緩傾巖層隧道變形機理及支護手段研究*

暢 燚

(中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 401121)

0 引言

層狀巖體廣泛存在于地球上，沉積巖經變質作用后產生的變質巖普遍具有層狀結構特征[1]，自然界中的大多數巖層都是傾斜的，工程地質學將巖層與水平面夾角為α的巖層稱為傾斜巖層，當傾角α<30°時，稱為緩傾巖層。

緩傾巖層隧道工程實例較多，東興場隧道穿越水平巖層或近似水平的緩傾巖層，圍巖因巖層節理切割在隧道拱肩和拱頂處形成不完整巖塊，產生掉塊等病害。何軍等[2]使用離散元UDEC軟件對東興場隧道進行離散元數值模擬，研究巖層厚度和隧道埋深對圍巖的影響，發現層厚越大、埋深越深，圍巖穩定性越好。王睿等[3]同樣采用UDEC進行離散元數值模擬，發現巖層傾角為0°時，圍巖松動圈出現在隧道拱頂1.6～2.6m。巖層傾角為30°，45°，60°，75°時，隧道存在偏壓現象，圍巖松動圈不對稱。若傾角為0°，90°，松動圈沿隧道軸線呈對稱分布。李爍等[4]針對栗木山隧道，施工監測隧道圍巖為緩傾層狀巖層，層厚0.3～0.6m，采用ANSYS對層狀圍巖隧道開挖后圍巖和支護結構的形變與應力分布特征進行研究，發現傾斜巖層的隧道圍巖與襯砌位移存在明顯非對稱性，非對稱性隨傾角增大先增大后減小，最大豎向位移出現在隧道拱頂，最大豎向位移隨巖層厚度增大而減小，存在臨界厚度0.6m。新窯溝隧道為緩傾巖層隧道且圍巖膠結差、強度低，開挖過程中的變形破壞十分復雜。張樂中[5]對新窯溝隧道進行分析研究，提出碎裂松動、膨脹內鼓、擠壓破壞、滑動破壞和地下水破壞等是緩傾巖層隧道的主要破壞模式。

盡管在緩傾巖層地層中修建隧道的工程實例較豐富，然而理論研究仍有不足。首先，對緩傾巖層隧道開挖后的常見病害和破壞模式研究總結較多[6-7]，但緩傾巖層隧道開挖后的變形機理問題研究不足。此外，對緩傾巖層隧道開挖后的支護手段研究較少，且在JTG D70—2014《公路隧道設計規范》中沒有對緩傾巖層隧道修建做出說明，TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》中僅提到緩傾巖層地段隧道開挖后可能存在的剝落或局部坍塌情況，可使用超前錨桿對圍巖進行支護。根據調研工程修建實例可以發現，在設計和施工類似緩傾巖層隧道時，如不充分根據傾巖層開挖后的破壞特點，及時進行相應支護，施工中往往出現安全問題。

針對緩傾巖層隧道變形機理及支護手段，依托包茂高速湖南段某隧道，采用MIDAS GTS NX進行建模計算，分析緩傾巖層隧道開挖后應力和位移的變化情況，探究緩傾巖層隧道變形機理，并在此基礎上研究緩傾巖層隧道開挖后進行噴錨支護的效果。

1 工程概況

隧道位于包頭至茂名高速公路(包茂高速)，為分離式單洞雙線隧道，隧道雙洞總長870m，設計時速80km/h。吉懷高速公路大部分穿越湘西沅麻盆地，隧道所處地貌屬構造剝蝕作用形成的低山地貌，地形地質情況復雜。隧道圍巖主要為水平狀薄～中厚層泥質粉砂巖、粉(細)紅砂巖地層，圍巖級別多為Ⅲ～Ⅴ級。隧道所處巖層較緩傾水平，巖體較為破碎，層間結合差，節理裂隙發育，裂隙滲水嚴重，施工風險較大，開挖后易坍塌，開挖控制難度較大，具有較高的施工風險。

2 緩傾巖層隧道變形機理探究

巖層傾角及厚度會對緩傾巖層隧道變形產生一定影響[8]。為研究緩傾巖層傾角和厚度對開挖后圍巖變形的影響，選取5種工況建立不同傾角和巖層厚度的有限元模型進行分析，所選取工況如表1所示。

表1 計算工況

采用MIDAS GTS NX進行建模和計算，隧道斷面尺寸為12m×10m，計算邊界為80m×80m，取距隧道邊界3～4倍洞徑，模型取均勻分布節理。根據所研究問題的特點，計算模型采用平面應變模型，巖層采用莫爾-庫侖屈服準則。為研究開挖后緩傾巖層的變形機理，只研究毛洞開挖，不涉及支護結構，計算參數如下：①圍巖 重度為22.1kN/m3，彈性模量6.5GPa，泊松比0.28，內摩擦角35°，黏聚力0.4MPa；②界面的法向剛度為29GPa，切向剛度20GPa，抗拉強度2MPa，內摩擦角35°，黏聚力0.4MPa。

2.1 開挖后位移分析

為研究開挖后緩傾巖層隧道的變形規律，分別分析研究不同工況下的水平和豎向位移云圖。最大拱頂沉降及仰拱隆起變化曲線如圖1所示。

圖1 最大拱頂沉降及仰拱隆起變化

緩傾巖層角度開始增大時，仰拱隆起和拱頂沉降明顯增大，傾角超過15°后，增大趨勢明顯趨緩，傾角超過10°后，緩傾巖層傾角的增大不能使變形繼續增大，反而有減小趨勢，而厚度的減小會加劇變形。

巖層傾角和厚度變化對最大拱頂沉降和仰拱隆起的影響曲線如圖2所示。

圖2 左右邊墻變形值變化

緩傾巖層的存在會造成左右邊墻的不對稱收斂變形，緩傾巖層傾角增大使該不對稱性繼續增大，厚度減小會縮小左右變形不對稱差異。

由于緩傾巖層層間存在較弱黏結力，在緩傾巖層中開挖隧道會增大洞周收斂，由于層間界面強度低于巖體，因此巖層越薄，圍巖承載力越低，洞周變形越大。傾角越大，巖層越易沿界面發生滑移，使邊墻處的水平位移出現非對稱分布。

2.2 開挖后應力分析

為研究開挖后緩傾巖層隧道的應力變化規律，分別對不同工況下的最大、最小主應力進行分析研究。巖層傾角和厚度對最大主應力的影響曲線如圖3所示。通過最大主應力云圖可知，拱頂與拱腳處出現集中的最大主應力，通過最小主應力云圖可知，在邊墻處出現集中的最小主應力。

圖3 最大主應力變化

緩傾巖層隧道拱頂和仰拱位置產生最大主應力，緩傾巖層顯著增大最大主應力，緩傾巖層傾角增大對最大主應力的增大沒有明顯相關性；而厚度減小對最大主應力的增大有顯著效果。存在緩傾巖層后，仰拱最大主應力明顯大于拱頂，仰拱更易發生破壞。

最小主應力隨傾角和厚度的變化曲線如圖4所示。最小主應力出現在邊墻處，緩傾巖層明顯增大最小主應力，緩傾巖層傾角的增大對最小主應力增大沒有明顯相關性；由于最小主應力為負值，由最小主應力隨厚度變化曲線可知，厚度減小可小幅度增大最小主應力的絕對值。存在緩傾巖層后，最小主應力更多出現在拱腳處。

圖4 最小主應力變化

由于緩傾巖層較弱的承載能力，開挖后拱頂和仰拱處產生較大的拉應力，且層狀巖層的層間界面抗拉強度較低，極易因為過大的拉應力出現仰拱隆起破壞，且厚度越小，圍巖承載力越低越易被破壞。

2.3 開挖后剪切應變分析

巖層傾角和厚度對最大剪切應變的影響如圖5所示。通過最大剪切應變云圖可知，最大剪切應變出現在邊墻處，結合圖5,緩傾巖層明顯增大最大剪切應變，緩傾巖層傾角的增大會造成最大剪切應變集中在邊墻處的巖層層間位置。且傾角增大，剪切應變呈增大趨勢；厚度的改變對最大剪切應變的影響不顯著。傾角的存在使最大剪切應變增大，通過最大剪切應變圖可知，由于層間的弱黏結作用，層間最易發生剪切變形，導致傾角越大，最大剪切應變集中在巖層層間位置，使巖層層間易發生剪切滑移破壞。

圖5 最大剪切應變變化

3 緩傾巖層隧道變形控制方案

通過分析緩傾巖層隧道開挖過程中的應力和變形特征可知，緩傾巖層的軟弱結構面，使隧道易發生變形破壞，因此在緩傾巖層隧道施工過程中需控制變形。基于對緩傾巖層變形機理的研究結合現場工程情況，將錨桿支護優化方案作為后續施工的指導方案。

施工過程中初期支護破壞較嚴重，影響施工效率和效益，結合現場監控量測及數值模擬結果，取消原有隧道下部錨桿，調整隧道上部左側錨桿打入角度，使其與巖層傾角相互垂直，保持其他支護參數不變。

針對緩傾巖層隧道施工過程中產生的應力分布非對稱問題，采用三臺階加臨時仰拱施工，橫斷面施工工序如圖6所示。具體開挖步驟如下。

圖6 施工工序

1)爆破開挖并施作①附近的初期支護，架設鋼筋網，噴射混凝土，立鋼拱架，打徑向錨桿，復噴混凝土至規定厚度。

2)爆破開挖并施作位置②1附近的初期支護，架設鋼筋網，噴射混凝土，立鋼拱架，打徑向錨桿，復噴混凝土至規定厚度。施作②1臨時仰拱，設置臨時支撐及鋼筋網，噴射混凝土進行封閉。

3)與②1處類似，對位置②2進行施工。

4)爆破開挖并施作③1附近的邊墻初期支護，包括架設鋼筋網，噴射混凝土，立鋼拱架，打徑向錨桿，復噴混凝土至規定厚度。

5)與③1處類似，對位置③2進行施工。

6)爆破開挖并施作④附近的仰拱初期支護，包括架設鋼筋網，噴射混凝土，立鋼拱架，復噴混凝土至規定厚度。

7)施作仰拱和邊墻基礎，仰拱混凝土初凝后，填充仰拱至設計高度。

8)視現場監控量測的實際情況，判斷二砌支護時間，拆除臨時仰拱，澆筑成型。

通過數值計算，驗證該施工方案對隧道變形位移的控制效果。采用二維平面應變模型，在每層巖體間設置界面實現各向異性，以對緩傾巖層層理處的各向異性進行模擬。模型采用長3.5mφ 25mm的中空錨桿，初期支護選用0.2m厚C20噴射混凝土模擬。選取2m厚、傾角10°的緩傾巖層進行支護模擬，計算參數如表2所示。

表2 噴錨支護計算參數

支護前后的拱頂、仰拱、左邊墻、右邊墻變化如表3所示。支護前后的圍巖水平變形對比如圖7所示。

圖7 支護前后的圍巖水平變形對比

從支護前后的變形程度來看，由于噴錨支護通過錨桿加強層與層間黏結，起組合梁作用，限制剪切滑移。因此邊墻處的收斂控制效果明顯。

噴錨支護是柔性支護，具有支護及時性及與圍巖貼合緊密等優點，可有效提高圍巖的自承能力，同時控制圍巖變形。此前已廣泛應用于我國隧道工程中，通過本次研究，結合現場實施及數值模擬驗證，證明三臺階臨時仰拱加噴錨支護在緩傾巖層隧道開挖過程中控制變形的有效性。

4 結語

1)緩傾巖層易出現問題的原因在于巖層間的界面對巖體整體性造成一定程度的損害。圍巖承載力降低，使較完整的巖體更易發生破壞。

2)隧道開挖導致邊墻位置產生應力重分布，進而由于擠壓作用使臨空面發生變形，巖層界面處受剪切破壞，使巖體沿層面滑移掉塊。較薄巖層在較大拉應力作用下，仰拱和拱頂處易發生斷裂，造成塌方及拱底上拱。

3)由于噴錨支護通過錨桿加強層與層間黏結，起組合梁作用，很好限制剪切滑移，因此邊墻處的收斂控制效果明顯。

4)緩傾巖層隧道施工時，應減少擾動圍巖并及時進行支護，根據變形機理，三臺階臨時仰拱加噴錨支護手段可很好控制變形，增加層間摩阻力，提高巖層間整體性。