紅層隧道圍巖穩定性分析研究

王 碩, 張志強, 周宇鍇

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隨著川南地區高速公路鐵路的興修，出現大量穿越紅層軟巖的隧道[1]。紅層圍巖膠結程度差且富含黏土礦物導致其表現出強度低、塑性變形大、水理性強、易風化等特殊性質，同時節理發育[2-5]。在節理破碎巖體中，由于節理面的存在，特別是軟弱夾層的存在，極大削弱了巖體力學性質及其穩定性。節理面的變形與強度性質往往對于工程巖體的變形和穩定性起著控制性作用，因此，研究節理面對圍巖穩定性的影響對節理破碎巖體中隧道穩定性具有重要意義。

在國外，Kaiser[6]和Sulem等[7]較早的對隧道圍巖穩定性做了研究。在國內，劉明[1]等利用實時監測的隧道圍巖拱頂下沉和周邊收斂數據，研究了紅層隧道圍巖的穩定狀況。邵遠揚[8]研究了層狀巖體隧道圍巖穩定性及破壞模式。鄭昳[9]基于紅層的性質及大跨度隧道的特點，采用數值模擬與現場實測相結合的方法，研究得出交叉中隔法(CRD)進行開挖與支護，可以滿足隧道圍巖穩定性要求。目前學者們針對紅層工程地質條件下有關隧道圍巖穩定性方面的研究較少，因此開展紅層軟巖隧道開挖后圍巖穩定性評價及施工控制措施研究具有重要的意義。為此本文根據天坪寨隧道實際工程情況為依托，利用塊體離散元方法研究不同傾角節理地層隧道穩定性規律，提出施工控制措施，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

達萬(達州～萬州)高速公路天坪寨隧道進出口節理裂隙相對發育，而洞身發育程度相對較差。節理實測結果顯示，其主要發育3組(主控節理2組)，其中(1)J1組：產狀0～35 °∠55～77 °，間距0.2～0.5m不等，為區內的主控節理之一；(2)J2組：產狀190～230 °∠59～80 °，間距0.20～0.70m不等，為區內的主控節理之一；(3)J3組：產狀40～65 °∠60～80 °，間距0.50～1.00m不等，局部泥質充填。

2 數值模擬分析

本次計算采用離散元數值模擬方法，該方法把節理巖體視為由離散的塊體和巖塊間的節理面組成，允許巖塊平移、轉動和變形，而節理面可被壓縮、分離和滑動；從而可較真實地模擬節理巖體中非線性大變形特征。因此，對于節理發育隧道，采用UDEC進行數值模擬是非常適合的。

2.1 計算模型

計算基本假設：隧道穿越節理均勻發育的巖體和地層，節理間距相同、傾角相同；各節理計算參數相同：忽略其他復雜地質條件，如地下水滲流，斷層破碎帶等；模擬計算的毛洞斷面采用隧道設計開挖輪廓線。

天坪寨隧道計算斷面埋深573m；開挖跨徑為12m；模型寬度108m，仰拱距下邊界約36m，拱頂距上邊界約48m。模型上邊界施加上覆巖層壓力，左右邊界約束水平位移，下邊界約束其豎向位移(圖1)。

圖1 計算模型(以30°傾角節理為例)

根據天坪寨隧道鉆孔巖芯的物理力學參數，確定計算參數如表1、節理計算參數如表2。

表1 巖體計算參數

表2 節理計算參數

3.2 計算工況

在自重應力場下，0 °、30 °、60 °、90 °傾角節理隧道全斷面開挖；除節理傾角以30 °遞增變化外，各計算模型的其他計算參數相同，節理間距取0.5m，以此來探討不同節理傾角對隧道圍巖變形的影響。

3 計算結果分析

3.1 洞周沉降分析

隧道全斷面開挖計算平衡后，各工況洞周沉降分布見圖2～圖5。

圖2 0°傾角節理洞周沉降云圖(單位：m)

圖3 30°傾角節理洞周沉降云圖(單位：m)

圖4 60°傾角節理洞周沉降云圖(單位：m)

圖5 90°傾角節理洞周沉降云圖(單位：m)

從圖2～圖5中可以看出：在相同初始地應力場中，節理傾角不同，各工況的洞周沉降分布不同。由此可見不同的節理傾角會對洞周沉降產生不同的影響。節理傾角30 °和60 °時，洞壁右側沉降總體上大于洞壁左側。由此可見在巖層產狀傾斜的地質偏壓隧道中，不同節理傾角會導致洞周產生不對稱的沉降，當節理傾角在0～90 °之間時，洞壁右側沉降總體上大于洞壁左側。

從拱頂沉降計算結果可以看出：在自重應力場中，當節理傾角小于90 °時，不同節理傾角對拱頂沉降產生影響較小；但當節理傾角為90 °時，在自重應力作用下，拱頂沉降較大。故在隧道開挖后，應及時施做支護，防止拱頂沉降過大。

3.2 洞周第一主應力σ1分析

隧道全斷面開挖計算平衡后，各工況洞周第一主應力σ1分布見圖6～圖9。

圖6 0°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

圖7 30°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

圖8 60°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

圖9 90°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

從圖6～圖9中可以看出：在相同初始地應力場中，節理傾角不同，各工況的洞周第一主應力分布也不同；由此可見不同的節理傾角會對隧洞應力場分布產生影響。節理傾角30 °和60 °時，洞壁右側第一主應力總體上大于洞壁左側。由此可見在巖層產狀傾斜的地質偏壓隧道中，不同節理傾角會導致洞周產生不對稱的應力場，當節理傾角在0～ 90 °之間時，洞壁右側第一主應力總體上大于洞壁左側。

4 結論

本文主要探討在不同傾角節理巖體中隧道圍巖二次應力場分布特性以及在傾斜地質偏壓條件下隧道圍巖的變形情況。主要結論如下：

(1)不同節理傾角會對洞周沉降和洞周主應力分布產生不同的影響；洞周沉降隨著節理傾角的增大而不斷增大。

(2)巖層產狀傾斜的地質偏壓隧道會導致洞周產生不對稱的應力場分布；節理傾角不同，洞周應力場分布也不相同，洞周各項應力最大值及其發生部位也隨節理傾角的改變而不同。當節理傾角在0～ 30 °之間時，洞周第一主應力最大值大小變化不大；當節理傾角在30～ 90 °之間時，隨著節理傾角的增大，洞周第一主應力最大值反而減小；同時，隨著節理傾角不斷增大，隧道洞周第一主應力最大值的發生部位也在不斷上移。

(3)根據紅層隧道圍巖變形特征和產生原因，提出加強監控量測，提高初支強度剛度，及時封閉等施工控制措施來提高圍巖穩定性。