層狀巖體不同傾角對(duì)高地應(yīng)力隧道穩(wěn)定性影響分析

柳厚祥，鄭智雄，胡勇軍，趙明綱

巖體在形成的過程中，要經(jīng)受各種復(fù)雜的地質(zhì)作用。各種斷層、節(jié)理及裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育使得巖體的物理力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜。其中，層狀巖體的變形和強(qiáng)度性質(zhì)具有明顯的各向異性，巖體的破壞機(jī)理和方式也明顯不同于其他巖體。許多學(xué)者針對(duì)完整或定向節(jié)理裂隙巖石材料強(qiáng)度和變形各向異性的特征進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)。龔書賢［1］從層狀巖體的結(jié)構(gòu)特征入手，研究了層狀巖體的各向異性特征，并對(duì)層狀巖體的強(qiáng)度特性和層狀圍巖的破壞特征及其影響因素進(jìn)行了探討；王貴君［2］等人運(yùn)用 UDEC對(duì)節(jié)理巖體大斷面隧道圍巖和支護(hù)施工全過程進(jìn)行數(shù)值分析。

由于中國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)構(gòu)造條件極其復(fù)雜，特別是隨著中國(guó)高速公路建設(shè)重心逐步向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移、隧道工程數(shù)量的不斷增多，高地應(yīng)力隧道將不斷涌現(xiàn)，且在實(shí)際的工程建設(shè)過程中，將會(huì)遇到大量的層狀巖體圍巖。對(duì)比國(guó)內(nèi)、外文獻(xiàn)［3－8］，針對(duì)高地應(yīng)力條件下層狀巖體傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的研究較少，且對(duì)構(gòu)造應(yīng)力影響的研究較少，作者擬研究層狀巖體的不同傾角對(duì)高地應(yīng)力隧道穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

某公路隧道為雙洞單向隧道，左線長(zhǎng)2 695m，右線長(zhǎng)2 705m，左、右線間距2.78～32.8m，進(jìn)口端為連拱隧道，出口端為分離式隧道。隧道所處地貌屬于巖溶中低山地貌，隧道沿線地形起伏較大，最大埋深達(dá)795m，地面高程在420.25～1 336.92m之間。隧道處于高地應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力水平達(dá)10～30MPa。隧道洞軸與地層走向接近平行，巖層傾向山體（傾向左側(cè)），傾角在25°～40°之間，加上節(jié)理裂隙的存在導(dǎo)致圍巖較不穩(wěn)定。本隧道圍巖在奧陶系地層中，為瘤狀灰?guī)r：灰色、青灰色，中薄層狀構(gòu)造，層厚1.2～3.5m，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖芯多呈柱狀，破壞形式以掉塊為主。局部巖溶發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，可能發(fā)生小的坍塌，并受地下水影響較明顯，開挖時(shí)可考慮在局部采用輔助工程措施。

隧道區(qū)地下水為灰?guī)r中的裂隙潛水，水量較小，未見明顯地表水系，地下水類型主要為孔隙水、巖溶地下水，開挖時(shí)可能形成點(diǎn)滴狀出水，局部呈現(xiàn)淋雨?duì)畛鏊?。其中孔隙水主要賦存于零星分布的第四系土層內(nèi)，其水量貧乏，難形成穩(wěn)定的地下水面，對(duì)隧道的影響較小。

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

隧道開挖僅對(duì)一定范圍內(nèi)的圍巖有明顯影響。為降低邊界條件效應(yīng)，數(shù)值分析模型的計(jì)算尺寸?。?00m×100m，左、右邊界固定水平方向位移，底面邊界固定豎向的位移，上面施加800m高度圍巖的自重應(yīng)力。計(jì)算模型如圖1所示，錨桿長(zhǎng)度3.5m，環(huán)向間距1.5m。

在深埋高地應(yīng)力條件下，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎向自重應(yīng)力的影響，故在模擬時(shí)，要考慮構(gòu)造應(yīng)力影響，其與自重應(yīng)力比值取k＝1.2。

2.2 模型參數(shù)

根據(jù)本隧道現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告及現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70－2004），隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的彈性模量折算入混凝土的彈性模量。具體的折算方法［9］為：

式中：E為混凝土復(fù)合彈性模量，GPa；E0為原混凝土彈性模量，GPa；Ag為初期支護(hù)鋼拱架截面面積，m2；Eg為初期支護(hù)鋼拱架彈性模量，GPa；Ac為混凝土截面面積，m2。

圖1 巖層傾角為45°計(jì)算模型Fig.1 Numerical simulation model of 45°rocks dip

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of rock and support structures

2.3 模型計(jì)算

根據(jù)本隧道的實(shí)際圍巖情況，為了分析巖層特性對(duì)層狀圍巖隧道支護(hù)體系力學(xué)行為的影響，分別取層狀圍巖傾角 5°，15°，25°，35°，45°，55°，65°，75°及85°，共計(jì)9種情況，進(jìn)行計(jì)算分析。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 錨桿支護(hù)受力分析

考慮隧道圍巖巖層傾向，隧道左部的拱腰、拱腳的錨桿軸力明顯要大于右部相應(yīng)部位的錨桿軸力，故現(xiàn)只考慮隧道拱頂、左邊拱腰和左邊拱腳的錨桿軸力與巖層傾角的關(guān)系。

埋深為100m，無(wú)構(gòu)造應(yīng)力影響的情況下，隧道關(guān)鍵部位的錨桿軸力與巖層傾角的關(guān)系曲線如圖2所示。高地應(yīng)力條件下，隧道關(guān)鍵部位的錨桿軸力與巖層傾角的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 普通地應(yīng)力條件下，錨桿軸力與巖層傾角的關(guān)系曲線Fig.2 The change of anchor’s axial force with rocks dip under normal geostress

圖3 高地應(yīng)力條件下，錨桿軸力與巖層傾角的關(guān)系曲線Fig.3 The change of anchor’s axial force with rocks dip under high geostress

由圖2和圖3對(duì)比可知，高地應(yīng)力條件下錨桿受力明顯大于普通應(yīng)力條件下的錨桿受力，例如：巖層傾角為55°時(shí)，左部拱腰處高地應(yīng)力條件下的錨桿受力為普通應(yīng)力條件下的8倍?？梢?，高地應(yīng)力環(huán)境下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所要承受的荷載更大，與普通地應(yīng)力隧道明顯不同。因此，有必要將高地應(yīng)力條件下層狀巖體不同傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行深入研究。

從圖3中可以看出，在高地應(yīng)力條件下，5°～65°巖層傾角范圍內(nèi)，錨桿軸力隨巖層傾角的增大而增大。這表明隧道圍巖沿著層間軟弱夾層滑動(dòng)的趨勢(shì)隨著巖層傾角的增大而增大，特別是在25°～65°范圍內(nèi)，錨桿軸力隨巖層傾角增大的趨勢(shì)明顯。故在設(shè)計(jì)與施工階段，應(yīng)將巖層傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行深入研究與分析，制定可行性的支護(hù)方案，防止圍巖發(fā)生順層滑動(dòng)，保證隧道圍巖的相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 錨桿支護(hù)優(yōu)化

對(duì)比不同傾角巖層的主應(yīng)力分布形式以及對(duì)應(yīng)的錨桿受力，發(fā)現(xiàn)有部分錨桿的受力很小。例如：1、2號(hào)錨桿只分布于一層巖體中，沒有起到將各層巖體串連起來(lái)的“銷釘”作用，如圖4（a）所示。故需要將錨桿支護(hù)形式進(jìn)行優(yōu)化，如圖4（b）所示。盡量將錨桿與層狀巖體大角度相交，且將多層巖層串連起來(lái)，起到“銷釘”的作用，形成組合梁的效果，增大層間阻力，降低主應(yīng)力集中程度，減小層間剪切錯(cuò)動(dòng)的可能性，增強(qiáng)隧道圍巖的穩(wěn)定性。即相當(dāng)于增強(qiáng)節(jié)理層的剪切剛度，抑制層狀圍巖的剪切滑移，增強(qiáng)隧道的穩(wěn)定性，并適當(dāng)?shù)販p小襯砌受力。

在具體實(shí)施時(shí)，可根據(jù)工程施工方法和工程地質(zhì)及圍巖的具體情況對(duì)錨桿進(jìn)行優(yōu)化，比如：增大錨桿長(zhǎng)度等。在保證錨桿與巖層大角度相交的同時(shí)，要保證方案的可操作與實(shí)施的可能性，使錨桿真正起到“銷釘”的作用。

圖4 45°傾角巖層錨桿支護(hù)Fig.4 Anchor support of 45°rocks dip

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

為了解高地應(yīng)力隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨層狀巖體傾角的變化情況，選取斷面的關(guān)鍵部位進(jìn)行分析。

埋深為100m，無(wú)構(gòu)造應(yīng)力影響的情況下（普通地應(yīng)力條件下），支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力與巖層傾角關(guān)系曲線如圖5所示。高地應(yīng)力條件下，錨桿優(yōu)化前的支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力與巖層傾角關(guān)系曲線如圖6所示。高地應(yīng)力條件下，錨桿優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力曲線如圖7所示。

圖5 普通地應(yīng)力條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與巖層傾角關(guān)系曲線Fig.5 The change of support structrue’s stress with rocks dip under normal geostress

圖6 高地應(yīng)力條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與巖層傾角關(guān)系曲線（錨桿優(yōu)化前）Fig.6 The change of support structrue’s stress with rocks dip under high geostress（before anchor optimization）

分析數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比圖5和圖6可知：高地應(yīng)力條件下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力明顯大于普通地應(yīng)力條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。在傾角為55°時(shí)，高地應(yīng)力情況下左拱腳處的應(yīng)力為普通地應(yīng)力情況下的8.4倍，最小的情況也達(dá)到了4倍。可見，相對(duì)于普通地應(yīng)力隧道，高地應(yīng)力隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載更大，隧道更易因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的不合理而出現(xiàn)塌方等事故。因此，對(duì)高地應(yīng)力隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有益于保證隧道的施工安全與支護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

從圖6和圖7中可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力隨著巖層傾角增大得不多；5°～45°傾角范圍內(nèi)，左拱腰應(yīng)力的變化不大，45°～85°傾角范圍內(nèi)，應(yīng)力隨巖層傾角的增大小幅增大；5°～65°傾角范圍內(nèi)，左拱腳應(yīng)力隨傾角增大而增大，65°～85°傾角范圍內(nèi)，應(yīng)力小幅減?。谎龉?，右半斷面的拱腰、拱腳應(yīng)力隨巖層傾角增大得不明顯。對(duì)比左、右拱腰和拱腳的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，左半斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)受力普遍大于右半斷面的。這說明在隧道開挖過程中會(huì)引起偏壓，且在巖層傾角為45°～65°范圍內(nèi)時(shí)，偏壓最嚴(yán)重。

對(duì)比分析圖6和圖7可知：在錨桿優(yōu)化后，雖然錨桿應(yīng)力有所增加，但支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明顯減小。拱頂、左拱腰部分支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小了1／4，左拱腳部分應(yīng)力減小幅度達(dá)到1／2。由此可知，錨桿優(yōu)化后，錨桿將多層巖層串聯(lián)在了一起，從而間接增大了巖層層間阻力，減小了層間剪切錯(cuò)動(dòng)的可能性。從而減小了支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載，使錨桿起到了銷釘作用，使巖層與錨桿形成了組合梁的效果，進(jìn)而增強(qiáng)了隧道圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

結(jié)合本隧道的實(shí)際情況，研究高地應(yīng)力條件下，不同巖層傾角的圍巖穩(wěn)定性，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并對(duì)錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，得出的結(jié)論為：

1）高地應(yīng)力條件下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力明顯大于普通地應(yīng)力條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。在傾角為55°時(shí)，高地應(yīng)力情況下左拱腳處的應(yīng)力為普通地應(yīng)力情況下的8.4倍；高地應(yīng)力情況下左部拱腰處錨桿軸力為普通地應(yīng)力情況下的8倍。因此，相對(duì)于普通地應(yīng)力隧道，高地應(yīng)力隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載更大，隧道的穩(wěn)定性問題更加突出。

2）在5°～65°巖層傾角范圍內(nèi)，錨桿軸力隨巖層傾角的增大而增大，特別是在25°～65°范圍內(nèi)，錨桿軸力隨巖層傾角增大而增大的趨勢(shì)明顯。這表明隧道圍巖沿著層間軟弱夾層滑動(dòng)的可能性隨著巖層傾角的增大有增大的趨勢(shì)。

3）在高地應(yīng)力隧道施工過程中，層狀圍巖的軟弱夾層極大地削弱了層狀巖體的力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性，是層狀巖體破壞的主要部位。若隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理，將會(huì)出現(xiàn)順層滑動(dòng)，引起不對(duì)稱的偏壓荷載，導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不對(duì)稱，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

4）通過對(duì)錨桿與巖層相交角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將錨桿與巖層大角度相交，將多層巖體串聯(lián)在了一起，間接增大了巖體層間阻力，減小了巖體出現(xiàn)層間剪切錯(cuò)動(dòng)的可能性。因此，使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載得以減小，使錨桿真正的起到了銷釘作用，從而讓巖層與錨桿一起形成了組合梁的作用，增強(qiáng)了隧道圍巖的穩(wěn)定性。

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）：

［1］ 龔書賢.層狀圍巖隧道力學(xué)特性及穩(wěn)定性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2011.（GONG Shu－xian.Study on mechanical characteristics and stability of layered rock tunnels［D］.Chongqing：Chongqing University，2011.（in Chinese））

［2］ 王貴君.節(jié)理裂隙巖體中大斷面隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過程力學(xué)狀態(tài)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（8）：1328－1334.（WANG Gui－jun.Mechanical state of jointed rock mass and support structure of large tunnels during the construction process［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（8）：1328－1334.（in Chinese））

［3］ 趙景彭.節(jié)理傾角對(duì)層狀巖體大斷面隧道穩(wěn)定性研究［J］.鐵道 建筑，2011（9）：58－61.（ZHAO Jing－peng.Study on the stability of large tunnels with layered rock dips［J］.Railway Construction，2011（9）：58－61.（in Chinese））

［4］ 劉紅兵.巖層傾角對(duì)層狀巖體隧道穩(wěn)定性影響分析［J］.公路工程，2013（8）：167－169.（LIU Hong－bing.Analysis of the impact on the tunnel’s stability with layered－rock dips［J］.Highway Engineering，2013（8）：167－169.（in Chinese））

［5］ 夏彬偉.深埋隧道層狀巖體破壞失穩(wěn)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.（XIA Bin－wei.Experimental study on the mechanism of the instability of layered－rock masses in deep buried tunnels ［D］.Chongqing：Chongqing University，2009.（in Chinese））

［6］ 彭炎森.陡傾層狀巖體隧道開挖穩(wěn)定性研究［D］.重慶：重 慶 交 通 大 學(xué)，2012.（PENG Yan－sen.Study on the stabilization of excavating the steep－dipping rock mass tunnel［D］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2012.（in Chinese））

［7］ 邵遠(yuǎn)揚(yáng).層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性及破壞模式研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013.（SHAO Yuan－yang.Study on the surrounding rock stability and failure modes of tunnels in layered rock masses［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2013.（in Chinese））

［8］ 費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.（FEI Kang，ZHANG Jian－wei.The application of ABAQUS in geotechnical engineering［M］.Beijing：China Water－Power Press，2010.（in Chinese））

［9］ 伍振志，傅志鋒，王靜，等.淺埋松軟地層開挖中管棚注漿法的加固機(jī)理及效果分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（6）：1025－1029.（WU Zhen－zhi，F(xiàn)U Zhi－feng，WANG Jing，et al.Study on support mechanism and the effect of shedpipe grouting technology for tunneling construction in shallow buried soft stratum［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（6）：1025－1029.（in Chinese））