含夹层层状软岩隧道围岩变形特征分析

吴美琴,陈 赓,何 君,田正忠,张 蓓

(1.华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌 330013;2.江西东通交通科技股份有限公司陕西分公司,陕西 咸阳 712000)

1 引 言

随着交通运输的发展,越来越多的隧道在修建时难免会穿过层状软岩或含软弱夹层的地层。在层状软岩中,因层理面、节理面等软弱结构面的存在,通常表现出岩土体破碎程度较大、强度较低等现象,且具有显著的横观各向同性或正交各向异性特征[1-4]。加之软弱夹层的影响,进一步降低了岩体的物理力学性能[5-7],导致在建设过程中出现大量的工程问题,其中尤以岩体塌方变形、掌子面失稳等工程问题最为突出。因此,揭示软弱岩体的变形演化规律,并提出有效的预防措施,对含软弱夹层的层状围岩的变形研究具有重要的现实意义。

Huang等[8]采用模型试验和数值模拟相结合的方法研究软弱夹层对隧道破坏模式的影响;文云波[9]提出了基于连续体和非连续体耦合多尺度模拟方法分析隧道围岩的损伤区域及位移变化规律;巩江峰等[10]提出了采用软弱夹层的含量对层状围岩大变形进行判断的标准;张泾等[11-12]提出计算夹层边界应力的组合梁结构模型,并通过数值模拟研究软弱夹层的倾角、位置和厚度对隧道围岩的位移、主应力和塑性区的影响规律;文海家等[13]建立了含有两条软弱夹层的隧道围岩数值模型,分析了隧道围岩在开挖过程中的破坏模式,并通过模型试验验证了数值模型的准确性;谭智彪[14]通过三层地层理论模型分析了软弱夹层的位置、厚度和强度因素对开挖面极限支护力的影响。Zhou等[15]采用可靠度和敏感性分析,研究了软弱夹层对隧道掌子面稳定性的影响;徐叶勤等[16]分析了爆破荷载作用下软弱夹层的倾角及位置对隧道围岩稳定性的影响。

为研究隧道围岩结构性质及软弱夹层对隧道围岩稳定性的影响,以湖北省宣恩县彭家寨隧道为工程背景,使用Abaqus建立三维数值模型,模拟含软弱夹层的层状软岩隧道在不同地质条件下的施工过程,跟踪监测隧道拱顶、拱底及边墙等关键位置的位移变化规律,分析隧道开挖过程中围岩的破坏模式,为隧道的施工和支护提供一定的参考。

2 工程概况

2.1 工程地质

彭家寨隧道位于湖北省宣恩县沙道沟镇,为路线穿越东西向山岭地带而修建。隧道按单线双向行车道设计。隧道设计起讫里程桩号为K0+675～K1+668,总长1 043 m,属长隧道。围岩以中风化砂质页岩、泥岩为主,节理裂隙较发育,裂隙多微张、裂隙间局部夹泥,围岩间结合较差,岩体局部较破碎。在K1+040～K1+050之间含有软弱夹层,夹层发育与裂隙基本平行,拱部一般较稳定,但因岩层为页理状,开挖时局部较差段可能会掉块或坍塌;顶板基岩厚度160～251 m,埋深较深,产状较陡、岩体较破碎至较完整、薄层至中厚层状构造围岩,岩质较软至较硬状。

2.2 监测断面测点布设

根据彭家寨隧道工程相关设计资料, 选取了K1+010、K1+020和K1+030三个里程桩号的断面作为监测断面。测点布设如图1所示。

图1 测点布设

2.3 监测结果分析

图2为三个监测断面拱顶沉降变形和洞周水平收敛变形随开挖进尺长度的变化曲线。分析图2可知:所选取的三个监测断面中,其拱顶沉降变形和洞周收敛变形有着相似的变形规律,大致可概括为快速增长阶段、增长减缓阶段和趋于稳定阶段。

图2 拱顶及边墙变形随开挖变化曲线

由图2(a)可知,在开挖进尺0～9 m范围内,拱顶累计沉降以近似线性的规律快速增长,且三个监测断面在此范围内的沉降值均超过最终沉降值的50%;在9～21 m范围内,拱顶沉降变形速率逐渐减小,处于增长减缓阶段,当开挖进尺为21 m时,三个监测断面的沉降值均达到最终沉降值的95%以上;当开挖进尺超过21 m后,拱顶沉降变形曲线趋于稳定,说明围岩应力经过释放后重新达到平衡状态,围岩达到了稳定状态,最终三个监测断面拱顶沉降值分别稳定在10.42 mm、12.72 mm和12.22 mm。洞周水平收敛变形在开挖进尺0～9 m范围内迅速增长,该阶段内发生的变形占总体变形的80%左右;在开挖进尺9～15 m内收敛速率逐渐减缓;在超过15 m后,变形曲线趋于水平,最终三个断面的水平收敛分别稳定在3.35 mm、4.53 mm和4.20 mm,说明此距离为该隧道开挖空间影响的最大范围。

3 有限元计算分析

3.1 模型建立

为研究隧道围岩结构性质及软弱夹层对隧道围岩稳定性的影响,以彭家寨隧道典型开挖段K1+000～K1+030为原型建立三维数值模型。该段隧道最大埋深约为200.8 m,最大开挖洞径B为13.4 m,最大开挖高度H为9.1 m。为减小边界效应的不利影响,左右边界各取隧道半径的3～5倍,最终确定模型的尺寸为100 m×75 m×30 m。在计算过程中对实际工程条件进行了简化,具体为:将围岩视为理想的弹塑性介质,仅考虑围岩自重应力的影响,不考虑地下水及构造应力等因素的影响,且岩体力学特性遵循摩尔-库伦破坏准则。

3.2 计算参数

根据依托工程地质勘探报告和设计资料,选用材料的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩力学参数

4 围岩结构性质对其变形的影响分析

在隧道开挖过程中,隧道围岩原有的稳定性受到破坏,围岩内部应力重新分布,最终到达新的平衡。影响围岩应力重新分布的因素有很多,包括围岩强度、围岩初始应力、隧道施工方法、围岩结构性质等。以彭家寨隧道工程为背景,分别建立不同层面倾角和不同层面间距的数值模型,对隧道开挖后围岩的变形进行分析。

4.1 层面倾角对隧道围岩变形影响分析

为了研究隧道开挖过程中,层面倾角对隧道围岩变形的影响,将每一层岩层材料视为各向同性材料,层面间距取5 m,层面倾角α从0°～90°以15°为间隔增大,分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七种工况,其中顺倾侧为左侧,逆倾侧为右侧。

为反映隧道开挖后,层面倾角对围岩变形的影响,根据所选取的洞周特征点(见图1),将洞室周边的围岩特征点的位移进行比较,如图3所示。分析图3可知,随着隧道的开挖,洞周发生了明显的变形:拱顶及边墙由于邻近挖空发生沉降变形,拱底由于卸荷回弹发生隆起变形。当层面倾角为0°和90°时,洞周变形呈现出对称性;除了0°和90°之外,其他层面倾角下,洞周位移呈现出明显的不对称特性。随着层面倾角的增大,隧道拱顶、边墙和拱底呈现出三种不同的变化趋势。拱顶的位移呈现出先减小后增大趋势,当层面倾角为45°时位移值最小,为9.13 mm。左右边墙由于临空侧不同,变形呈不同的情况:左侧特征点的竖向位移先增大后减小;右侧特征点的位移先减小后增大;随着层面倾角的增大,左右两侧对应特征点的位移差值先增大后减小,当层面倾角为45°时,差值最大。拱底的位移呈现出逐渐减小的趋势。出现上述变化趋势的原因是围岩弯曲折叠破坏和顺层滑移破坏叠加的结果。当倾角为0°时,围岩主要发生弯曲折断破坏,不发生顺层滑移破坏;当层面倾角在0°～45°范围内时,变形主要集中在垂直于层理面方向,顺层侧围岩易发生弯曲折断破坏;当层面倾角在45°～90°范围内时,变形主要集中在平行于层理面方向,逆倾侧围岩易发生顺层滑移破坏。当层面倾角为45°左右时,临空面位置均易发生弯曲折断破坏和顺层滑移破坏,该角度为两种破坏模式的临界变换角。

图3 特征点竖向位移随层面倾角变化曲线

4.2 层面间距对隧道围岩变形影响分析

前文指出,层面倾角45°为弯曲折断破坏和顺层滑移破坏两种破坏模式的临界转换角,因此,综合考虑两种破坏模式的影响,本节将取层面倾角为45°的模型分析层面间距对隧道围岩变形的影响,选取层面间距为1、3、5、7、9 m的五种工况进行研究。

为了研究开挖后隧洞拱部竖向位移变化趋势,选取拱顶、拱肩及拱腰观测点的竖向位移,绘制不同层面间距时各观测点的竖向位移曲线图,如图4所示。由图4可知,隧道拱部的竖向位移总体呈“V”形,即拱顶位移最大,由拱顶至边墙,竖向位移逐渐减小。当层面间距为1 m时,拱顶的竖向位移最大,为11.47 mm;层面间距为9 m时,拱顶的竖向位移最小,为8.15 mm;层面间距由9 m减小到1 m时,拱顶、拱肩和拱腰的竖向位移分别增大了141%、123%和118%,由此可见,拱顶部位受层面间距的影响较大。

图4 不同层间距时特征点竖向位移变化曲线

为进一步分析各特征点的位移变化规律,绘制了各监测点的绝对位移值随层面间距的变化曲线,如图5所示。分析图5可知:随着层面间距逐渐增大,洞周位移逐渐减小,同时减小速率逐渐下降。这主要是由于围岩中结构面的存在, 将完整的岩体切割成独立的岩层,隧道开挖后,在重力与上覆土压力的作用下, 围岩在层面薄弱处将产生较大的变形。层面间距越小,单位体积围岩包含的不连续层面越多,从而产生的累积位移也越大。

图5 特征点竖向位移随层面间距变化曲线

5 夹层特征对层状软岩隧道围岩变形影响分析

5.1 夹层距隧道的距离对隧道围岩变形影响分析

夹层所处位置不同,对隧道围岩稳定性的影响不同:当夹层位于隧道下方时,夹层对隧道围岩稳定性的影响较小;当隧道穿越夹层时,必须尽快采取加固措施,减少对围岩的扰动;当夹层位于隧道上方时,施工过程中爆破等因素的扰动会引起夹层发生破坏,从而导致隧道围岩发生失稳,造成工程问题。在上述模型的基础上,在穿过隧道拱顶、位于隧道拱顶上方1、2、3、4、5 m处增加厚度为0.5 m 的软弱夹层,夹层的物理力学性质见表1。

为研究软弱夹层所处位置对隧道开挖后围岩变形的影响,跟踪监测洞周特征点在隧道开挖过程中的最大竖向位移,结果如表2所示。

表2 夹层所处不同位置时洞周特征点竖向位移值(沉降为正) 单位:mm

由表2可知:围岩总体变形趋势未受到软弱夹层的影响,但各点的竖向位移值明显增大。当夹层穿越隧道时,拱顶的竖向位移达到了15.32 mm,是无夹层时的1.7倍左右,拱底增大了约1.6倍,拱肩和拱腰增大了约1.3倍,由此可见,夹层的存在加剧了拱顶和拱底的竖向变形。随着夹层远离隧道,洞周的竖向位移逐渐减小;当夹层距隧道上方5 m时,拱顶和拱底的位移相比夹层穿越隧道时减少了35%左右。分析可知,夹层的存在对隧道拱顶的变形影响最大,因此选取拱顶为研究对象,监测其在不同开挖进尺时的沉降位移,并绘制变形曲线,如图6所示。分析图6可知,拱顶竖向位移曲线的变化规律分为明显的两个阶段,即增长阶段和趋于稳定阶段;且夹层离隧道越近,曲线的增长阶段越长,表明夹层的位置对隧道围岩的稳定有重要影响,夹层距隧道越近,隧道开挖后围岩重新达到稳定的时间越长。同时,结合表2可知,随着夹层远离隧道,拱顶竖向位移变形的速率在不断减小,即当夹层位置从拱顶上方1 m变化到拱顶上方2 m时,拱顶位移减小为原来的91%,而当夹层位置从距拱顶上方4 m变化到距拱顶上方5 m时,拱顶位移只减小为原来的96%。

图6 不同夹层位置时拱顶竖向位移随开挖进尺变化曲线

5.2 夹层厚度对隧道围岩变形影响分析

岩体中软弱夹层的特性对隧道围岩的稳定具有重大影响,如夹层岩体的物理力学性质、夹层的厚度等。为研究夹层的厚度对围岩稳定性的影响,建立了层面间距为5 m,层面倾角为45°的数值模型,在拱顶上方1 m处分别添加厚度为0、0.25、0.5、0.75、1.0 m的软弱夹层,计算不同夹层厚度时隧道围岩的竖向变形,夹层的物理力学参数的选取见表1。表3给出了不同夹层厚度时洞周特征点的总位移值。

表3 不同夹层厚度时洞周特征点总位移值(沉降为正) 单位:mm

分析表3可知,当隧道洞室附近存在软弱夹层时,各特征点的总位移随着夹层厚度的增加而不断增大,且拱顶A点和拱底D点的位移最大,其次是拱肩,拱腰的位移最小,这与无夹层时各点的位移变化规律一致;当夹层厚度为1 m时,隧道拱顶和拱底的位移分别达到了13.72 mm和11.59 mm,相比于无夹层时分别增大了50.27%和39.64%。这主要是由于软弱夹层的存在进一步削弱了围岩的完整性,软弱夹层越厚,围岩变形越大。

为了研究不同夹层厚度下拱顶竖向位移的变化规律,跟踪监测拱顶在不同开挖进尺时的竖向位移变化情况,并绘制变形曲线,如图7所示。

图7 不同夹层厚度时拱顶竖向位移随开挖进尺变化曲线

分析图7可知,拱顶的竖向位移变化规律与前文一致,即拱顶的竖向位移主要发生在开挖进尺0～18 m范围内,开挖进尺超过21 m后,竖向位移趋于稳定;随着夹层厚度的增加,拱顶的位移逐渐增大,且在开挖进尺0～18 m范围内拱顶沉降变形的速率随隧道开挖进程不断减小。

6 结 论

(1)含夹层的层状软岩隧道开挖后,围岩因原有的稳定性受到破坏而发生变形,随着围岩内部应力重新达到平衡,围岩的变形逐渐趋于稳定。在此期间,围岩的变形经历了快速增长阶段、增长缓慢阶段和趋于稳定阶段。

(2)层状软岩的层面倾角和层面间距对围岩的变形有重要影响。层面倾角从0°增加到90°的过程中,隧道拱顶、边墙和拱底呈现三种不同的变化趋势,且45°为弯曲折断破坏和顺层滑移破坏的临界转换角。层面间距由1 m增加到9 m的过程中,隧道拱部的竖向位移不断减小,且减小的速率也在下降。

(3)夹层的存在会进一步削弱围岩的完整性,从而增大隧道围岩的变形,夹层离隧道越近,夹层厚度越大,对围岩变形的影响越大。且位于隧道上方的夹层要比位于下方的夹层对隧道围岩变形的影响更大。