4 m 对应最小主应力绝对值均最小。由此可见，拱腰附近衬砌压应力与土-岩交界面位置近似呈正比关系，即随着泥岩范围增加，衬砌内侧压应力逐渐减小，围岩自稳能力逐渐增加。而当土-岩交界面位于拱肩附近时，拱圈附近衬砌压应力达到最小。

图13 衬砌内侧最小主应力分布（单位：MPa）

结合衬砌内侧主应力分布规律（见图12、图13），进一步得到拱顶与拱腰位置力学特征曲线（见图14）。随着土-岩交界面逐渐“抬升”，在工况H=4 m 中，拱顶衬砌受拉最小。而在工况H=6 m 中，拱腰附近压应力显著增加，随后逐渐平稳减小。由此得出土-岩交界面位于拱顶位置时，衬砌拱腰处受压明显。

图14 拱顶拱腰衬砌结构主应力分布

此外，对于平面应力状态下 TRESCA 屈服准则，当最大剪应力达到某一极限值时，材料发生屈服。如图15 所示，衬砌结构等效塑性应力在监测点3 和监测点15 附近为最小，故拱圈附近衬砌受力临界点位于拱肩附近。

图15 衬砌内侧TRESCA 应力云图

综上所述，土-岩交界面位于衬砌受力临界点附近时，拱顶受力最有力，此时拱顶附近黄土形成较为稳定的承载拱。而当隧道侧墙均为泥岩时，衬砌在拱腰处压应力显著增大，拱顶处拉应力也较大，此时衬砌结构受力最为不利。

2.3.2 衬砌结构变形特性分析

结合衬砌总位移矢量分布特征（见图16），拱顶与拱底附近位移均指向隧道中心，侧墙附近位移方向均以一定角度斜向下。对于泥岩、黄土隧道，初支钢拱架在拱肩、拱腰和拱脚位置打设锁脚锚杆，其悬吊作用防止拱脚收缩和掉拱。因此，可将锁脚锚杆打设方向与位移矢量方向保持一致，其中，对于最不利工况下（H=6 m），拱肩附近锁脚打设角度可控制为17°～38°，拱腰位置控制为48°左右，拱脚位置为43°左右，以此抵抗衬砌挤压变形，增加衬砌结构稳定性。

图16 衬砌结构总位移矢量图

实际施工过程中，拱顶沉降监测尤为重要。如图17 所示，衬砌结构施作之后，随着围岩应力释放，拱顶变形速率（曲线斜率）基本一致。其中，部分工况（H≤6 m）中拱顶衬砌沉降曲线变化规律基本一致，而H＞6 m 时，围岩应力释放初期拱顶出现向上位移，随即方向改变为竖直向下，且位移增长幅度（曲线斜率）与前者基本一致。其主要原因是隧道开挖范围均为泥岩时，仰拱基底反力较大（回弹较大），衬砌存在抬升的现象。由此可见，隧道开挖范围均为泥岩时，衬砌结构变形较小，并随着拱顶泥岩层厚度增加，拱顶沉降逐渐减小。