不同大變形等級下層理角度對層狀軟巖隧道的影響

潘文韜 何川 吳枋胤 徐迪 王飛 楊文波 寇昊

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.198

收稿日期：2021?06?18

基金項目：四川省科技計劃（2019YFG0001）

作者簡介：潘文韜（1998- ），男，主要從事隧道與地下工程研究， E-mail：1403334583@qq.com。

通信作者：楊文波（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：yangwenbo1179@hotmail.com。

Received： 2021?06?18

Foundation items： Science and Technology Program Support of Sichuan Province（2019YFG0001）

Author brief： PAN Wentao （1998- ）， main research interests： tunnel and underground engineering， E-mail： 1403334583@qq.com.

corresponding author：YANG Wenbo （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： yangwenbo1179@hotmail.com.

摘要：為探究不同大變形等級下層理角度對層狀軟巖隧道的影響，依托九綿高速全線軟巖大變形隧道，通過巖石力學試驗確定遍布節理模型參數，基于數值模擬，探究不同軟巖大變形等級（輕微、中等、強烈）下層理角度對層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護體系受力變形的影響，并通過現場統計的層理角度與大變形情況對數值模擬結果進行驗證。結果表明：1）層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）圍巖變形、支護結構受力變形較大，隨著大變形等級的增大，層理角度引起的圍巖支護變化效果越明顯。2）隨著層理角度的增大，圍巖變形從拱底逐漸轉移到右拱腰。圍巖變形主要發生在隧道輪廓與層理面相切位置，其中拱底及左拱腳對層理角度變化較敏感。3）初支應力偏向及節理塑性區大致與層理弱面法向一致，隨著層理角度的增大，節理的剪切塑性區由拱頂、拱底轉移到左拱腳、右拱肩，最終偏移到左右拱腰上下位置；相比初支壓應力，初支拉應力對層理角度更敏感，垂直節理增大了張拉剪切破壞塑性區貫通的風險，但剪切破壞塑性區半徑反而有可能減小。4）現場的統計規律表現為小角度與大角度大變形等級較高，層理角度為60°以下時，巖層破壞發生在拱腰及拱肩處，隨著層理角度的增大，有向拱肩發展的趨勢，大角度層理時巖層破壞主要發生在拱腰處。

關鍵詞：層狀軟巖隧道；大變形等級；層理角度；遍布節理模型；數值分析；現場實測

中圖分類號：TU457 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：2096-6717（2023）05-0094-12

Effect of bedding angle of layered soft rock tunnels with different large deformation grades

PAN Wentao1， HE Chuan1， WU Fangyin1， XU Di2， WANG Fei2， YANG Wenbo1， KOU Hao1

（1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， P. R. China； 2. Sichuan Mianjiu Expressway Co.， Ltd， Jiangyou 621700， Sichuan， P. R. China）

Abstract： This paper aims to explore the influence of bedding angle on layered soft rock tunnel under different deformation grades. Based on the large deformation soft rock tunnels along the Jiumian Expressway， the parameters of ubiquitous joint model were determined through rock mechanical test. Based on the numerical simulation， the influence of bedding angle on the stress and deformation of surrounding rock and supporting system of large deformation tunnel in layered soft rock was studied under different soft rock large deformation levels （slight， medium and strong）. The results of numerical simulation were verified by field statistical law of bedding angle and large deformation. The results show that： 1） The deformation and stress of surrounding rock and the supporting structure with small angle （0°， 15°） and large angle （90°） of bedding are large， with the increase of large deformation grade， the effect of surrounding rock and support changes caused by bedding angle is more obvious. 2） The deformation of surrounding rock gradually shifts from the arch bottom to the right arch waist with the increase of bedding angle. The surrounding rock deformation mainly occurs at the position where the tunnel contour is tangent to the bedding plane， and the arch bottom and left arch foot are sensitive to bedding angle. 3） The deflection of the initial support stress and the plastic zone of the joint are roughly consistent with the normal direction of the weak plane of bedding. With the increase of bedding angle， the shear plastic zone of joints shifts from vault and arch bottom to left arch foot and right arch shoulder， and finally shifts to the upper and lower position of left and right arch waist. The initial support tension stress is more sensitive to the bedding angle than the compressive stress， vertical joints increase the risk of tensile and shear failure plastic zone transfixion， but the radius of plastic zone in shear failure may decrease. 4） The statistical law of the site is that the large deformation grade of small angle and large angle is higher，strata failure occurred in the waist and shoulder of the arch when the bedding angle is below 60°， the failure of rock strata tends to develop to the spandrel with the increase of bedding angle. Rock failure mainly occurs in the arch waist at large bedding angles.

Keywords： layered soft rock tunnel； large deformation grade； bedding angle； ubiquitous-joint model； numerical analysis； field monitoring

隨著中國交通隧道網逐漸向西部山區布置，遇到的地質條件越來越復雜多樣[1]。隧址區的軟弱圍巖具有分布廣、互層現象嚴重、變形大、持續時間長等特點，在高地應力及不良地質條件下受到擠壓產生軟巖大變形，造成初支剝落開裂、鋼拱架扭曲變形、邊墻鼓包等現象，給隧道運營及安全保證帶來極大挑戰。與此同時，軟巖大變形隧道往往還存在層理、節理等軟弱面，修建過程中呈現各向異性的特點。因此，有必要針對不同大變形等級的層狀軟巖隧道進行研究，探究不同層理角度對其安全穩定性的影響。

在軟巖大變形隧道變形破壞機理及分級研究方面，徐國文等[2]通過對鷓鴣山軟巖大變形隧道的大變形特征進行分析，將大變形隧道圍巖破壞分成3種情況。陳子全等[3]對高地應力情況下層狀軟巖隧道的非對稱圍巖與支護結構變形破壞特征展開研究，提出了基于最大變形及強度應力比的冪指數變化規律的大變形預測分級指標。李國良等[4]提出以強度應力比、地應力量值作為高地應力劃分標準，并將大變形等級劃分為4級。張廣澤等[5]發現，應力場、地質構造及巖性等是造成隧道發生大變形的主要原因，綜合考慮多個因素后，提出了構造軟巖大變形的分級方法。在層理角度影響研究方面，徐國文等[6]基于離散元建立了新的層狀軟巖隧道數值模擬方法，研究了不同層理角度及層理間距對軟巖隧道的影響。吳迪等[7]通過數值模擬與現場監測，對不同地應力及層理角度下隧道變形及初支、二襯受力規律展開了研究。李江騰等[8]利用模型試驗分析了不同板巖試件層理角度與其抗壓韌性之間的關系。

目前，針對軟巖大變形破壞機理及層理角度影響均有一定研究，但沒有針對不同大變形等級分析不同層理角度對層狀軟巖隧道影響的系統研究。筆者依托九綿高速全線軟巖大變形隧道，通過巖石力學試驗確定遍布節理模型參數，基于數值模擬，探究不同軟巖大變形等級（輕微、中等、強烈）下層理角度對層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護體系受力變形的影響，并通過現場統計的層理角度與大變形情況統計規律對數值模擬結果進行驗證。

1 工程概況

九綿高速起于四川省和甘肅省交界處的青龍橋附近，止于綿陽市游仙區張家坪附近，跨越九寨溝縣、平武縣、北川縣、江油市、綿陽市游仙區。線路全長244.026 km，共有隧道42座，總長度120.960 km，占線路全長的49.6%。其中22座隧道的IV、V級圍巖占比超過70%，大量分布以千枚巖、板巖等為代表的層狀變質軟巖，隧道層間連接較差，具有明顯的各向異性及流變特征，在不良地質及高地應力等因素共同作用下，自開工以來，九綿高速全線軟巖隧道均出現了不同程度的大變形災害。

九綿高速中的大變形隧道主要有水牛家隧道、白馬隧道及五里坡隧道，根據大變形分級的相關研究[2-5]并結合全線大變形隧道情況，根據《公路隧道設計規范第一冊：土建工程》（JTG 3370.1—2018）[9]中大變形分級方案（表1），對全線軟巖大變形等級進行判定，水牛家、白馬、五里坡隧道中均有大變形等級為輕微、中等、強烈的監測斷面，其中，水牛家隧道以輕微為主，白馬隧道以中等為主，五里坡隧道以強烈為主?，F場大變形情況如圖1所示。

2 巖石力學試驗確定大變形參數

2.1 遍布節理模型

在層狀軟巖隧道中存在層理及節理等軟弱面，相比普通圍巖，軟弱面更容易產生滑移及張拉破壞，因此，除了考慮普通圍巖外，還需對層理、節理等軟弱面進行考慮分析。

遍布節理模型是摩爾庫倫模型的擴展[10]，即在摩爾庫倫模型上增加節理面，節理面同樣服從摩爾庫倫屈服破壞準則，遍布節理模型同時考慮了圍巖本體與節理面，巖體可以同時在兩者中產生破壞，節理面的傾向與傾角由笛卡兒坐標系確定，節理面的參數主要考慮內聚力、剪脹角、摩擦角、抗拉強度、傾向與傾角等[11-12]。

節理方位由笛卡兒坐標系在弱面法線向量以全局坐標表示，遍布節理模型下屈服準則如圖2所示，剪切破壞包絡線AB及拉伸破壞包絡線BC滿足f_j^s=0、f_j^t=0，且二者分別滿足式（1）、式（2）所示關系式。

f_j^s=τ+σ_3'3'^ ?tanφ_j-c_j （1）

f_j^t=σ_3'3'-σ_j^t （2）

式中：φ_j^ 、c_j^ 、σ_j^t分別為節理摩擦角、黏聚力及抗拉強度；σ_3'3'^ 為廣義應力張量；τ為剪切應力；f_j^s=0為坐標轉換后剪切包絡線AB；f_j^t=0為坐標轉換后拉伸包絡線BC。

2.2 確定遍布節理模型參數

從白馬隧道和五里坡隧道現場選取采集多個斷面位置巖體相對較完整、層理明顯的變質板巖和變質千枚巖試塊，通過后續試驗確定圍巖力學參數，而不同大變形等級主要通過調整地應力數值落入規范中的不同大變形等級強度應力比來實現。具體采樣過程：在九綿高速層狀變質軟巖典型隧道施工現場采集原始尺寸大于300 mm×300 mm×300 mm的完好巖塊，從而保證試樣加工的完整性。巖樣采取過程如圖3所示。

將巖體取芯制樣，加工好的圓柱體試樣直徑約為50 mm，長度約為100 mm，誤差±0.5 mm，端面平行度±0.02 mm。

采用MTS815 Flex Test GT 巖石力學試驗系統與程控三軸流變儀對大變形下圍巖的彈性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角參數進行確定。試驗裝置如圖4所示。

節理面的參數較難通過試驗確定，在試驗確定大變形下圍巖力學參數的基礎上，考慮節理面對圍巖力學參數的折減及弱化，主要借鑒文獻[13]的方法進行折減，節理摩擦角略低于完整巖體，模型中節理抗拉強度取完整巖體的10%，節理黏聚力取完整巖體的30%，得到最終的圍巖節理面物理力學參數，見表2，相關節理參數通過現場監測信息反算得到驗證。巖石試驗表明，頁巖及板巖的單軸抗壓強度會隨層理角度出現U型變化[14]，但在實際工程中，不同層理角度下抗壓強度的變化對隧道及支護結構受力變化影響較小，且本文主要研究圍巖支護結構受力及塑性區分布隨層理角度的變化特征，因此，不考慮層理角度變化引起的巖體抗壓強度變化，將不同層理角度圍巖參數取為相同值。

3 數值模擬

3.1 模型情況

根據隧道相關尺寸及埋深，在CAD中繪制隧道橫斷面線框圖，在ANSYS中完成網格的精細劃分，通過拉伸生成實體模型，最后導入FLAC中進行后續數值模擬。

計算模型采用遍布節理模型，初支、二襯采用摩爾庫倫本構。模型縱向為50 m、長為84 m、高為75 m，四周及底部設置法向約束。初支為錨噴聯合支護，二襯厚度為0.6 m，強度為C30。超前加固方式為注漿小導管，拱頂范圍注漿加固，錨桿采用梅花形布置。圍巖、第2層初支（大變形等級為強烈時采用雙層初支）、二次襯砌采用實體單元，錨桿、小導管采用cable單元，第1層初支采用shell單元。第1層初支在開挖面后2 m施作，第2層初支在第1層初支施作后2 m施作，二襯在初支施作后10 m施作。計算模型如圖5所示，不同大變形等級下采用的工法及超前支護體系如表3所示。

針對不同大變形等級設置不同的層理傾角，探究層理角度對不同大變形等級軟巖大變形隧道的受力變形塑性區等的影響，設置6組不同的層理傾角（0°、15°、30°、45°、60°、90°），如圖6所示。

大變形除了與層理角度有關，還與主應力的方向密切相關，根據白馬隧道現場地應力測試及地應力反演結果發現：最大水平主應力方向為水平，垂向主應力方向為豎直，由水平主應力及垂向主應力求得隧道平面應力狀態，如圖7所示，大變形等級為輕微、中等、強烈時的最大主應力大致分別在10、14、19 MPa附近，最小主應力數值為最大主應力數值的一半，施加相應地應力后，圍巖強度應力比落在不同的大變形等級范圍內。

3.2 計算結果

3.2.1 圍巖隧道變形

不同大變形等級下不同層理角度的圍巖最大變形如表4所示。從圍巖最大變形來看，不同大變形等級下層理角度對最大變形的影響規律基本一致，均為在角度較?。?°、15°）及角度較大（90°）時圍巖變形較大，即較小或較大的層理角度將增大圍巖位移，使圍巖處于危險之中，最危險的層理角度在15°附近，最安全的層理角度在45°～60°之間。圍巖最大變形大致呈先減小后增大的趨勢，大變形等級越高，由層理角度引起的圍巖最大變形效果越明顯。

圍巖變形主要集中于隧道四周，為了更好地揭示層理角度對圍巖變形的影響，將隧道四周放大，并讀取變形較大處的數值，得到不同大變形等級、不同層理角度下各位置的最大變形（圖8）。

圍巖在隧道的拱頂、拱底及左右拱腰至拱肩之間產生較大變形，不同層理角度下產生較大變形的部位基本一致。圍巖變形有向層理角度增大方向傾斜的趨勢，這種趨勢在隧道拱底變形處最為明顯，隨著層理角度從0°增大到30°，隧道拱底變形順著層理角度增大方向向左傾斜，30°時傾斜最大，繼續增大層理角度，隧道拱底的傾斜又逐漸向中間回靠。

分析圍巖產生較大變形時數值的變化規律可得：拱頂變形小于拱底，圍巖的最大變形出現在拱底或右拱腰處，從左右拱腰變形差距上來看，0°時左右拱腰變形一致，隨著層理角度的增大，拱腰變形順著層理角度增大方向偏移，右拱腰變形逐漸大于左拱腰，兩者之間的差值在45°時達到最大，繼續增大層理角度，兩者之間的拱腰變形差異又逐漸減小。拱底變形在0°、15°時較大，整體上層理角度越大，拱底變形逐漸減小，隨著層理角度的增大，圍巖變形有從拱底轉移到左右拱腰的趨勢。不同大變形等級圍巖變形隨層理角度變化的規律基本一致，大變形等級升高時，相比另外3個位置，拱底變形變化更明顯。

為更直觀地表現層理角度對圍巖變形的影響，在圖8中輕微大變形時各位置圍巖變形的基礎上，提取出不同層理角度的8個位置（拱頂、右拱肩、右拱腰、右拱腳、拱底、左拱腳、左拱腰、左拱肩）的水平豎向變形，以層理角度0°為基礎，繪出不同層理角度下隧道變形輪廓趨勢的變化，如圖9所示。由于不同層理角度之間圍巖的變化相比隧道尺寸較小，將不同層理角度之間的差異放大100倍，以便研究變化規律。

圖9中的變化規律與4個方向圍巖較大變形規律基本一致。不同層理角度下，隧道拱頂變化較不明顯，拱底變化較為明顯，左拱腳次之。層理角度較小（0°、15°）時，隧道拱底隆起較為突出，層理角度越大，隧道拱底隆起越小，當層理角度達到60°～90°后，隧道拱底隆起不明顯。當層理角度較大（如90°）時，隧道右拱腰收斂極明顯；層理角度為45°、60°時，右拱腰收斂較小，隧道處于較安全狀態。垂直層理下左拱腰收斂也較大，且將導致左右拱肩及左右拱腳向外擴張，較不利。這是由于圍巖變形主要發生在隧道輪廓與層理面相切的位置，隨著層理角度的變化，隧道在與層理面相切處發生了較大變形。

3.2.2 初支受力變形

提取不同大變形等級（輕微、中等、強烈）下不同層理角度初支的變形，如圖10所示。由圖10可知，不同大變形等級下，層理角度對初支變形的影響規律基本一致，且與圍巖變形規律大致吻合，這主要是由于初支與圍巖緊密貼合，變形具有一定的協同性。整體上來看，隨著層理角度的增大，初支變形先減小后增大，即在層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）時初支變形較大，在30°～60°時初支變形較小，初支變形最危險的層理角度大致在15°左右，最安全的層理角度大致在45°左右。

大變形等級越高，層理角度對初支變形的影響越大，因此，在大變形等級較高時，必須考慮層理角度對初支變形的影響。比較初支變形與圍巖變形結果可知，第1層初支大約承擔了圍巖變形的60%。在大變形等級為強烈時，第2層初支的變形量及層理角度對其變形影響的變化量均有較明顯的減小，第2層初支的變形約為第1層初支的50%。

提取的不同大變形等級下不同層理角度的初支最大拉、壓應力如圖11、圖12所示。層理角度對初支應力和變形的影響規律基本一致，即在層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）時初支應力較大，在45°～60°時初支應力較小，最安全位置大致出現在層理角度45°左右，且隨著大變形等級的升高，層理角度引起的初支應力變化更明顯。初支拉應力比壓應力對層理角度更加敏感，數值變化更為明顯。隨著大變形等級的升高，初支的拉、壓應力不斷增大，當大變形等級為強烈時，第1層初支壓應力達到混凝土抗壓強度，出現開裂情況，此時需要增設第2層初支，以確保隧道結構安全穩定。

為更好地分析不同大變形等級下層理角度對隧道初支應力分布的影響，以大變形等級為輕微為例，提取不同層理角度下隧道的最大壓應力，如圖13所示。

初支壓應力主要受地應力及層理角度共同控制，最大主應力方向大致沿右拱肩方位，這也是無論層理角度如何變化，右拱肩均為初支壓應力最大位置的原因。當層理角度為0°時，初支壓應力主要集中于左右拱肩及拱底，隨著層理角度的增大，拱頂及拱底位置初支壓應力逐漸減小，左右拱腰附近的初支壓應力先減小后增大，最小值大致出現在30°層理附近。初支的壓應力較大部位也有隨著層理角度增大逐漸偏移的現象，初支應力偏向大致與層理角度法線方向一致。

3.2.3 二襯結構受力

提取不同大變形等級、不同層理角度下二襯的最大拉、壓應力，如表5所示。不同層理角度下，二襯受力的變化規律與初支基本一致，這主要是因為初支和二襯緊密貼合，共同承擔荷載。大變形等級從輕微到中等，二襯拉應力有著較為明顯的增大，而由于大變形等級為強烈時設置了2層初支，二襯不再像大變形等級為輕微、中等時一樣作為承載的主體，因此其受力明顯減小。

3.2.4 圍巖節理塑性區分布及半徑

提取不同大變形等級下不同層理角度的圍巖節理塑性區，如圖14所示。塑性區分為圍巖塑性區與節理塑性區，圍巖塑性區基本呈對稱分布，主要集中于隧道四周，層理角度對其影響較小，而且受拱頂加固區影響，拱頂塑性區明顯小于拱底。隧道拱頂到拱腰附近圍巖可能會發生張拉、剪切破壞。

節理塑性區伴隨層理角度偏轉的現象極明顯：0°層理時，節理主要在拱頂及拱底發生剪切破壞，受拱頂注漿區的影響，相比拱底，拱頂節理的剪切破壞并不明顯；當層理角度增大時，塑性區逐漸順著層理角度增大方向傾斜，節理的拱底剪切破壞塑性區逐漸向左偏移至左拱腳，拱頂剪切破壞塑性區逐漸向右偏移至右拱肩；當層理角度增大至90°時，節理剪切破壞塑性區又重新呈對稱狀態，并在左右拱腰上下位置產生剪切破壞。在隧道拱肩至拱腳附近，節理可能產生張拉、剪切破壞塑性區，隨著層理角度的傾斜，節理的張拉、剪切破壞塑性區也有順著層理角度增大方向傾斜的趨勢，并且在層理角度為90°時，節理的張拉、剪切破壞塑性區有貫通的風險。

不同大變形等級下層理角度對圍巖節理塑性區的影響規律基本一致，并且隨著大變形等級的增大，圍巖塑性區及節理塑性區的范圍均有較明顯的增大，圍巖塑性區范圍增大更為明顯。節理剪切破壞塑性區大致出現在層理弱面的法向方位。

提取不同大變形等級、不同層理角度下節理塑性區的半徑，如表6所示。從表6可得，層理角度較?。?°、15°）時節理塑性區半徑較大，當層理角度達到90°時，由于節理剪切破壞塑性區轉移至左右拱腰，其半徑有可能減小。隨著大變形等級升高，節理剪切破壞塑性區半徑不斷增大，相比大變形等級為中等時，大變形等級為強烈時其半徑沒有進一步增大，說明大變形等級為強烈下的工法及支護有效抑制了塑性區的進一步擴大，起到了較好的支護效果。

3.2.5 層理角度影響系數

將分析結果以影響系數的形式進行表述，以60°層理角度為基準（設為1），得到不同大變形等級下圍巖變形、支護結構受力變形及節理剪切破壞塑性區半徑的相對值并作為不同層理角度的影響系數，如表7所示。不同大變形等級下層理角度影響系數規律基本一致，即大致為先減小后增大，在層理角度較?。?°、15°）及較大（90°）時，對圍巖變形、塑性區分布、支護結構受力較不利。隨著大變形等級的不斷升高，層理角度影響系數有所增大，但大變形等級為中等及強烈時，影響系數增大并不明顯，表明大變形等級越高，層理角度引起圍巖襯砌受力變形的效果越明顯，但通過有效超前支護等一定程度上能抑制這種變化。表7中的影響系數可作為不同層理角度下支護加強修正的依據。

4 層理角度的現場統計驗證

五里坡隧道左洞以垂直節理為主，隧道大變形等級以強烈為主；水牛家隧道進出口位置以60°節理為主，而大變形等級以輕微為主，此層理角度及大變形等級規律與前文中層理小角度、大角度時圍巖支護結構變形較大、45°～60°時圍巖較為安全的結果吻合。然而現場情況復雜多變，即使是一個隧道的不同斷面，層理產狀及大變形情況均不同，因此，有必要統計全線大變形斷面，探究不同層理角度與大變形情況。

現場發生的大變形中，由于洞周圍巖層理方向的差異導致不同部位的鼓包和擠出（圖15、圖16），嚴重時會導致斷面嚴重侵限，現場發生的由于層理弱面方向導致的邊墻鼓包和擠出如圖15（a）、（b）所示，巖層產狀基本與隧道中軸線平行，在重力和山體壓力下隨時會發生豎向位移和沿約束差方向發生垂直于圍巖走向（水平方向）的鼓出（不利結構面造成的潛在偏壓），具體表現為邊墻鼓入和拱頂變形小。

按層理弱面的角度特征將節理面方位角分為3類：節理面方位角≤30°、30°<節理面方位角≤60°和60°<節理面方位角≤90°。提取不同層理角度下的大變形等級情況及大變形破壞位置情況，如圖17、圖18所示。

從圖17可知，每個層理角度類別中均發生輕微、中等、強烈大變形，且以輕微大變形為主，占該類別層理角度的50%以上。不同層理角度下的大變形占比有所變化，可以看到，斜交角度下，大變形等級為輕微的比例增大，大變形為強烈的比例有所下降，相比斜交層理，水平-小角度及垂直-大角度下大變形等級為輕微的比例小一些，大變形等級為強烈的比例大一些，表明在小角度及大角度下，隧道將呈現出更不利的力學和變形特征，與數值模擬情況較貼合。現場中，斜交角度相比層理小角度與大角度的優勢沒有數值模擬中明顯，這主要是由于隨著層理角度的增大，巖體抗壓強度呈U型，在斜交層理中抗壓強度反而較低所致。

層狀巖體隧道大變形集中發生在主應力與層理弱面垂直的部位，現場為層理小角度時，巖層主要變形部位為拱肩和拱腰，斜交角度下巖層主要變形部位依然為拱肩和拱腰，但拱肩部位發生變形的比例增大，這主要是層理角度的移動造成的，垂直-大角度時，巖層主要變形部位為拱腰，占比高達93%。上述巖層變形部位與數值模擬中圍巖變形及塑性區的偏移規律基本一致，且分析可得，較大層理角度下的巖層破壞主要為水平應力造成的垂直層理弱面方向的彎曲、折斷型破壞，主要表現為向隧道內的擠壓變形，鮮有沿節理面的順層滑移破壞。

5 結論

依托九綿高速全線軟巖大變形隧道，通過巖石力學試驗確定了遍布節理模型參數，基于數值模擬，探究不同軟巖大變形等級（輕微、中等、強烈）下層理角度對層狀軟巖大變形隧道圍巖及支護體系受力變形的影響，并通過現場的層理角度與大變形情況對數值模擬結果進行驗證。主要結論如下：

1）層理小角度（0°、15°）與大角度（90°）下圍巖變形、支護結構受力變形較大，最危險與最安全的層理角度分別為15°和45°～60°左右，大變形等級越高，層理角度變化導致圍巖支護變形的效果越明顯。

2）隨著層理角度的增大，圍巖變形從拱底逐漸轉移到右拱腰，右拱腰與左拱腰收斂的差異先增大后減小。圍巖變形主要發生在隧道輪廓與層理面相切的位置，拱底及左拱腳對層理角度變化較敏感。

3）初支應力偏向及節理塑性區大致與層理弱面法向一致，隨著層理角度的增大，節理的剪切塑性區由拱頂、拱底轉移到左拱腳、右拱肩，最終偏移到左右拱腰上下位置。相比初支壓應力，初支拉應力對層理角度更為敏感，垂直節理增大了張拉、剪切破壞塑性區貫通的風險，但剪切破壞塑性區半徑反而有可能減小。

4）現場統計規律為巖層小角度與大角度下大變形等級較高，且層理角度為60°以下時，巖層破壞主要發生在拱腰及拱肩處，隨層理角度的增大，有向拱肩發展的趨勢，垂直-大角度層理時巖層破壞主要發生在拱腰。

參考文獻

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（編輯 ?黃廷）