復理石地層公路隧道圍巖穩定性研究

鄭君長，萬 飛，安亞雄，任一凡

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011； 2.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

1 概述

復理石是一種特殊的海相沉積巖，具多次重復性韻律層理。巖石類型中泥巖、頁巖力學強度低，砂巖力學強度相對較高，構造節理、裂隙發育，砂巖、泥巖、頁巖的重復性排列形式導致復理石巖體的穩定性較差，隧道在開挖時容易發生大變形與塌方現象。

目前國內外在復理石地層中修建隧道的工程實踐較少，針對復理石地層隧道設計與施工技術研究成果鮮見。由復理石地層巖體結構可以看出，復理石地層隧道可以借鑒軟硬互層地層和層狀巖體隧道穩定性分析方面研究成果。趙大洲[1]建立了砂巖與板巖互層巖體的本構模型，研究了互層巖體隧道圍巖的力學特性。任松[2]采用ANSYS非線性接觸分析方法，對重慶四面山隧道砂泥巖互層段進行圍巖穩定分析。陳紅軍[3]結合鴨江隧道工程進行了傾斜軟硬互層隧道破壞過程的模型試驗。王志杰[4]研究了土砂互層地層層厚比對圍巖穩定性的影響規律。常偉[5]將水平砂巖泥巖互層巖體等效為正交各向異性，分析了隧道圍巖變形和支護結構應力的分布特征。邵遠揚[6]研究了在不同傾角、不同厚度、不同節理組數條件下層狀巖體的隧道圍巖穩定性及破壞模式。

黑山共和國南北高速公路北部段(19 km)隧道工程均處于復理石地層中，隧道支護結構與施工方案設計缺乏技術支撐與依據，隧道支護結構與施工安全面臨較大的風險。因此，本文采用數值分析手段，建立能夠反映復理石地層巖石重復性組合層狀結構的隧道工程模型，采用強度折減法[7]分析復理石地層隧道圍巖的穩定性。

2 工程概況

黑山南北高速公路項目位于歐洲巴爾干半島的中北部的黑山共和國，該項目為雙向四車道(局部雙向六車道)高速公路，設計標準為歐標，時速100 km，全長約182 km，其中包含現有公路約10 km，其余為完全新建的道路。根據黑山政府的規劃，Smokovac-Matesevo段將先行建設，該項目路線全長40.872 km。Smokovac-Matesevo段共設隧道10座，隧道為左右線分離式隧道，左右線隧道間距離為20～30 m，隧道總長18.171 km，隧道采用復合式襯砌，內襯半徑4.95 m，設計開挖半徑5.50～5.77 m(Ⅲ～Ⅴ級)，采用兩臺階法開挖。

項目施工區域位于黑山北部山區地帶，線路區巖性主要分為灰巖區和復理石區，以里程K22分界，線路南部22 km為灰巖區，北部19 km為復理石區。復理石地層巖石呈層片狀，以砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖互層為主(見圖1)，互層層厚一般為0.05～0.4 m，圍巖平均強度 25 MPa，最高50 MPa，節理發育，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比 89%，隧道開挖時容易出現塌方。

圖1 復理石地層隧道掌子面

3 分析方案

復理石地層是砂巖與泥巖巖石的集合體，數值計算模型中的地層應分別具有砂巖和泥巖巖石的力學特性和層狀巖體的產狀特征。

采用有限元法對層狀巖體節理面進行模擬時通常有兩種方式，分別為按照連續介質力學原理的軟弱夾層模擬方式和按照不連續介質力學原理的無厚度接觸單元模擬方式。根據以往的研究表明，只要采用的節理面強度一致，上述兩種模擬方式計算結果十分相近，兩種模式都可以用來模擬層狀巖體。因此，可按照連續介質力學原理，采用實體單位模擬復理石地層中砂巖與泥巖巖石。

影響復理石地層隧道變形破壞特征的主要地質因素為互層層厚、走向和傾角。已有研究成果表明，層狀巖體走向與隧道軸向夾角越大圍巖越穩定，層狀巖體走向與隧道軸向平行時，圍巖的總位移最大且圍巖位移分布和發展規律與其他巖層走向時相同(走向與隧道軸向夾角<90°)[1]。因此，數值計算模型中取巖層走向與隧道軸向的最不利組合關系，即夾角為0°(平行)，數值計算模型可不考慮巖層走向變化的影響。

結合以上分析結果，并假定隧道在全斷面開挖完成后才會發生破壞，同時支護結構失去支撐作用，數值計算模型采用平面應變模型，隧道輪廓形式為三心圓兩車道，隧道施工狀態為全開斷面毛洞狀態，采用有限元強度折減法，分析復理石地層互層層厚和傾角不同時，隧道洞周圍巖的變形發展規律、圍巖破壞過程及破壞時變形分布規律。

3.1 計算參數

《構造地質學》[8]給出了砂巖與泥巖的物理力學參數，其中砂巖和泥巖兩種巖石的彈性模量、泊松比及粘聚力差別不大，摩擦角差別較大。因此，考慮構造節理、風化裂隙的影響，計算模型中砂巖與泥巖巖層的彈性模量均為5 GPa，泊松比均為0.3，重度均為24 kN/m3，粘聚力分別取0.4、1 MPa，摩擦角分別取40°、25°。

有限元強度折減法引入的強度折減系數可以表征沉積巖石受到構造、風化等作用導致的巖石力學參數降低效果，并在一定程度上反映隧道圍巖等級變化的趨勢。本數值計算模型中圍巖強度折減對象應為泥巖與砂巖巖石的抗剪強度參數，并認為泥巖與砂巖受到地質構造、風化作用后的損傷程度相同，泥巖與砂巖巖石采用相同的折減系數。

3.2 計算工況

計算工況中巖層傾角分為0°、30°、45°、60°、90°共5組方案，互層層厚分為泥巖和砂巖巖層厚度均為5、10、25、40 cm共4組方案，折減系數不斷增大直至圍巖發生失穩。其中，以互層厚度均為0.4 m計算分析互層巖體傾角模型，以巖層傾角0°計算分析互層巖體層厚模型。計算工況詳見表1。

表1 計算工況Table1 Calculationcases工況圍巖層厚比層厚/cm傾角/(°)10.4020.430互層巖體傾角模型3泥巖∶砂巖1∶10.44540.46050.490互層巖體層厚模型10.0502泥巖∶砂巖1∶10.1030.25040.40

3.3 計算模型

隧道埋深為60 m，模型上表面自由，兩側為水平約束，縱向兩端為縱向水平約束，底面為垂直約束。豎直向上為Z軸正向，隧道橫斷面向右方向為X軸正向。圍巖采用實體單元、Morh-Coulomb理想彈塑性材料模擬，開挖單元采用Null Model模擬。

互層巖體傾角模型左右邊界距隧道中心線距離約為5倍洞徑，底部邊界距隧道底部的距離按4倍隧道高度，互層巖體傾角模型長×高=120 m×120 m。為減少互層巖體層厚模型網格數量以提高計算速度，將模型四周邊界范圍的網格進行加強，模型計算范圍的左右邊界距隧道中心線距離約為4倍洞徑，底部邊界距隧道底部的距離按3倍隧道高度考慮，互層巖體層厚模型長×高=90 m×105 m，其中0.4、0.25、0.1、0.05 m層厚模型單元數分別為8 729、21 638、134 796、341 884個。互層巖體傾角模型網格如圖2所示。

圖2 互層巖體傾角模型網格

4 不同巖層傾角時圍巖變形破壞特征

為分析隧道圍巖的穩定性，以隧道開挖后圍巖的剪切應變和拉應變分析圍巖破壞過程，提取各折減系數時隧道洞周監測點的位移，繪制不同巖層傾角條件下各折減系數時的監測點位移曲線，分析不同巖層傾角隧道圍巖變形發展規律和破壞時變形分布規律。隧道洞周關鍵位置監測點如圖3所示。

圖3 隧道洞周監測點布置

4.1 圍巖變形發展規律分析

不同折減系數各巖層傾角隧道圍巖總位移最大值見表2。

表2 圍巖總位移最大值Table2 Maximumdisplacementofsurroundingrock折減系數總位移/mm0°30°45°60°90°1.57.37.57.67.06.62.016.419.818.215.613.22.327.034.732.329.724.02.540.449.948.253.62.662.161.562.279.82.7414.084.579.1失穩2.8失穩369.3393.4失穩2.9失穩 失穩

由表2看出：

a.巖層傾角不同時隧道安全系數的變化范圍為2.4～2.8，其中巖層傾角30°和45°時安全系數最大為2.8，巖層傾角90°時安全系數最小為2.4。

b.組成互層巖體的巖石力學參數較好(折減系數1.5～2.3)，隧道圍巖不出現失穩時，巖層傾角30°的隧道圍巖總位移最大，巖層傾角90°的隧道圍巖總位移最小。

c.組成互層巖體的巖石力學參數較差時(折減系數2.5～2.9)，巖層傾角≥60°的隧道圍巖將更容易失穩。如折減系數2.5時，傾角90°隧道圍巖失穩，傾角≤60°的隧道圍巖穩定；折減系數2.7時，傾角60°隧道圍巖失穩，傾角≤45°的隧道圍巖穩定。

4.2 圍巖破壞過程分析

以最大剪切應變、拉應變大于0.2為剪切破壞閾值，即認為當切應變、拉應變大于0.2時材料發生了剪切滑裂、拉裂破壞[9]。計算得到不同巖層傾角隧道圍巖破壞過程如表3所示。

表3 隧道圍巖破壞過程

由表4看出：

a.巖層傾角0°的隧道破壞過程為隧道兩側墻腳首先出現破壞，然后隧道兩側拱腳～拱腰部位出現破壞，最后隧道墻腳～拱頂部位破壞水平向外擴展。

b.巖層傾角30°與45°的隧道破壞過程較為相似，為巖層與隧道開挖輪廓線相切部位，即隧道左側墻腳和拱頂(順巖層側)首先出現破壞，然后隧道右側墻腳～右側拱腳(逆巖層側)出現破壞，最后左側墻腳～右側拱腰(順巖層側)沿平行層面方向破壞向外擴展，右側墻腳～右側拱腳范圍(逆巖層側)沿平行層面方向破壞向外擴展，但破壞深度明顯小于順巖層側。

c.巖層傾角60°的隧道破壞過程為巖層與隧道開挖輪廓線相切部位，即隧道左側拱腳和右側拱腰(順巖層側)首先出現破壞，然后從這兩個部位破壞范圍和深度不斷擴大，最終左側墻腳～右側拱腰(順巖層側)和右側拱腰～右側墻腳(逆巖層側)均發生破壞，并且順巖層側的破壞深度更大。

d.巖層傾角90°的隧道破壞過程為隧道兩側墻腳(逆巖層側)首先出現破壞，然后隧道拱頂部位(順巖層側)出現破壞，最終左側拱腳～右側拱腳(順巖層側)破壞豎向向外擴展，兩側拱腳～墻腳(逆巖層側)破壞向外擴展。

4.3 圍巖破壞變形分布規律分析

圖4為巖層傾角0°～90°數值模型在隧道圍巖失穩時(強度折減系數分別為：2.8、2.9、2.7、2.7、2.5)的總位移云圖。

圖4 隧道圍巖變形云圖

由圖4看出，隧道圍巖變形主要集中在開挖輪廓與順巖層面大角度相交的范圍，0°傾角時為兩側拱腰～邊墻部位、30°傾角時為左拱腰～左邊墻部位、45°傾角時為左拱頂～左拱腳部位、60°傾角時為左拱頂～左拱腳部位、90°傾角時為左拱腰～右拱腰部位；開挖輪廓與巖體層面小角度相交及逆巖層面范圍的圍巖位移較小。

將隧道失穩時洞周監測點總位移量進行歸一化處理(各傾角監測點位移量/各傾角最大位移量)，歸一化后的總位移量數值稱作變形比(0.1～1.0)，繪制不同巖層傾角時各監測點變形比分布曲線如圖5所示。

圖5 監測點位移分布曲線

由圖5看出：

a.不同互層巖體傾角隧道洞周各位置圍巖位移相差較大。巖層傾角0°～90°條件下，各監測點的最小變形比分別為0.68、0.54、0.41、0.43、0.68，分別出現在拱頂、右邊墻、右邊墻、右邊墻、右邊墻。

b.除0°和90°傾角外，隧道洞周對稱位置的左側變形量明顯大于右側。如30°傾角時，左拱腰變形比為0.98，右拱腰變形比為0.64；45°傾角時，左拱腰變形比為1.0，右拱腰變形比為0.59；60°傾角時，左拱腰變形比為1.0，右拱腰變形比為0.82。

c.隨著巖層變陡(傾角增大)，隧道洞周圍巖最大變形位置將由邊墻向拱頂逐漸轉移。巖層傾角由0°～90°變化時，分別是邊墻、左拱腳、左拱腰、左拱腰、拱頂等監測點位移量最大。

5 互層層厚對圍巖變形破壞特征影響

因前文已分析巖層傾角0°、互層層厚0.4 m時的圍巖變形發展規律、圍巖破壞過程、圍巖破壞變形分布規律，因此僅需分析互層層厚改變引起的圍巖變形發展規律、圍巖破壞過程、圍巖破壞變形分布規律變化情況。由互層層厚模型計算結果看出，不同的互層層厚不影響隧道圍巖破壞過程，此處僅分析互層層厚對隧道圍巖變形發展規律和圍巖破壞變形分布規律的影響。

5.1 對圍巖變形發展規律影響分析

不同折減系數各互層層厚隧道圍巖總位移見表4。

表4 圍巖總位移最大值Table4 Maximumdisplacementofsurroundingrock折減系數總位移/mm0.050.10.250.42.09.28.98.48.12.314.714.313.613.02.520.319.719.218.22.737.135.829.827.52.891.168.643.22.9失穩 110.961.53.0失穩 失穩 129.93.1失穩

由表4看出：

a.圍巖安全系數隨互層層厚不斷增大，安全系數的變化范圍2.7～3.0，并且安全系數對應的隧道圍巖位移值也不斷增大。層厚0.05時安全系數最小為2.7，對應的圍巖位移量37.1 mm；層厚0.4時安全系數最大為3.0，對應的圍巖位移量129.9 mm。

b.組成互層圍巖的巖石力學參數較好(折減系數2.0～2.7)，隧道圍巖不出現失穩時，互層層厚越小，隧道圍巖變形量越大。組成互層圍巖的巖石力學參數較差時(折減系數2.8～3.0)，互層層厚較小的隧道圍巖將更容易失穩。如折減系數2.8時，0.05 m層厚互層巖體失穩，層厚≥0.1 m的互層巖體穩定；折減系數2.9時，0.1 m層厚互層巖體失穩，層厚≥0.25 m的互層巖體穩定；折減系數3.0時，0.25 m層厚互層巖體失穩，層厚≥0.4 m的互層巖體穩定。

綜上所述，在互層巖層的巖石力學參數可以保證隧道圍巖穩定時(折減系數2.0～2.7)，互層層厚越小隧道圍巖變形量越大，但互層層厚越小的隧道安全系數更小(隧道失穩時的互層巖層的巖石力學參數更小)，且隧道發生失穩時的位移越小。

5.2 對圍巖破壞變形分布規律影響分析

將隧道失穩時洞周監測點總位移量進行歸一化處理(各互層層厚監測點位移量/各互層層厚最大位移量)，繪制不同互層層厚的各監測點變形比分布曲線如圖6所示。

圖6 監測點位移分布曲線

由圖6看出：

a.不同互層層厚隧道洞周圍巖變形分布形狀差別不大，均為拱頂和兩側墻腳處最小(不同部位變形比接近)、兩側邊墻處最大。

b.互層層厚越大，隧道洞周圍巖變形分布越均勻。互層層厚由0.05 m增大至0.4 m，隧道洞周各監測點變形比相差越小，0.05 m時全部監測點的變形比平均值為0.86，0.4 m時全部監測點的變形比平均值為0.94。

6 結論

通過采用數值計算方法分析復理石地層隧道圍巖的穩定性，得到如下主要結論：

a.當互層巖體隧道圍巖巖石力學參數較好，隧道圍巖不出現失穩時，復理石地層巖層傾角≥60°的隧道圍巖位移更小，巖層傾角≤45°的隧道圍巖位移相對較大；當圍巖巖石力學參數較差時，復理石地層巖層傾角≥60°的隧道圍巖更容易失穩，巖層傾角90°的隧道圍巖安全系數最小為2.4。巖層傾角≤45°的隧道圍巖相對更穩定，巖層傾角30°和45°的隧道圍巖安全系數最大為2.8。

b.巖層傾角由0°～90°變化時，隧道圍巖最大變形位置將由邊墻向拱頂逐漸轉移，隧道圍巖發生破壞部位、破壞發展順序和破壞深度發生改變，隧道圍巖變形主要集中在開挖輪廓與順巖層面大角度相交的范圍，開挖輪廓與巖體層面小角度相交及逆巖層面范圍的圍巖位移較小。除0°和90°傾角外，隧道洞周對稱位置順巖層側變形量明顯大于逆巖層側，如45°傾角時，左拱腰變形比為1.0，右拱腰變形比為0.59。

c.當互層巖體隧道圍巖巖石力學參數可以保證隧道圍巖穩定時，互層層厚越小隧道圍巖變形量越大。但當圍巖巖石力學參數變差，互層層厚越小的隧道圍巖將更容易失穩，且隧道出現失穩時的位移越小。

d.不同互層層厚隧道洞周圍巖變形分布特征變化不大，層厚越大的隧道洞周圍巖變形量差別越小，0.05～0.4 m厚度時表征變形分布特征的監測點變形比平均值由0.86增大至0.94。