上軟下硬地層隧道圍巖漸進破壞機制分析

王鳴濤，吳波，趙勇博

(1．福建工程學院 土木工程學院，福建 福州350118； 2．福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福建 福州 350118)

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上軟下硬地層隧道圍巖漸進破壞機制分析

王鳴濤1，2，吳波1，2，趙勇博1，2

(1．福建工程學院 土木工程學院，福建 福州350118； 2．福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福建 福州 350118)

摘要：軟硬結構面的存在阻斷了巖體性質的連續性，結構面傾角的位置和角度會造成多種破壞模式。文章對上軟下硬地層隧道的破壞過程和破壞模式進行數值模擬研究。結果表明：分界結構面傾角在30°～75°時隧道穩定性較差；圍巖變形破壞特征在對稱模式下，圍巖位移、破壞區和塑性區呈對稱分布；在非對稱模式下，結構面傾角和圍巖的力學參數決定了破壞區的位置和范圍，破壞區的位置主要受結構面傾角的影響。

關鍵詞：地層隧道； 分界結構面； 漸進破壞； 破壞模式

地下工程巖體是一種歷經各種地質構造運動的變形與破壞，包含各種節理的復雜地質體。巖體在某個初始應力狀態下處于一定的平衡狀態，隧道的開挖打破了上述平衡狀態，使圍巖發生卸荷回彈和應力重分布。如果隧道圍巖應力狀態變化大，或因隧道所處圍巖質量較差，就會導致圍巖適應不了回彈應力和重分布應力的作用而喪失其穩定性[1]，這在上軟下硬地層隧道中尤為常見。所謂上軟下硬地層，即隧道斷面上部是第四系的松軟地層而下部是堅硬的巖石地層或者上部是軟

弱的巖層而下部是堅硬的巖層。即該類地層是由上部較軟地層+下部硬巖地層+軟硬地層分界結構面構成的復雜組合地層系統。分界結構面常常是地下水富集和滲流的通道，地下水會引起圍巖軟化劣化、強度降低和滲漏潛蝕等，容易引發圍巖和掌子面滑移失穩；上部軟弱地層常常因為埋深較淺、圍巖自穩能力差，引發圍巖坍塌、大變形和掌子面擠出等工程災害。就隧道設計而言，其核心問題是如何確定合理的支護參數，而隧道圍巖破壞模式往往決定了支護參數的選擇[2]。因此，上軟下硬地層隧道圍巖破壞模式的研究對于隧道結構設計具有重要意義。

隧道圍巖破壞機理與破壞形態的研究，一般是基于現場實際觀察與室內模型試驗，由此獲得一些定性的概念，在此基礎上提出一些關于破壞機理的假設[3]。周小文[4]等通過離心模型試驗，對隧洞周圍砂土隨支護壓力降低而發生位移和破壞的過程和規律進行了研究；王思敬[5]等學者針對實例分析了地下工程，總結了5種地下工程領域巖體結構常見的變形機理、方式和特征；于學馥[6]等按圍巖破壞形態、破壞過程及其成因，將圍巖變形破壞模式劃分為局部落石破壞、拉斷破壞、重剪破壞、剪切破壞、復合破壞、巖爆破壞和潮解膨脹破壞6種。而考慮上軟下硬地層隧道軟硬結構面傾角變化影響，從分析圍巖的漸進破壞過程，到歸納圍巖的變形破壞模式，少有研究。本文應用有限元強度折減法對不同分界結構面傾角下的上軟下硬地層隧道圍巖、勻質地層隧道圍巖及圓形隧道斷面圍巖的破壞過程和破壞模式進行對比分析，總結出不同結構面傾角狀態下隧道圍巖的破壞演化規律，以期為同類隧道工程建設過程中采取有效的施工方案或者切實可行的支護措施提供參考。

1　基本理論與假設

1.1強度折減法

有限元強度折減法，即利用數值方法，不斷折減地層圍巖的黏結力c和內摩擦角φ，同時進行彈塑性數值計算，直至達到極限狀態，進而求得保持隧道穩定的最小安全系數。這種方法與傳統的極限分析方法不同，不需要先假定破壞面。

強度折減法最初是應用于邊坡穩定性計算中，隨著數值極限方法的不斷發展，有限元強度折減法在邊坡、地基等工程中得到了更為廣泛的應用。鄭穎人[7]等首先將這一方法引用到了隧道圍巖的穩定性分析中，不僅可以求出圍巖的最小安全系數，還可求出隧道圍巖的破壞面位置及破壞模式。

按摩爾-庫侖準則，強度折減系數可以定義為

式中：Fs為剪切強度折減系數；c和φ均為原始抗剪強度參數；c′和φ′為折減后的抗剪強度參數。

目前隧道工程采用的失穩判據有3種：①抗剪破裂面是否貫通，即通過觀察塑性區大小來判斷隧道是否穩定；②位移是否發生突變，即通過觀察隧道圍巖位移大小來判斷隧道是否穩定；③計算是否收斂，即通過查看模型分析過程中的收斂性來判斷隧道是否穩定。

1.2基本假設

1)隧道縱向足夠長，可當做平面應變問題進行分析；

2)隧道由2種地層組合而成，上部地層剪切強度小于下部地層；

3)地層隧道巖土體為理想彈塑性材料，破壞準則服從摩爾-庫侖準則；

4)強度折減只對抗剪強度指標進行折減，且不考慮受拉破壞。

2　上軟下硬地層隧道漸進破壞過程及破壞模式分析

2.1上軟下硬地層隧道漸進破壞過程分析

隧道采用全斷面一次開挖，模擬上軟下硬地層隧道開挖后毛洞狀態下圍巖的漸進破壞過程。針對圍巖分級為上部Ⅳ級與下部Ⅲ級的上軟下硬地層進行分析，對于隧道斷面開挖尺寸，根據《公路隧道設計規范》(JTGD70-2004)[8]中兩車道v=100 km/h情況的標準斷面和公路隧道建筑界限橫斷面組成最小寬度確定，統一將模型計算斷面采用直墻拱形，保持高跨比為0.75不變[9]。模型橫截面總寬取11倍洞跨，下部取2倍洞跨，拱頂上部覆土深度h取Ⅳ級圍巖一般埋深情況，即20 m[10]。軟硬分界結構面采用Goodman接觸單元模擬，圍巖及隧道采用實體單元模擬。模擬采用的概化模型如圖1所示。圖中β為軟硬分界結構面位置參數，取1/2；θ為軟硬分界結構面傾角，取值范圍0°～90°，為了進行對比，取一模型不設置軟硬分界結構面；隧道跨度W取18 m。綜合參考《鐵道工程地質手冊》[11]、《鐵路隧道設計規范》[12]、《公路隧道設計規范》[8]中相關數據，采用表1中地層及結構面的物理力學參數。

圖1　上軟下硬地層隧道平面概化模型Fig.1　Plan conception model of upper-soft and lower-hard stratum tunnel

當軟硬結構面傾角為45°時對其進行有限元極限數值模擬，求出隧道在開挖完成時能夠保持穩定的最小安全系數以及極限狀態。圖2～5為上軟下硬地層隧道漸進破壞過程中的水平位移云圖和塑性區云圖，圖6為隧道拱頂最大沉降值與折減系數關系折線圖。

1)強度折減系數為1.0(即自然狀態下進行隧道開挖)時，最大豎向位移因結構面的旋轉而旋轉，出現在拱頂與左拱肩之間；塑性應變主要出現在軟硬結構面與洞周交點附近且左下側塑性區的面積明顯大于右上側，這是因結構面傾角過大上部較軟地層向左下側滑移造成的，實際施工中若出現降雨或者地下水侵蝕，則隧道極有可能沿著軟硬分界面出現滑移失穩現象，這是上軟下硬地層隧道與均質地層隧道的最大不同之處。

表1　各級巖體圍巖物理力學參數Tab.1　The physical and mechanical parameters of different class rock mass

(a)水平位移云圖

(b)等效塑性云圖圖2　水平位移云圖和等效塑性云圖(折減系數1.0)Fig.2　Horizontal displacement and equivalent plastic contours (with a reduction factor of 1.0)

(a)水平位移云圖

(b)等效塑性云圖圖3　水平位移云圖和等效塑性云圖(折減系數1.4)Fig.3　Horizontal displacement and equivalent plastic contours (with a reduction factor of 1.4)

(a)水平位移云圖

(b)等效塑性云圖圖4　水平位移云圖和等效塑性云圖(折減系數1.8)Fig.4　Horizontal displacement and equivalent plastic contours (with a reduction factor of 1.8)

(a)

(b)圖5　水平位移云圖和等效塑性云圖(折減系數1.853)Fig.5　Horizontal displacement and equivalent plastic contours (with a reduction factor of 1.853)

圖6　拱頂最大沉降量與折減系數關系圖　　Fig.6　Relationship between vault maximumsettlement and (strength) reduction factor

2)強度折減系數為1.4時，位移和塑性區變化均比較明顯，結構面與左側豎墻相交處因圍巖沿結構面滑移而出現位移波動現象，最大位移在拱頂與左拱肩之間；塑性區面積逐漸增大且由右拱肩處向地表方向延伸。

3)強度折減系數為1.8時，地表位移明顯增大，最大沉降值的位置向拱頂右側移動；塑性區面積也逐漸增大，上部軟弱地層中洞周塑性區欲形成貫通趨勢，右拱肩處塑性區進一步向地表方向延伸。

4)強度折減系數為1.853時，隧道處于臨界狀態，拱頂位移及地表位移均發生突變，最大沉降位置發生在拱頂與右拱肩之間；上部軟弱圍巖中洞周塑性區貫通，圍巖將沿右拱肩處向隧道內部產生無限發展的塑性應變和位移，使得上部較軟巖體沿著破裂面發生無限流動，進而導致隧道整體失穩破壞。判斷該模型的安全系數定為1.853。

由圖6可知，折減系數從1開始逐漸增大，在達到1.6之前，拱頂沉降變形隨折減系數增大而緩慢增加，兩者基本呈線性比例關系，表明在此階段圍巖屬于彈塑性變形，隧道整體上處于穩定狀態，能夠繼續承受外界荷載；當折減系數增大到1.6后，拱頂沉降變形速率進入快速增大變化階段，表明拱頂圍巖各類非貫通、半貫通裂隙逐漸貫通形成貫通裂縫，導致上部較軟巖層開始斷裂，進入了非穩定破裂階段，圍巖處于準極限平衡階段。當折減系數大于1.8時，拱頂沉降變形幾乎與表征沉降變形位移的縱軸平行，表明上部較軟地層臨空面近處圍巖出現剛性位移開始脫離母體而出現松動塌落[13]。當折減系數為1.853時拱頂圍巖的塑性應變深入隧道內部，并向地表方向延伸，在拱頂上方的扇形區域內圍巖亦發生了較大變形(圖5)，將導致圍巖整體失穩而失去承載能力。

從以上分析可得，軟硬結構面傾角為45°(逆時針旋轉)時上軟下硬地層隧道的破壞演化規律：原始穩定狀態—拱頂左側出現最大沉降值，軟硬分界結構面與洞周交點附近發生塑性應變，左下側尤為明顯—最大沉降值位置由拱頂左側逐漸向右側移動，拱肩塑性區面積逐漸增大并由右拱肩處向地表方向延伸—拱頂及地表豎向位移發生突變，最大沉降值發生在拱頂和右拱肩之間，上部軟弱圍巖中洞周塑性區貫通，形成潛在破裂面—圍巖沿右拱肩處向隧道內部產生無限發展的塑性應變和位移—隧道整體失穩破壞。

2.2不同結構面傾角隧道變形破壞特征對比分析

因軟硬地層分界結構面傾角的變化，隧道圍巖的破壞模式也發生了明顯的改變。但無論結構面傾角如何改變，隧道的破壞基本上都是從拱頂或拱肩處開始坍塌，進而引發隧道整體失穩破壞。故從拱頂最大沉降量的大小可以直觀地看出不同分界結構面傾角對隧道穩定性的影響程度。圖7為不同分界結構面傾角下拱頂和地表的最大沉降值，圖8為不同分界結構面傾角下隧道的安全系數。

圖7　不同分界結構面傾角下拱頂和地表沉降值Fig.7　Sedimentation value of vault and surface under different θ

圖8　不同分界結構面傾角下隧道的安全系數　　Fig.8　The safety factor of tunnel underdifferent θ

1)隧道拱頂沉降量曲線與地表沉降量曲線變化趨勢一致，都是隨分界結構面傾角的增大表現為先增大后減小。結構面傾角為60°時，隧道開挖后的拱頂最大沉降量達到了最大值8.6 mm，地表最大沉降量也達到了最大值5.8 mm；結構面傾角為90°時，拱頂最大沉降量達到最小值6.1 mm，減小了42.5%，地表最大沉降量達到了最小值4.0 mm，減小了46.2%。

2)分界結構面傾角介于30°與90°之間的隧道拱頂最大沉降量曲線較陡急，故分界結構面的存在對該范圍傾角的地層隧道影響較大；結構面傾角小于30°的隧道拱頂最大沉降量曲線變化較平緩，故分界結構面的存在與否對該范圍傾角的地層隧道影響較小。

3)安全系數隨著分界結構面傾角的增大表現為先減小后增大。傾角為60°時安全系數達到最小值1.85，傾角為90°時安全系數達到最大值2.166，增大了17.08%。故分界結構面傾角是影響上軟下硬地層隧道圍巖穩定的重要因素之一。

4)分界結構面傾角為90°的地層隧道，安全系數大于其他任何傾角地層隧道的安全系數。但傾角為90°的地層隧道不屬于上軟下硬地層隧道的范疇，只是分界結構面旋轉時的極限狀態，從圖7和圖8曲線的變化趨勢可以預測當結構面傾角大于75°小于90°時安全系數曲線為遞增趨勢。故在其他力學參數一致的前提下，分界結構面傾角小于30°或大于75°的地層隧道更加穩定、安全。

5)拱頂最大沉降量變化曲線與安全系數變化曲線趨勢是相呼應的，安全系數越大則位移越小，相應的隧道也就越穩定。而且安全系數具有嚴格的力學意義，故以安全系數和位移作為評價上軟下硬地層隧道穩定性的雙重指標合理、科學。

2.3上軟下硬地層隧道破壞模式分析

應用有限元強度折減法對不同分界結構面傾角下的上軟下硬地層隧道圍巖、勻質地層隧道圍巖及圓形隧道斷面圍巖的破壞過程和破壞特征進行對比分析發現，圍巖的變形破壞特征受分界結構面傾角的控制，不同分界結構面傾角下圍巖的變形破壞模式可歸納為以下兩種。

2.3.1對稱模式

對稱模式以分界結構面傾角為0°、勻質地層隧道和圓形斷面隧道為代表，如圖9，在對稱模式下，圍巖應力、位移、塑性區分布均呈對稱狀態。

(a)直墻拱形斷面隧道復合地層0°傾角

(b)直墻拱形斷面隧道勻質地層

(c)圓形斷面隧道復合地層0°傾角

(d)圓形斷面隧道勻質地層圖9　結構面傾角為0°、勻質地層隧道及圓形斷面隧道的破壞模式Fig.9　Failure mode of homogeneous layer and circular section tunnel at θ= 0 °

2.3.2非對稱模式

除了分界結構面傾角為0°以外，其余的均為非對稱模式，如圖10所示，在非對稱模式下，圍巖應力、位移、塑性區并不與水平面對稱分布，而是隨著分界結構面傾角變化發生偏轉，偏轉的方向和幅度隨著結構面傾角的變化而變化。

2.3.3不同結構面傾角隧道破壞模式對比分析

由圖9～10可以看出：

1)上軟下硬地層隧道的破裂角范圍為-23°～129°。其中靠近左豎墻與底板交點一側的破裂角較小，與水平面的夾角為-23°～69°，靠近右拱肩一側的破裂角較大，與水平面的夾角為69°～129°，兩側角度都是隨著分界結構面傾角的增大而遞增。

2)分界結構面傾角越大，隧道開挖對地表的影響范圍也就越大，則圍巖的塌落量就越大。

3)整個滑落體可近似看作一個錐形體，各垂向和水平滑裂面均可看作拋物線。

4)無論軟硬地層分界結構面傾角如何變化，隧道圍巖的破壞區均在塑性區內，即塑性區并非破裂區，但破裂區一定在塑性區之內。對于隧道工程，塑性區貫通時圍巖并不一定達到破壞狀態，只有當塑性應變發展到一定程度時，才會在圍巖中形成潛在的破壞面，進而圍巖達到破壞狀態。

(a)15°傾角

(b)30°傾角

(c)45°傾角

(d)60°傾角

(e)75°傾角

(f)90°傾角圖10　不同分界結構面傾角上軟下硬地層隧道破壞模式Fig.10　Failure mode of upper-soft and lower-hard stratum tunnel under different θ

5)滑裂面的角度隨著分界結構面傾角的旋轉而轉動，且轉向一致，但破壞區位置轉動的方向與結構面傾角的旋轉方向并不完全一致。結構面傾角從0°旋轉至45°時，破壞區位置的轉動方向與結構面傾角旋轉方向相反，均發生在結構面與右拱肩交點附近；結構面傾角從45°旋轉至90°時，破壞區位置的轉動方向與結構面傾角旋轉方向相反。

因此，上軟下硬地層隧道可以看作上部較軟巖體在重力作用下的坍塌破壞，隧道最終破壞區可近似看作以隧道洞口為頂、以地表線為底的錐形體。軟硬分界結構面傾角決定了隧道的破壞模式，分界結構面傾角和范圍決定了破壞區的規模和范圍。

3　結論

1)上軟下硬地層隧道軟硬分界結構面傾角介于30°與90°之間的隧道拱頂最大沉降量曲線較陡急，表明分界結構面的存在對該范圍傾角的地層隧道影響較大；結構面傾角小于30°的隧道拱頂最大沉降量曲線變化較平緩，說明分界結構面的存在與否對該范圍傾角的地層隧道影響較小。

2)上軟下硬地層隧道的破裂角范圍為-23°～129°。其中靠近左豎墻與底板交點一側的破裂角較小，與水平面的夾角為-23°～69°，靠近右拱肩一側的破裂角較大，與水平面的夾角為69°～129°，兩側角度都隨分界結構面傾角的增大而遞增。

3)上軟下硬地層隧道的破壞模式可以看作上部較軟巖體在重力作用下的坍塌破壞。隧道最終破壞區可近似看作以隧道洞口為頂、以地表線為底的錐形體。

4)上軟下硬地層隧道分界結構面傾角和圍巖的力學參數決定了破壞區的規模和位置，且破壞區的位置主要受結構面傾角的影響。其具體表現為：結構面傾角從0°旋轉至45°時，破壞區位置的轉動方向與結構面傾角旋轉方向相反，均在結構面與右拱肩交點附近；結構面傾角從45°旋轉至90°時，破壞區位置的轉動方向與結構面傾角旋轉方向相反。

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(責任編輯： 陳雯)

Study on progressive failure mechanism of surrounding rock of upper-soft and lower-hard stratum tunnel

Wang Mingtao1，2, Wu Bo1，2, Zhao Yongbo1，2

(1.College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informationization in Civil Engineering, Fuzhou 350118, China)

Abstract：The existence of soft and hard structural planes block the continuity of rock mass properties, the position and angle of structural plane inclination angle can cause a variety of failure modes.A simulation study on the failing process and the failure modes of the tunnel with soft and hard structural planes was conducted.The results indicate that the stability of the tunnel is considerably low when the boundary structural inclination angle is between 30°～75°; under the failure-symmetric mode, the displacement of the surrounding rock, failure zone and plastic zone are symmetrically distributed; under the asymmetrical mode the mechanical parameters of boundary structural plane inclination angle and mechanical parameters of the surrounding rock determine the location and scope of the failure zone, the location of which is mainly affected by the structural plane angle.

Key words：struatum tunnel; boundary structural plane; progressive failure; failure mode

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.007

收稿日期:2016-07-30

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51478118)；福建省自然科學基金資助項目(2014J01170)

第一作者簡介：王鳴濤(1989-)，男，河南安陽人，碩士研究生，主要從事隧道與地下工程技術研究。

中圖分類號：TU45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-4348(2016)04-0344-08