高地應力深埋層狀圍巖隧道非對稱變形受力機制研究

吳 迪， 陳子全， 甘林衛(wèi)， 代光輝

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 2. 中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142; 3. 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司， 北京 100045)

0 引言

深埋長大隧道在穿越復雜地層時，往往會受到不同角度的層狀圍巖和構造應力影響[1-3]，使得隧道襯砌結構產(chǎn)生一系列非對稱變形和受力現(xiàn)象，尤其是隧道處在極高地應力場時，隧道局部更容易發(fā)生大變形、坍塌等災害問題[4-5]。為減少隧道不利受力情況和災害的產(chǎn)生，有必要對高地應力下層狀圍巖隧道的圍巖變形和結構受力特性進行深入的研究。

許多學者采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法對上述問題進行了深入研究。徐松[6]針對薄層狀炭質(zhì)泥巖隧道大變形問題提出了合理的開挖和支護措施。郭波前[7]從初始應力場、巖體結構、地下水等因素著手，探討了圍巖變形破壞的規(guī)律和機制，認為圍巖破壞時形成破壞區(qū)、崩塌、滑動滑移、彎曲折斷幾個區(qū)域。沙鵬等[8]分析了高地應力條件下，不同層理面角度隧道的非對稱圍巖變形和支護受力特征。郭小龍等[9]基于單軸抗壓強度測試，分析了陡傾層狀隧道的變形破壞機制。Wang等[10]揭示了層狀圍巖隧道開挖的破壞模式，認為節(jié)理面的拉伸、滑移、斷裂影響圍巖的松動范圍。

也有學者采用模型試驗的方法模擬了隧道在層狀圍巖中的受力和變形。李丹等[11]和夏彬偉等[12]以共和隧道為依托，采用彈脆性相似材料模擬薄層狀頁巖，進行了緩傾層理角度下層狀圍巖隧道的模型試驗，得到了不同荷載下圍巖應力和支護變形特征。張俊儒等[13]通過模型試驗，研究了傾斜層狀泥巖隧道的不同支護措施。朱敬民等[14]通過模型試驗，探明了層狀圍巖及二次襯砌的受力狀態(tài)。周曉軍等[15]對不同層理角度下順層偏壓隧道進行模型試驗，得出了圍巖壓力的分布特征。

綜上，現(xiàn)有文獻大多以圍巖的不同層理面角度為研究重點，少數(shù)以不同側壓力系數(shù)的荷載來模擬地應力場，但針對地應力方向的研究還沒有?；诖?，本文以籃家?guī)r隧道為工程背景，基于該隧道圍巖變形、鋼拱架受力和二次襯砌彎矩、軸力的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析圍巖和支護結構的非對稱變形特性和機制，然后通過數(shù)值計算，詳細研究了地應力方向和層理角度對隧道結構變形、受力的影響，并提出了相應的支護結構優(yōu)化措施。

1 工程概況

籃家?guī)r隧道是綿竹至茂縣公路的重點控制性工程，于2012年12月開始動工。該隧道全長8 149 m(K43+206～K51+355)，最大埋深約1 800 m，是目前國內(nèi)埋深最大的隧道。隧址區(qū)位于5·12汶川地震核心區(qū)，地質(zhì)構造作用強烈，褶皺和斷裂極為發(fā)育，區(qū)域構造為四川盆地西北部的龍門山后山推覆構造體。根據(jù)地應力反演結果顯示，籃家?guī)r隧道全線最大地應力值高達72.2 MPa[16]?，F(xiàn)場監(jiān)測斷面選取里程K48+800斷面，埋深約1 200 m，采用空心包體實測最大主應力為49.5 MPa，屬于極高應力場狀態(tài)，監(jiān)測斷面的地應力值如表1所示。

表1 籃家?guī)r隧道里程K48+800處地應力

該監(jiān)測斷面圍巖的水平最大主應力σH與隧道走向(330°)大致平行。隧道監(jiān)測斷面圍巖屬于Ⅴ級圍巖，圍巖組成為深灰色、灰色板狀千枚巖夾透鏡狀泥質(zhì)灰?guī)r，屬軟巖夾較硬質(zhì)巖，節(jié)理面極發(fā)育，裂隙間距為0.3～1.0 m。巖石抗壓強度較低，平均為20 MPa，力學性質(zhì)均勻性差，產(chǎn)狀350°∠57°?；@家?guī)r隧道橫斷面輪廓所受主應力如圖1所示，其中隧道軸向主應力σH=49.5 MPa。

圖1 隧道受力圖

籃家?guī)r隧道穿越斷層破碎帶、軟弱地層，其中Ⅴ級圍巖占比27.4%，Ⅳ級圍巖占比38.1%，Ⅲ級圍巖占比34.5%，尤其在K46+080～K49+180段，巖層呈角(礫)碎石狀、碎裂狀結構，圍巖穩(wěn)定性極差，若支護不及時極易發(fā)生大變形、坍塌等災害，因此有必要對隧道結構變形、受力特征進行分析，以指導今后的設計與施工。

2 籃家?guī)r隧道結構變形受力特征分析

2.1 支護參數(shù)及監(jiān)測項目

籃家?guī)r隧道K48+800斷面的建筑限界為9.0 m(寬)×5.0 m(高)，錨桿采用長8 m、直徑22 mm的砂漿錨桿，縱向、環(huán)向間距均為1 m； 初期支護全環(huán)噴射C20混凝土，厚20 cm； 鋼筋網(wǎng)為φ8HPB300鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm； 采用I18型工字鋼，橫向間距為0.75 m； 二次襯砌為C25混凝土，厚45 cm。

現(xiàn)場監(jiān)控量測項目包括圍巖位移、鋼拱架應力以及二次襯砌軸力和彎矩。其中： 洞周位移監(jiān)測有拱頂沉降、拱肩水平收斂、拱腰水平收斂； 鋼拱架應力使用振弦式鋼筋應力計監(jiān)測，埋設位置為拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳； 二次襯砌軸力和彎矩使用振弦式混凝土應變計監(jiān)測，埋設位置為拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、拱底。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖位移、鋼拱架應力以及二次襯砌彎矩與軸力的變化曲線如圖2所示，鋼拱架應力、二次襯砌彎矩與軸力的數(shù)據(jù)分布圖如圖3所示。

從圖2和圖3現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：

1)受圍巖軟弱層理面影響，隧道輪廓與層理面相切位置產(chǎn)生較大變形，最大圍巖變形產(chǎn)生在拱肩和拱腰位置，最大水平收斂達到202 mm，而拱頂沉降相對較小。

2)鋼拱架各個位置均處于受壓狀態(tài)，其中右拱腰、右拱肩、左拱腳、左拱腰位置鋼拱架應力較大，均處于隧道輪廓與斷面最大主應力方向垂直區(qū)域，該區(qū)域受到較強的地應力擠壓作用，鋼拱架最大應力達到184.6 MPa，但未達到屈服狀態(tài)。

3)二次襯砌各個位置均受壓，其中右拱肩、左拱腳、拱底位置的軸力較大，二次襯砌最大軸力達到2 908 kN。二次襯砌左拱肩產(chǎn)生最大正彎矩(內(nèi)側受拉)，為487 kN·m； 右拱肩位置產(chǎn)生最大負彎矩(外側受拉)，為-318 kN·m。

2.3 變形和受力機制分析

通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖變形和支護結構受力均呈現(xiàn)明顯的非對稱現(xiàn)象。由于層狀圍巖強度表現(xiàn)為各向異性，平行層理面方向強度明顯強于垂直層理面方向強度，因而在隧道輪廓與層理面相切位置的圍巖容易產(chǎn)生較大的擠出性變形，呈現(xiàn)出較大朝向隧道洞內(nèi)方向的收斂位移。在結構受力方面，此處的軸力較小，會產(chǎn)生較大的正彎矩(內(nèi)側受拉)。

受較高的地應力擠壓作用，隧道的非對稱變形和受力很大程度上受到地應力方向的影響。當?shù)貞Ψ较蚺c層理面夾角為90°時，最大地應力直接作用于層理面受力薄弱的位置，沿層理面法線方向兩側圍巖往往產(chǎn)生較大的變形，甚至出現(xiàn)坍塌等災害。而當?shù)貞Ψ较蚺c層理面夾角為0°時，最大地應力作用方向與層理面走向一致，此時在圍巖與層理面垂直位置會產(chǎn)生因?qū)訝顜r層滑移而導致的較大變形。當?shù)貞Ψ较蚺c層理面夾角為45°左右時，由最大地應力產(chǎn)生的層理面擠壓作用和滑移作用均減弱，但此時隧道圍巖會同時承受擠壓作用和滑移作用。

綜合而言，當僅考慮層理面因素時，層理面角度由0°增加至90°的過程中，隧道圍巖的大變形位置由拱頂和拱底連續(xù)地轉移至左右拱腰； 當同時考慮層理面和地應力因素時，層理面和地應力夾角由45°減小至0°的過程中，隧道圍巖的層理面滑移破壞效應逐漸增強，層理面和地應力夾角由45°增加至90°的過程中，隧道圍巖的層理面擠壓破壞效應逐漸增強。

(a) 圍巖位移

(b) 鋼拱架應力

(c) 二次襯砌軸力

(d) 二次襯砌彎矩

Fig. 2 Curves of site monitoring data of section K48+800 of Lanjiayan Tunnel

(a) 鋼拱架應力(單位： MPa)

(b) 二次襯砌軸力(單位： kN)

(c) 二次襯砌彎矩(單位： kN·m)

Fig. 3 Site monitoring data diagrams of section K48+800 of Lanjiayan Tunnel

3 層狀隧道結構非對稱變形受力模擬

為深入研究深埋板狀千枚巖隧道非對稱變形和受力機制，使用控制變量的方法，探明在不同的層理角度(α，定義為層理面的水平夾角，如圖1所示)和地應力方向(β，定義為隧道橫斷面最大主應力的水平夾角，如圖1所示)因素影響下，隧道圍巖變形、二次襯砌軸力與彎矩的不同特征，以籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖、支護參數(shù)為基礎，采用離散元數(shù)值分析軟件UDEC進行數(shù)值模擬。

3.1 計算參數(shù)及模型

根據(jù)籃家?guī)r隧道地勘資料，結合巖石采樣測試結果，確定千枚巖巖體和節(jié)理面參數(shù)，如表2和表3所示。錨桿、初期支護、二次襯砌參數(shù)如表4和表5所示，其中錨桿長度取為8.0 m，直徑為22 mm，每排錨桿布置數(shù)量為11根。

表2 千枚巖巖體計算參數(shù)

表3 千枚巖節(jié)理面計算參數(shù)

表4 錨桿計算參數(shù)

表5初期支護、二次襯砌計算參數(shù)

Table 5 Calculation parameters of primary support and secondary lining

支護類型厚度/mm彈性模量/GPa抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa結構面法向剛度/(GPa/m)結構面切向剛度/(GPa/m)初期支護20021604055二次襯砌30028.51005055

采用UDEC建立的數(shù)值模型如圖4所示，模型尺寸為100 m×100 m。模型中錨桿采用UDEC軟件內(nèi)置的cable單元模擬； 初期支護和二次襯砌采用UDEC軟件內(nèi)置的liner單元模擬； 層狀圍巖采用UDEC軟件內(nèi)置的joint單元模擬，采用的本構模型為Mohr-Coulomb模型； 節(jié)理面間距取為1.0 m，節(jié)理面間的接觸面滿足Coulomb滑移準則。

圖4 計算模型圖

在計算模型中施加的地應力為σx、σy、σz和τxy，模型計算示意圖如圖5所示。由于籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖最大水平主應力σH的方向與隧道軸向近似平行，所以取σz=σH。σx、σy和τxy的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

圖5 計算模型施加地應力示意圖

數(shù)值計算工況如表6所示，分別考慮不同的層理角度(α=0°、22.5°、45°、67.5°、90°)和不同地應力方向(β=-45°、-22.5°、0°、22.5°、45°)。

表6 計算工況

3.2 不同層理角度對結構變形和受力的影響

在5個不同層理角度情況下，以地應力方向為控制變量，取地應力方向β=0°，且σ1=49.5 MPa、σ2=31.5 MPa、σ3=19.4 MPa，施加在模型的應力等效為σx=-31.5 MPa、σy=-19.4 MPa、σz=-49.5 MPa、τxy=0 MPa。

隧道開挖完畢并施作初期支護、二次襯砌后，圍巖在5個不同層理角度下的變形云圖如圖6所示。其中，層理角度α=0°時圍巖最大位移為141.2 mm，α=22.5°時圍巖最大位移為148.1 mm，α=45°時圍巖最大位移為163.8 mm，α=67.5°時圍巖最大位移為185.9 mm，α=90°時圍巖最大位移為180.4 mm。

(a) α=0°

(b) α=22.5°

(c) α=45°

(d) α=67.5°

(e) α=90°

Fig. 6 Nephograms of tunnel surrounding rock deformation under different stratification angles (unit： m)

由圖6可以看出： 1)當層理角度為0°、22.5°、45°、67.5°、90°時，圍巖產(chǎn)生最大變形位置依次發(fā)生在拱底(拱頂)、右拱腳、右拱腳、左拱腰、左(右)拱腰，最大變形均產(chǎn)生在層理方向與隧道輪廓相切的位置。2)變形量隨層理角度的增大而逐漸增大?？梢姡攲永斫嵌葹樗綍r，即使地應力方向與層理面平行，層理面之間的相對滑移作用也大大削弱。

3.2.2 不同層理角度下二次襯砌軸力、彎矩分析

隧道二次襯砌在5個不同層理角度下的軸力、彎矩如圖7所示?？芍?層理方向與隧道輪廓相切位置處的軸力最小，正彎矩最大； 層理方向與隧道輪廓垂直位置處的軸力最大，負彎矩也最大。在5個工況中，層理角度α=90°時，二次襯砌的軸力最大，最大軸力產(chǎn)生在拱底，為2 751 kN； 層理角度α=67.5°時，二次襯砌的彎矩最大，最大正彎矩產(chǎn)生在左拱肩，為406 kN·m，最大負彎矩產(chǎn)生在右拱肩，為-385 kN·m。

(a) 二次襯砌軸力(單位： kN)

(b) 二次襯砌彎矩(單位： kN·m)

Fig. 7 Axial force and bending moment of secondary lining under different stratification angles

3.3 不同地應力方向?qū)Y構變形和受力的影響

在5個不同地應力方向條件下，將層理角度當作控制變量，取層理角度為45°。地應力大小不變，σ1=49.5 MPa、σ2=31.5 MPa、σ3=19.4 MPa，根據(jù)不同地應力方向，施加在模型的等效應力如表7所示。

表7不同地應力方向下模型施加應力

Table 7 Stresses applied on model under different ground stress directions

地應力方向/(°)σx/MPaσy/MPaσz/MPaτxy/MPa -45 -25.5 -25.5 -49.5 6.1-22.5-29.7-21.2-49.54.30-31.5-19.4-49.5022.5-29.7-21.2-49.5-4.345-25.5-25.5-49.5-6.1

3.3.1 不同地應力方向下圍巖變形分析

隧道開挖完畢并施作初期支護、二次襯砌后，圍巖在5個不同地應力方向下的變形云圖如圖8所示。其中，層理角度β=-45°時圍巖最大位移為195.5 mm，β=22.5°時圍巖最大位移為180.2 mm，β=0°時圍巖最大位移為163.8 mm，β=22.5°時圍巖最大位移為175.4 mm，β=45°時圍巖最大位移為182.5 mm。

對比圖8中β=-45°和β=45° 2種工況可以看出： 在層理角度陡傾(α=45°)的情況下，當層理角度與地應力方向垂直時，隧道圍巖所承受的擠壓作用要強于層理角度與地應力方向平行時的滑移作用。

庫拉先生就是他們這次任務的雇主，也是孤光城里相當有威信的商人，常年來往于各個主城，還曾到過王城，得到過人族王的召見，可以說是一個上層的貴族。

結合3.2.1節(jié)可以得出，當圍巖為水平或緩傾巖層(α可近似為0°)時，無論地應力方向如何，地應力的擠壓作用都為主導作用。當圍巖為陡傾巖層時，隨著地應力方向與層理面夾角逐步增大，地應力對層理面的滑移作用減弱，擠壓作用增強。而層理角度與地應力方向夾角為45°(β=0°)時，隧道圍巖的變形最小，由此可以判斷，此時由最大地應力產(chǎn)生的層理面擠壓作用和滑移作用均減弱，隧道處于較穩(wěn)定的安全狀態(tài)。

3.3.2 不同地應力方向下二次襯砌軸力、彎矩分析

隧道二次襯砌在5個不同地應力方向下的軸力、彎矩如圖9所示。

從圖9中二次襯砌的軸力、彎矩可以看出： 層理面擠壓作用對隧道襯砌結構受力的影響較大，而層理面滑移作用對隧道襯砌結構受力影響很小。二次襯砌軸力和彎矩均在β=-45°時達到最大，最大軸力產(chǎn)生在右拱肩附近，為4 550 kN，最大正彎矩產(chǎn)生在左拱肩附近，為505 kN·m，最大負彎矩產(chǎn)生在右拱肩附近，為-716 kN·m。

結合3.2.2節(jié)可以得出，當圍巖為水平或緩傾巖層時，隧道拱頂和拱底為最不利受力位置。當圍巖為陡傾巖層時，隨著地應力方向與層理面夾角逐漸增大，隧道結構的最不利受力位置從地應力方向轉變?yōu)閷永砻娣ň€方向。

(a) β=-45°

(b) β=-22.5°

(c) β=0°

(d) β=22.5°

(e) β=45°

Fig. 8 Nephograms of tunnel surrounding rock deformation under different ground stress directions (unit: m)

3.3.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結果對比分析

對比數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結果可知： 計算工況2-4中，當層理角度α=45°、地應力方向β=22.5°時，與現(xiàn)場監(jiān)測斷面實際情況(α=57°、β=24°)最為接近。

(a) 二次襯砌軸力(單位： kN)

(b) 二次襯砌彎矩(單位： kN·m)

Fig. 9 Axial force and bending moment of secondary lining under different ground stress directions

從圍巖變形上來看，監(jiān)測斷面的最大變形產(chǎn)生在拱肩和拱腰中間位置，最大收斂值為202 mm； 工況2-4中有2處產(chǎn)生較大變形，分別為拱肩和拱腰中間位置和靠近拱底位置，最大變形分別為170.0 mm和174.5 mm。從二次襯砌軸力圖上看，監(jiān)測斷面和工況2-4軸力曲線在形態(tài)上稍有差異，監(jiān)測斷面在左拱腳和右拱肩位置產(chǎn)生較大壓力，實測最大軸力為2 908 kN； 計算結果中最大壓力產(chǎn)生在拱底和右拱肩位置，計算最大軸力為1 625 kN。從二次襯砌彎矩圖上看，監(jiān)測斷面和工況2-4彎矩曲線在形態(tài)上基本一致，均在左拱腳和右拱肩位置產(chǎn)生最大負彎矩，在左拱肩和右拱腳位置產(chǎn)生最大正彎矩，實測最大正、負彎矩分別為487、-318 kN·m，計算最大正、負彎矩分別為326、-305 kN·m。

數(shù)值模擬結果在數(shù)值上均小于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，這是因為在實際工程中隧道圍巖受到了開挖擾動的影響，而且其巖體內(nèi)部存在一定的初始應力損傷，從而導致圍巖承載力進一步下降。但數(shù)值計算結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)在變化規(guī)律上能夠較好匹配。

4 工程技術措施建議

籃家?guī)r隧道具有埋深大、地應力高、地質(zhì)構造復雜等特點，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，拱肩和拱腰往往是隧道結構變形、受力的最不利位置，結合數(shù)值模擬的計算結果，可以采取以下措施：

1)對于由層理面擠壓作用導致的隧道圍巖大變形區(qū)域，可采用壓力型錨索對層狀圍巖法線方向進行閉合加固。千枚巖層理間夾雜的弱膠結沉積物導致各個層理間近乎相互獨立，大大削弱了巖石的法向剛度。通過壓力型錨索錨固，并施加適當?shù)念A緊力，可減小弱膠結沉積物對圍巖強度的削弱作用，千枚巖層理法向剛度被極大增強，可有效防止隧道圍巖的擠壓變形。

2)而對于由層理面滑移作用導致的圍巖變形區(qū)域，除使用注漿錨桿進行注漿加固外，可增大H型鋼型號，主要增加型鋼拱架的腹板厚度，必要時可在翼緣板上焊接加筋板，防止鋼拱架側向失穩(wěn)。

3)對于存在二次襯砌軸力、彎矩不利位置的隧道斷面，可適當增大該斷面區(qū)域范圍內(nèi)二次襯砌厚度，并延遲二次襯砌施作時間，待隧道圍巖變形收斂后再施作二次襯砌，防止二次襯砌開裂、破壞，以保證隧道的安全運營。

5 結論與建議

通過對籃家?guī)r隧道K48+800斷面現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到了層狀圍巖中隧道和支護結構變形和受力的特征，在此基礎上結合數(shù)值計算研究了不同層理角度和地應力方向?qū)鷰r變形和支護結構受力的影響，得到以下結論：

1)籃家?guī)r隧道K48+800斷面拱肩和拱腰位置產(chǎn)生較大的擠出變形，鋼拱架的右拱腰、右拱肩、左拱腳和左拱腰位置產(chǎn)生較大應力，二次襯砌的左拱肩和右拱肩位置為最不利位置。

2)層狀圍巖隧道變形和支護結構受力的非對稱性受層理角度和地應力方向的共同影響。當圍巖為水平或緩傾巖層(α近似為0°)時，無論地應力方向如何，地應力的擠壓作用都為主導作用，隧道拱頂和拱底將產(chǎn)生較大的擠出變形。

3)當圍巖為陡傾巖層時，地應力方向與層理面夾角從90°減小至0°的過程中，地應力對層理面的作用由擠壓作用轉變?yōu)榛谱饔?，隧道結構產(chǎn)生較大變形、內(nèi)力的位置也從襯砌的180°-α(層理面法線方向)位置轉移至β(地應力方向)位置。其中，地應力方向和層理面夾角為45°時，隧道圍巖和支護結構處于相對穩(wěn)定的安全狀態(tài)。

4)針對層狀圍巖隧道所遇到的非對稱變形和受力問題，可對支護結構進行非對稱設計，在最不利位置施作壓力型錨索或局部加強支護，從而避免斷面局部變形受力過大而影響整個支護結構的安全性。

本文針對高地應力層狀圍巖隧道建立了二維數(shù)值模型，主要以層理角度和地應力方向為研究重點，未考慮隧道縱向開挖方式、圍巖在高地應力下流變效應等因素的影響，在后續(xù)研究中可以綜合考慮隧道縱向空間、時間等影響因素，進一步完善數(shù)值計算。