地層傾角對淺埋偏壓隧道拱頂沉降的影響研究

徐同啟,嚴松宏,王鳳菲,程劍春

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 2.中交第三航務工程局有限公司寧波分公司,寧波 315200)

引言

隨著我國鐵路建設的全面發展，西南的鐵路網愈漸密集延展，而西南多山嶺，地貌險要，地質多樣，穿越傾斜地層的淺埋偏壓隧道時常出現。雖然偏壓隧道往往是因地形地貌，地質構造，施工不合理這3個因素引起不對稱圍巖壓力導致支護結構受力差異過大，但目前許多學者主要偏重在地面坡度引起偏壓問題的研究[1-10]，而關于地層間接觸，地層傾角走向，地層完整程度等地質方面的影響研究頗少。

在對隧道的研究中，數值模擬憑借方便快捷、可多次重復、尺寸限制小等特點，在隧道施工力學分析中得到廣泛應用，為隧道圍巖和支護結構的變形提供可靠預測[11]。宋戰平等[12]將巖體視為一種各向同性的彈性材料，對小墁坪隧道進行數值模擬；肖啟山等[13]將巖體視為均質的彈塑性整體結構，取3組邊坡坡度進行數值模擬，對淺埋偏壓隧道穩定性進行評價；裴曉彤等[14]在建模時假設各地層等間距且具有相同物理力學參數，并加入了層面接觸；董志明等[15]依照地表線，建立與之平行的多層巖體模型，研究了軟弱結構面對隧道施工的影響；賈蓬等[16]通過多組平行結構面將巖體等距劃分地層并改變結構面角度進行模擬，發現地層傾角越大，隧道底部受力越小，側邊墻受力越大；譚鑫等[17]在各向異性彈塑性材料模擬板巖的基礎上加入層理結構，發現圍巖松動區與層理角度有較大關系。

綜上所述，目前借助數值模擬進行隧道施工力學分析的研究較多，但在數值模型中考慮地層傾角的文獻則較少。現有研究一方面直接把圍巖視為一個均質整體，使各巖層具有相同力學參數，忽略了地層傾角，另一方面只強調地形坡度的影響，把各地層簡化為與地形平行，或改變部分地層角度，使得各地層產狀基本一致，以上方法在隧道上部巖層參數相差不大時可達到精度要求，但當差異明顯時，模擬結果將造成一定偏差。

以重慶市黔江區蒲草溝Ⅴ級淺埋偏壓隧道為工程依托，結合現場地質構造情況和施工操作水平，通過FLAC3D有限差分軟件建立淺埋偏壓隧道數值模型，對施工過程進行模擬。結合現場實測值，分析了地層傾角與隧道拱頂沉降的關系，以證在隧道數值模擬中，地層傾角不能輕易簡化。

1 模型建立

1.1 工程概況

蒲草溝隧道位于重慶市黔江區蒲草溝村，穿越坡度約20°的小山坡。隧道起止里程為DK6+682～DK6+980，全長298 m，最大埋深約30 m，設計速度120 km/h，為雙線鐵路隧道，橫斷面如圖1所示。隧區位于揚子地臺鄂黔臺褶帶，以斜歪褶皺為主，地質勘探為Ⅴ級軟弱圍巖，帶內地層傾向南西，走向大致與隧道軸向平行，故在下文計算模型中，X-Y面上地層的傾角可約等于地層傾角。各地層巖性分述如下：(1)粉質黏土層，淺黃色，土質不均，夾大量土礫石，地表分布廣泛，厚約1.4 m，σ0=120 kPa，為Ⅱ級普通土。(2)礫巖夾砂巖分化層，厚約5 m，節理裂隙不發育，σ0=350 kPa。(3)礫巖夾砂巖地層，巨厚層狀構造，產狀為205°∠8°，σ0=600 kPa，整條隧道均位于該層。礫巖，成青灰色和黑灰色，顆粒成分以灰巖為主，局部夾有少量砂巖，礫狀結構。砂巖，紫紅色，礦物成分為石英和長石，泥鈣質膠結，粉砂質結構。隧道為鉆爆法施工，采用三臺階臨時仰拱法分步開挖，噴錨支護，復合式襯砌，現場施工情況見圖2。

圖1 隧道設計斷面(單位：cm)

圖2 現場施工情況

1.2 三維模型

取隧道洞口段48 m內的施工過程為研究對象，建立三維淺埋偏壓隧道數值模型，模型如圖3所示。水平(x)方向左右邊界取隧道外輪廓線向外4倍洞徑，豎直(y)方向取隧道上方的山坡表面到隧道底下2倍洞徑為計算范圍，縱向(z)方向取80 m，即模型尺寸為117 m×(42.71～85.29) m×80 m，共劃分為369 500個單元和381 174個節點。模型左右邊界加以水平位移約束，頂部為自由面，底部為豎向位移約束，前后施加縱向位移約束。需說明的是，縱向網格劃分長度最好要為各分步循環進尺的最小基數，本文為0.8 m。

圖3 隧道計算模型

1.3 計算參數

根據圍巖特征選定基于Mohr-Coulomb強度準則的本構模型，由地層自重形成初始地應力場，考慮風化層與礫巖夾砂巖層接觸關系，其接觸面采用Mohr-Coulomb剪切本構模型，且接觸面建立在礫巖夾砂巖層上。超前支護采用Shell單元，初期支護和臨時支護采用Elastic本構模型，錨桿用提高加固區的圍巖參數進行模擬。圍巖和支護材料的主要物理參數是基于《蒲草溝隧道施工設計說明》及相關資料與試驗綜合考慮確定，各地層力學參數相差較大，如表1所示。

表1 圍巖及各種支護參數

1.4 計算過程

整個計算過程與現場施工一致，上臺階前3.2 m開挖支護完成后，才開始對中臺階進行爆破開挖，當中臺階施工完成了3.2 m時，也開始對下臺階進行施工，一個開挖步(即一次爆破開挖與初期支護)對應的時間為1 d。隧道整個斷面的施工步序如圖4所示：(1)超前支護2.4 m；(2)上臺階開挖進尺0.8 m，中臺階左開挖進尺1.6 m，下臺階右開挖1.6 m；(3)施作上、中左、下右臺階初期支護與上臺階臨時仰拱；(4)上臺階開挖進尺0.8 m，中臺階右開挖進尺1.6 m，下臺階左開挖進尺1.6 m；(5)施作上、中右、下左臺階初期支護與上、中、下臺階臨時仰拱；(6)當下臺階開挖到41.6 m時，進行仰拱開挖。

圖4 施工步序

2 拱頂沉降對比與分析

由于篇幅所限，只針對DK6+684， DK6+689，DK6+693監測斷面的拱頂沉降進行分析。現場監控量測儀器為Leica全站儀TS50，標稱精度測距(0.6 mm+2 ppm)。3個斷面拱頂沉降的模擬計算值與實測值曲線對比如圖5所示。

圖5 隧道拱頂沉降實測值與模擬計算值對比曲線

由圖5可知，模擬前期與實際值偏差略大，主要原因有以下兩點。(1)模擬是假定在施工以前就完成測點的埋設，在開挖影響范圍內的點都會有沉降記錄，而現場是在初期支護之后才完成測點埋設，在布置測點并進行觀測時，測點處已經發生過觀測不到的位移，即二者的起點不同，后者滯后。(2)圍巖應力重分布是個復雜的過程，而模擬中把圍巖近似于人工填土的機械疊加，沒有把應力重分布的特征模擬出來。圖中DK6+684斷面在開挖后一段時間出現拱頂上抬是因為施工初期，一些施工參數如炸藥量等都不夠合適，欠挖嚴重，多次爆破又造成較大超挖，對巖體擾動較大，山體的應力調整也很劇烈，擠壓初支，初支與圍巖間沒有完全貼合，從而造成拱頂上抬。

觀察圖5可知，無論是實測曲線還是模擬曲線，其掌子面處的變化幅度和最終穩定曲率都有變大的趨勢。這說明隨著開挖的深入圍巖在變軟弱，相應的支護也應逐漸加強或者往后的開挖進尺再適當調小。隧道拱頂沉降在經過監測斷面約20個循環后趨于穩定，說明該里程處的圍巖應力已經重新達到平衡狀態，之后的位移發展走向與數值模擬基本吻合，證明了模型的可靠性。

為進一步驗證所建數值模型的可靠性，提取圖5中的拱頂沉降的實測值與數值模擬計算值進行分析，見表2。

表2 拱頂沉降實測值與模擬計算值對照

由表2可知，所構建的數值模型應用到在建隧道工程拱頂沉降量預測中，平均差值為0.773 mm，最大差值僅為0.87 mm。需要說明的是，計算模型考慮理想狀態下的數值模擬，而實際施工監測過程中受到各種因素的影響(如超欠挖、測量誤差、工序干擾等)，使得計算結果和量測結果并非完全吻合，但其沉降規律是一致的，而且誤差較小，由此可以說明數值模型是可靠的。

3 地層傾角對隧道拱頂沉降的影響

地層傾角會對隧道穩定性產生影響[18-19]，采用前文給出的模型，保持模型左邊界的礫巖夾砂巖上界面埋深不變，改變礫巖夾砂巖層傾角來對隧道施工進行數值模擬，為方便找尋規律，以實際地層角度8°為量綱，分別對礫巖夾砂巖層傾角為0°，8°，16°的工況進行模擬，又因為現場地形坡度為20°，考慮到建模中常見的均質一體和地層產狀一致的情況，又添加了20°的工況。為了降低邊界效應，取距洞口11 m斷面為觀察面，即DK6+693斷面，模擬拱頂沉降，如圖6所示。

圖6 不同地層傾角拱頂沉降曲線

圖6(a)中曲線代表不同的礫巖夾砂巖層傾角情況下，DK6+693斷面隨著隧道開挖的拱頂沉降，圖6(a)表明，礫巖夾砂巖層傾角越大，其視厚度越大，拱頂沉降也越大；隨著傾角變大，其開挖面處的位移變化也越來越劇烈，說明隧道結構受力也在變大。由6(b)可以發現，拱頂沉降與地層傾角的關系大致呈線性正相關，并且隨著傾角變大，拱頂沉降有加速增長的趨勢。提取數據進一步分析得表3。

表3 不同地層傾角情況下拱頂沉降

由表3可知，與實際工況相比，在假設礫巖夾砂巖層傾角與地形一致的工況下(即20°)，相對誤差有16.4%，在把地層簡化為水平的工況下(即0°)，相對誤差為11.19%，可見，在隧道上部地層間參數相差較大時，地層傾角對隧道拱頂沉降有較大影響。

4 結論

(1)本隧道圍巖應力重分布完成需要20個開挖步的時間，現場量測和數值模擬結果也是在圍巖壓力穩定后愈發貼合，且拱頂穩定沉降值的最大差值僅為0.87 mm，證實所建模型參數的可靠性，同時也說明將構建的三維數值模型應用到在建隧道工程的拱頂沉降預測中是可行的。

(2)在可靠模型的基礎上對礫巖夾砂巖層傾角進行研究，設定礫巖夾砂巖層傾角為0°，8°，16°，20°四種工況進行模擬計算，發現隨著角度增大，拱頂沉降呈斜率加速增加趨勢的線性增長，傾角為20°工況的拱頂沉降最大，為3.11 mm，屬最危險工況，且與8°實際工況相差達16.4%。由此可知，在礫巖夾砂巖層傾角變大的情況下，也應提高隧道結構的強度，地層傾角對隧道拱頂沉降的影響不可忽視，在建模時不應輕易簡化地層傾角。