層狀巖體不同傾角對高地應力隧道穩定性影響分析

柳厚祥，鄭智雄，胡勇軍，趙明綱

巖體在形成的過程中，要經受各種復雜的地質作用。各種斷層、節理及裂隙等結構面發育使得巖體的物理力學性質十分復雜。其中，層狀巖體的變形和強度性質具有明顯的各向異性，巖體的破壞機理和方式也明顯不同于其他巖體。許多學者針對完整或定向節理裂隙巖石材料強度和變形各向異性的特征進行了大量的室內試驗。龔書賢［1］從層狀巖體的結構特征入手，研究了層狀巖體的各向異性特征，并對層狀巖體的強度特性和層狀圍巖的破壞特征及其影響因素進行了探討；王貴君［2］等人運用 UDEC對節理巖體大斷面隧道圍巖和支護施工全過程進行數值分析。

由于中國幅員遼闊，地質構造條件極其復雜，特別是隨著中國高速公路建設重心逐步向中西部地區轉移、隧道工程數量的不斷增多，高地應力隧道將不斷涌現，且在實際的工程建設過程中，將會遇到大量的層狀巖體圍巖。對比國內、外文獻［3－8］，針對高地應力條件下層狀巖體傾角對隧道穩定性影響的研究較少，且對構造應力影響的研究較少，作者擬研究層狀巖體的不同傾角對高地應力隧道穩定性的影響。

1 工程概況

某公路隧道為雙洞單向隧道，左線長2 695m，右線長2 705m，左、右線間距2.78～32.8m，進口端為連拱隧道，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795m，地面高程在420.25～1 336.92m之間。隧道處于高地應力區，地應力水平達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），傾角在25°～40°之間，加上節理裂隙的存在導致圍巖較不穩定。本隧道圍巖在奧陶系地層中，為瘤狀灰巖：灰色、青灰色，中薄層狀構造，層厚1.2～3.5m，巖質較堅硬，巖芯多呈柱狀，破壞形式以掉塊為主。局部巖溶發育，圍巖穩定性較差，可能發生小的坍塌，并受地下水影響較明顯，開挖時可考慮在局部采用輔助工程措施。

隧道區地下水為灰巖中的裂隙潛水，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，開挖時可能形成點滴狀出水，局部呈現淋雨狀出水。其中孔隙水主要賦存于零星分布的第四系土層內，其水量貧乏，難形成穩定的地下水面，對隧道的影響較小。

2 數值計算模型及參數選取

2.1 計算模型及邊界條件

隧道開挖僅對一定范圍內的圍巖有明顯影響。為降低邊界條件效應，數值分析模型的計算尺寸取：100m×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高度圍巖的自重應力。計算模型如圖1所示，錨桿長度3.5m，環向間距1.5m。

在深埋高地應力條件下，構造應力對隧道穩定性的影響遠遠大于豎向自重應力的影響，故在模擬時，要考慮構造應力影響，其與自重應力比值取k＝1.2。

2.2 模型參數

根據本隧道現場勘查報告及現行《公路隧道設計規范》（JTG D70－2004），隧道圍巖與支護結構力學參數見表1。為簡化計算模型，將鋼拱架和鋼筋網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為混凝土復合彈性模量，GPa；E0為原混凝土彈性模量，GPa；Ag為初期支護鋼拱架截面面積，m2；Eg為初期支護鋼拱架彈性模量，GPa；Ac為混凝土截面面積，m2。

圖1 巖層傾角為45°計算模型Fig.1 Numerical simulation model of 45°rocks dip

表1 圍巖與支護結構力學參數Table 1 Parameters of rock and support structures

2.3 模型計算

根據本隧道的實際圍巖情況，為了分析巖層特性對層狀圍巖隧道支護體系力學行為的影響，分別取層狀圍巖傾角 5°，15°，25°，35°，45°，55°，65°，75°及85°，共計9種情況，進行計算分析。

3 數值模擬分析

3.1 錨桿支護受力分析

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部位的錨桿軸力，故現只考慮隧道拱頂、左邊拱腰和左邊拱腳的錨桿軸力與巖層傾角的關系。

埋深為100m，無構造應力影響的情況下，隧道關鍵部位的錨桿軸力與巖層傾角的關系曲線如圖2所示。高地應力條件下，隧道關鍵部位的錨桿軸力與巖層傾角的關系曲線如圖3所示。

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

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

由圖2和圖3對比可知，高地應力條件下錨桿受力明顯大于普通應力條件下的錨桿受力，例如：巖層傾角為55°時，左部拱腰處高地應力條件下的錨桿受力為普通應力條件下的8倍。可見，高地應力環境下，隧道支護結構所要承受的荷載更大，與普通地應力隧道明顯不同。因此，有必要將高地應力條件下層狀巖體不同傾角對隧道穩定性的影響進行深入研究。

從圖3中可以看出，在高地應力條件下，5°～65°巖層傾角范圍內，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的趨勢隨著巖層傾角的增大而增大，特別是在25°～65°范圍內，錨桿軸力隨巖層傾角增大的趨勢明顯。故在設計與施工階段，應將巖層傾角對隧道穩定性的影響進行深入研究與分析，制定可行性的支護方案，防止圍巖發生順層滑動，保證隧道圍巖的相對穩定。

3.2 錨桿支護優化

對比不同傾角巖層的主應力分布形式以及對應的錨桿受力，發現有部分錨桿的受力很小。例如：1、2號錨桿只分布于一層巖體中，沒有起到將各層巖體串連起來的“銷釘”作用，如圖4（a）所示。故需要將錨桿支護形式進行優化，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，起到“銷釘”的作用，形成組合梁的效果，增大層間阻力，降低主應力集中程度，減小層間剪切錯動的可能性，增強隧道圍巖的穩定性。即相當于增強節理層的剪切剛度，抑制層狀圍巖的剪切滑移，增強隧道的穩定性，并適當地減小襯砌受力。

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

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

3.3 支護結構受力分析

為了解高地應力隧道的支護結構受力隨層狀巖體傾角的變化情況，選取斷面的關鍵部位進行分析。

埋深為100m，無構造應力影響的情況下（普通地應力條件下），支護結構關鍵部位應力與巖層傾角關系曲線如圖5所示。高地應力條件下，錨桿優化前的支護結構關鍵部位應力與巖層傾角關系曲線如圖6所示。高地應力條件下，錨桿優化后的支護結構關鍵部位應力曲線如圖7所示。

圖5 普通地應力條件下，支護結構應力與巖層傾角關系曲線Fig.5 The change of support structrue’s stress with rocks dip under normal geostress

圖6 高地應力條件下，支護結構應力與巖層傾角關系曲線（錨桿優化前）Fig.6 The change of support structrue’s stress with rocks dip under high geostress（before anchor optimization）

分析數值模擬結果，對比圖5和圖6可知：高地應力條件下，隧道支護結構的受力明顯大于普通地應力條件下支護結構的受力。在傾角為55°時，高地應力情況下左拱腳處的應力為普通地應力情況下的8.4倍，最小的情況也達到了4倍。可見，相對于普通地應力隧道，高地應力隧道支護結構承受的荷載更大，隧道更易因為支護結構的不合理而出現塌方等事故。因此，對高地應力隧道的支護結構進行優化，有益于保證隧道的施工安全與支護結構的質量。

從圖6和圖7中可以看出，支護結構拱頂應力隨著巖層傾角增大得不多；5°～45°傾角范圍內，左拱腰應力的變化不大，45°～85°傾角范圍內，應力隨巖層傾角的增大小幅增大；5°～65°傾角范圍內，左拱腳應力隨傾角增大而增大，65°～85°傾角范圍內，應力小幅減小；仰拱，右半斷面的拱腰、拱腳應力隨巖層傾角增大得不明顯。對比左、右拱腰和拱腳的應力發現，左半斷面支護結構受力普遍大于右半斷面的。這說明在隧道開挖過程中會引起偏壓，且在巖層傾角為45°～65°范圍內時，偏壓最嚴重。

對比分析圖6和圖7可知：在錨桿優化后，雖然錨桿應力有所增加，但支護結構受力明顯減小。拱頂、左拱腰部分支護結構應力減小了1／4，左拱腳部分應力減小幅度達到1／2。由此可知，錨桿優化后，錨桿將多層巖層串聯在了一起，從而間接增大了巖層層間阻力，減小了層間剪切錯動的可能性。從而減小了支護結構承受的荷載，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，進而增強了隧道圍巖的穩定性。

4 結論

結合本隧道的實際情況，研究高地應力條件下，不同巖層傾角的圍巖穩定性，對支護結構進行受力分析，并對錨桿支護進行優化，得出的結論為：

1）高地應力條件下，隧道支護結構的受力明顯大于普通地應力條件下的支護結構受力。在傾角為55°時，高地應力情況下左拱腳處的應力為普通地應力情況下的8.4倍；高地應力情況下左部拱腰處錨桿軸力為普通地應力情況下的8倍。因此，相對于普通地應力隧道，高地應力隧道支護結構承受的荷載更大，隧道的穩定性問題更加突出。

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

3）在高地應力隧道施工過程中，層狀圍巖的軟弱夾層極大地削弱了層狀巖體的力學性質及其穩定性，是層狀巖體破壞的主要部位。若隧道支護結構不合理，將會出現順層滑動，引起不對稱的偏壓荷載，導致隧道支護結構受力不對稱，進而導致支護結構破壞。

4）通過對錨桿與巖層相交角度進行優化設計，將錨桿與巖層大角度相交，將多層巖體串聯在了一起，間接增大了巖體層間阻力，減小了巖體出現層間剪切錯動的可能性。因此，使支護結構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，增強了隧道圍巖的穩定性。

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）：

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

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