跨不同傾角軟弱層隧道圍巖變形規律

康海波， 李俊暉， 趙剛應， 熊維林， 萬志強

(1.四川公路橋梁建設集團有限公司公路隧道分公司， 成都 610200； 2.西南交通大學土木工程學院， 成都 610031； 3.西南交通大學地球科學與環境工程學院， 成都 610031)

西部山區構造活動強烈，地質條件復雜，山體中普遍存在斷層破碎帶或軟弱夾層帶等力學性能差的軟弱地層。隧道等地下工程在施工過程中穿過此類地層時，其圍巖變形和支護結構受力規律會受很大的影響。一旦處理不當，可能會誘發塌方、支護結構破壞等災害。早在1970年，Proctor等[1]就對實際工程中遇到的塞拉瑪德雷斷層帶進行了研究，后來Süleyman[2]研究了Tuzla隧道在施工掘進過程中穿越斷層破碎帶時適宜的開挖工法。斷層帶或軟弱夾層由于地質特殊，對隧道的穩定性起著決定性作用，是一個值得深入探討的問題。

為研究斷層帶或軟弱夾層對隧道穩定性的影響規律，學者們利用現場實測、室內模型實驗以及數值模擬的研究手段，將現場實測數據、模型試驗結果與數值模擬結果進行對比并借助數值模擬深入分析。Jeon等[3]研究了斷層到隧道距離的大小對圍巖變形和塑性區范圍的影響；之后劉志春等[4]、雷軍等[5]綜合分析了隧道施工的現場監測數據；部分學者針對含軟弱夾層的隧道分析了圍巖的變形、穩定性、系統強度等[6-8]?？岛２ǖ萚9]基于數值模擬與現場監測結果，對隧道開挖穿越煤層和斷層時的圍巖變形進行研究，得出了圍巖不同位置的變形規律。黃海濤等[10]對隧道穿越采空區進行實際工程項目的監測，發現不同施工階段下隧道圍巖的變形受力規律，研究成果對預測不良地質段隧道圍巖變形、改善圍巖穩定性以及支護結構受力等具有重要參考價值。另一方面，梁為民等[11]認為含軟弱夾層的隧道在爆破施工過程中應根據地質條件及時調整爆破參數，梁波等[12]通過數值模擬,研究特大斷面隧道地震與軟弱夾層寬度、傾角的關系,分析襯砌地震響應規律,確定抗震薄弱位置及抗震設防范圍，Kun等[13]建議含軟弱夾層的隧道在建成后應當適時監測以保證地面建筑物的安全性。也有學者考慮了軟弱夾層傾角對圍巖穩定性的影響規律，揭示了軟弱夾層的存在將影響最大主應力的分布規律，并且深入分析了圍巖變形特性及控制效果，建立了該類隧道圍巖變形分級控制量化指標[14-15]。近年來，學者們還研究了軟弱夾層位置、厚度、數目等參數對隧道洞口邊坡穩定性以及圍巖松動和破壞區范圍的影響，研究成果不僅為理論研究提供了有意義的借鑒價值，同時也為實際工程實踐積累了豐富經驗[16-20]。王玉和等[21]利用相似材料模擬和理論分析相結合的方法，得出了含軟弱夾層巷道圍巖穩定控制機理,并通過現場實測進行驗證。理論方面，Zhou等[22]基于可靠分析和敏感性分析，對隧道掌子面的穩定性開展了研究，得出了導致最大故障概率的軟弱層的臨界位置。隧道含軟弱夾層時，圍巖穩定系統脆弱，影響因素眾多，除了軟弱夾層本身的影響因素以外，學者們還更加深入的討論了爆破荷載、地震等對含軟弱夾層隧道圍巖穩定性和變形破壞，以及軟弱夾層對光面爆破的影響[23-24]，結論對隧道施工有重要的指導意義。

上述研究較為系統地探討了軟弱夾層對隧道穩定性的影響，促進了研究軟弱夾層對隧道影響的發展。需要指出的是，現有研究大都基于傾向為90°(與隧道走向平行)的軟弱夾層或斷層破碎帶，研究圍巖變形和支護結構受力等。對于隧道穿越傾向為0°(與隧道走向垂直)的軟弱夾層的研究較少涉及。為完善隧道開挖變形受軟弱層影響規律的研究，對基于傾向為0°的軟弱層，開展不同傾角對隧道穩定性影響的研究十分必要。故現基于相似模型試驗和數值模擬，以隧道穿越傾向為0°不同傾角軟弱夾層的地質模型為研究對象，開展了不同形態的軟弱夾層對隧道圍巖變形規律的研究。首先，采用相似模型試驗研究通過改變軟弱夾層傾角分析隧道圍巖變形的變化規律。然后，基于FLAC3D平臺更加深入地分析軟弱夾層傾角改變對隧道穩定性的影響。并將數值模擬結果與模型試驗結果對比分析，找出此類隧道圍巖變形規律。結論可為類似工程案例以及理論研究提供參考。

1 模型試驗

1.1 相似關系確定

本次實驗模擬的隧道實際開挖跨度約為12.78 m，開挖高度約為10.13 m，但是由于試驗箱體的尺寸為150 cm×90 cm×135 cm(長×寬×高)。因此本試驗擬采用1/45的幾何相似比和1/1的容重相似比為基礎相似比，根據相似理論[25-26]推得泊松比、應變、內摩擦角、強度、應力、黏聚力、彈性模量等相似比，通過在彈性范圍內實現各物理力學參數的全相似性，根據相似準則推得各物理力學參數原型值與模型值的相似比如表1所示。

表1 土體各物理量相似比關系

1.2 試驗模型材料確定

由隧道施工設計資料可知，軟弱層為Ⅴ級圍巖，不含軟弱層的正常段圍巖為Ⅳ圍巖，現根據規范[27](《公路隧道設計規范》，2004)Ⅳ級圍巖物理力學指標上限作為Ⅳ級正常段圍巖相似材料的目標參數，Ⅴ級圍巖物理力學指標下限作為Ⅴ級軟弱層圍巖相似材料的目標參數，最終根據不同力學參數的相似比，確定模型試驗軟弱層圍巖相似材料和正常圍巖相似材料力學參數，如表2所示。

模擬Ⅳ級圍巖與Ⅴ級軟弱層的相似材料如表3所示。其中以河砂、粉煤灰與機油配比(質量比)分別為1∶0.25∶0.245和1∶0.028∶0.028分別命名黑土和灰土。隧道施工采用C20混凝土進行初期支護噴射，以水和石膏按照1∶1.04的配比來模擬初期支護噴射的混凝土，且采用人工配制的C20混凝土物理力學參數基本滿足相似關系，力學參數如表4所示。

表2 試驗用土物理參數

表3 圍巖相似材料參數

表4 噴射混凝土參數

1.3 試驗裝置與方案

1.3.1 試驗裝置

試驗模型箱長150 cm、寬90 cm、高135 cm，模型試驗箱外部如圖1(a)所示，模型箱內部如圖1(b)所示，左右兩側各取約2倍洞徑(60 cm)作為邊界條件。參考相似關系，最終確定開挖隧道的跨度為28.4 cm，高度為22.51 cm，軟弱層寬度設置為50 cm。軟弱層傾角通過改變滑槽角度，分別設置為45°、60°、90°、120°以及135°，開挖斷面尺寸如圖2(a)所示。結合模型箱的實體尺寸，為減小邊界效應對試驗結果的影響，選取距離模型箱27 cm、63 cm 處為監測斷面，如圖2(b)所示，并對開挖過程中的圍巖位移進行監測。綜合考慮穿越軟弱層的施工特點，分別在拱頂和拱腰布置圍巖位移測點，隧道每開挖一個進尺和初期支護的石膏凝固之后，讀取拱頂與拱腰處百分表的數據并記錄，百分表讀數根據相似關系換算成實際隧道拱頂位移。圍巖位移監測點如圖3所示。

圖1 模型箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of model box

圖2 隧道模型斷面圖Fig.2 Section view of tunnel model

圖3 圍巖位移量測系統Fig.3 Surrounding rock displacement measurement system

1.3.2 試驗工況設計

如表5所示，本次試驗根據研究內容共設計5種工況。分別探究不同傾角軟弱層下隧道位移的變化規律，通過對比分析總結規律。當軟弱層傾角互補時，以軟弱層傾角為60°以及軟弱層傾角為120°為例，軟弱層傾角定義如圖4所示。

表5 研究工況

圖4 軟弱層傾角定義Fig.4 Definition of dip angle of weak layer

1.4 模型試驗步驟

(1)圍巖相似材料配制：根據配比試驗獲得的兩種圍巖相似材料的質量比進行配制。

(2)填土與夯實：為準確模擬不同軟弱層的傾角，通過改造后的模型箱根據改變滑槽角度來控制軟弱層的傾角。

(3)測量初始數據：連接土壓力盒以及監測斷面鋼拱架的應變片，記錄百分表初始讀數、土壓力盒初始數據。

(4)隧道開挖：為保證隧道開挖過程中，隧道形狀基本保持不變，需利用銅環確定隧道輪廓。根據現場實際施工情況，確定每次開挖為4 cm，隨后噴涂石膏水。

(5)模型試驗數據采集：圍巖監測點處的位移通過百分表進行讀取，每完成一次開挖支護，都需記錄一次每個百分表的數據，每次觀測間隔一段時間以保證測得的結果為位移穩定值。

1.5 試驗結果分析

如圖5所示，分別為不同軟弱層傾角下隧道拱頂、拱腰處位移時程曲線，數據顯示，不同工況下，拱頂和拱腰具有相同的變化規律，位移隨著開挖步的增加而增大，受支護結構的影響最終趨于穩定，改變軟弱層的傾角對最終拱頂、拱腰位移值有明顯的影響，軟弱層傾角從45°增加到90°時，拱頂、拱腰位移減?。粌A角從90°增加到135°時，拱頂、拱腰位移增大。

最終拱頂位移值在軟弱層傾角為90°時最小，為13.3 mm；傾角為45°時最大，為20.4 mm。最終拱腰位移值在軟弱層傾角為90°時最小，為6.4 mm；傾角為135°時最大，為12.1 mm。

圖5 不同軟弱層傾角下隧道拱頂、拱腰位移時程曲線Fig.5 Time history curve of tunnel arch vault and waist displacement under different dip angles of weak layer

2 數值模擬

前文通過模型試驗的方法研究改變軟弱層傾角，對隧道圍巖穩定性以及初期支護結構受力的影響。為進一步深入探討，下文借助數值模擬分析跨不同傾角的軟弱層隧道支護結構受力特征和圍巖變形規律。

2.1 模型建立

借助FLAC3D平臺建立水平向100 m(x方向)，縱向41 m(y方向)，垂直向80 m(z方向)的地質模型。模型的前后左右邊界均為法向約束，底面采用豎向約束，模型頂部為自由面，通過施加面力模擬上部荷載。模型共456 800個單元，475 231個節點。部分數值模擬計算模型如圖6所示。

圖6 計算模型圖(傾角90°)Fig.6 Calculation model diagram(angle of inclination is 90°)

計算采用莫爾-庫倫屈服準則，巖土體物理力學參數根據現場土工試驗和經驗類比確定。本文只研究軟弱層傾角對初期支護結構的影響，因此和模型試驗研究內容相對應，數值模擬中開挖后隧道只進行初期支護。最終確定的巖土體及支護結構力學參數如表6所示，開挖進尺為1.8 m；初支一次施作長度為1.8 m。

為保證數值計算與和模型試驗研究工況相同，計算過程中同樣設置五組工況，軟弱層寬度均為22.5 m，軟弱層的傾向均為0°，軟弱層傾角依次為45°、60°、90°、120°以及135°，監測點為拱頂、拱腰和仰拱。

表6 計算參數

2.2 數值計算結果

2.2.1 位移計算結果

如圖7所示，分別為隧道拱頂、拱腰位移時程曲線?？芍翰煌r下，拱頂、拱腰處的位移時程曲線趨勢相似，隨著監測斷面前方圍巖的開挖，拱頂、拱腰處的位移逐漸增大，當開挖面越接近監測斷面，拱頂、拱腰處位移增長幅度越大，開挖掌子面通過監測斷面時，拱腰位移最終趨于穩定，改變軟弱層的傾角對最終拱頂、拱腰位移值有明顯的影響，且具有相同的規律，最終最小位移值均出現于軟弱層傾角為90°的情況，拱頂位移為8.06 mm，拱腰位移為3.36 mm；最大位移值均在軟弱層傾角為45°時，拱頂位移為11.8 mm，拱腰位移為6.42 mm。軟弱層傾角從45°增加到90°時，位移減小；傾角從90°增加到135°時，位移增大。隧道穿過不同軟弱層傾角仰拱圍巖位移時程曲線如圖8所示。最終仰拱位移值在軟弱層傾角為90°時最小，為8.24 mm；傾角為135°時最大，為11.06 mm。軟弱層傾角從45°增加到90°時，位移減小；傾角從90°增加到135°時，位移增大。

圖7 數值計算隧道拱頂、拱腰位移時程曲線Fig.7 Numerical calculation of displacement time-history curve of arch vault and waistline rock

圖8 數值計算仰拱圍巖位移時程曲線Fig.8 Numerical calculation of displacement time history curve of inverted arch surrounding rock

圖9 監測斷面塑性區云圖Fig.9 Cloud map of the plastic zone of the monitoring section

2.2.2 塑性區云圖

各種計算工況下監測斷面的塑性區分布如圖9所示，可以看出，在五種工況下塑性區的分布規律類似，均分布在隧道的周邊形成封閉圓環，且拱頂、拱腰和仰拱處的圍巖均有厚度為0.4 m左右的張拉破壞區。隨著軟弱層傾角的不斷增加，塑性區的面積表現為先減少，后增加，其中傾角為90°時，塑性區面積最小，與位移所表現出來的規律一致，驗證了數值模擬的可靠性。軟弱層傾角為45°與60°的兩組工況下，在仰拱和拱肩位置處出現了大量的屈服單元；軟弱層傾角為120°和135°的兩組工況下，拱頂、拱肩位置的屈服單元數相對較多；而軟弱層傾角為90°的工況下，塑性區分布范圍減少明顯。

3 模型試驗與數值計算結果對比分析

對比數值模擬中不同傾角下軟弱層的拱頂、拱腰位移穩定值與模型試驗結果，分別見表7。將數值模擬各個工況的拱頂、拱腰最終位移值與5種工況的最大拱頂位移值相除；同理，將模型試驗各個工況的拱頂最終位移值與5種工況的最大拱頂位移值相除，最終繪制數值模擬和模型試驗的不同軟弱層傾角下拱頂、拱腰位移的歸一化數值，如圖10所示。

結合圖10分析：不同軟弱層傾角拱頂、拱腰位移值歸一化后的數值，隨著軟弱層傾角的改變，數值模擬拱頂、拱腰最終位移歸一化數值和模型試驗最終位移歸一化數值規律一致，軟弱層傾角從45°增加到90°時，數值減小；傾角從90°增加到135°時，數值逐漸增大。且拱頂位移最終值的歸一化數值，在量值上數值模擬的結果和模型試驗結果接近。

表7 模型試驗與數值模擬拱頂、拱腰位移結果對比Table 7 Comparison of vault displacement results between model test and numerical simulation

圖10 不同軟弱層傾角拱頂、拱腰最終位移的歸一化數值Fig.13 The normalized value of the final displacement of the arch vault waist with different weak layer inclination angles

4 結論

通過數值模擬研究隧道跨不同軟弱層傾角，圍巖變形規律，并對比模型試驗結果綜合分析，最終得到以下結論。

(1)隨著軟弱層傾角的增加，拱頂、拱腰以及仰拱處監測點位移值先減小后增大，分為兩個階段：軟弱層傾角從45°增加到90°時，位移減小；傾角從90°增加到135°時，位移增大。

(2)模型試驗中，研究軟弱層傾角互補(60°和120°、45°和135°)的兩組工況，除去拱腰在軟弱層傾角45°的位移小于傾角為135°時的位移，其余拱頂、拱腰處位移值均在傾角為45°和60°時較大。

(3)數值模擬中，對于軟弱層傾角互補的兩組工況，拱頂、拱腰處位移值均在傾角為45°和60°時較大，而仰拱處位移值在傾角為120°和135°時較大。

(4)隧道圍巖的塑性區在軟弱層傾角為90°時，面積最小，且剪切破壞范圍會隨著軟弱層傾角與90°的差值的增大而增大。