順層偏壓隧道圍巖破壞規律研究及施工控制技術

阮小勇，張 佳

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611134）

引言

隧道工程在建設中難免會遇到順層偏壓問題，開挖過程中若遇傾斜巖層結構面之間發生順層滑動，則會損害施工安全和結構安全。對于此類問題，已有許多學者做出過研究，田國偉[1]和劉天長[2]等人分別依托實際工程，對隧道順層偏壓區的控制措施、治理辦法等做了較為詳細的研究。劉遠[3]基于監測數據的分析，發現順層偏壓段變形速率過快，通過數值模擬的方法，對開挖結構的參數進行了優化。楊曉輝[4]基于離散元數值模擬，提出非對稱錨桿支護方案，有效的節約了鋼筋等工程材料的用料。王路[5]針對軟弱圍巖順層隧道，對洞口段加固以及施工管理體系做了相應的研究。掌握隧道在順層偏壓區發生破壞的原理、機制，以及相應的控制措施是很有必要的。

1 工程概況

施家山隧道洞身段圍巖為砂巖加頁巖和煤層，該段洞身地表測得巖層產狀N25～70°W/45～55°SW，圍巖巖層走向與線路呈7°～15°夾角，巖層傾向于線路左側，巖層傾角在43°～55°之間，順層偏壓作用于隧道右側。隧址區存在溝水和坡面流水等地表水系，流量受季節變化較大。

2 順層偏壓原理分析

圍巖體在長期的地殼運動和地應力共同作用影響下，巖層之間會形成具有極低或沒有抗拉強度的不連續面。隧道開挖時若遇到具有結構面的圍巖地層，在隧道開挖后引起的應力重分布的作用下，圍巖可能會因為結構面破壞的發生而發生掌子面變形、失穩，甚至導致隧道坍塌等災害事故[6]。圖1 為理論計算模型。針對圓形隧道，可以通過彈塑性理論[7]推導計算隧道在傾斜地層中開挖發生剪切破壞而產生的塑性區半徑，如式1 所示。

圖1 理論計算模型

塑性區起始角β1如式（2）所示：

最大剪裂塑性區半徑rpmax如式（3）所示：

最大剪裂塑性區半徑對應的角度β2如式（4）所示：

式(1)～(4)中：c- 巖層間粘聚力（MPa）；φ- 圍巖內摩擦角（°）；cj-巖層間粘聚力（MPa）；φj-巖層間內摩擦角（°）；p0-初始地應力（MPa）；ra-圓形隧道半徑（m）；rp-塑性區破壞半徑（m）；rpmax-塑性區破壞最大半徑（m）；β-節理與巖體徑向線的夾角（°）；β1- 塑性區范圍起始角（°）；β2-最大半徑相對應角度（°）。

當粘聚力cj=0 時，通過式（1）～（4），可繪出破壞塑性區破壞分布示意圖，如圖2 所示。

圖2 塑性區分布示意

3 傾斜巖層變形機理數值模擬

本研究基于Midas gts nx 針對施家山隧道右側順層偏壓段的地質特征，進行開挖傾斜巖層變形機理的數值模擬。模型整體尺寸為100 m×120 m，本次數值模擬關注順層巖層傾角、巖層厚度、層間粘聚力對開挖變形受力的影響，只研究毛洞開挖，不涉及支護結構，共設置6 組工況，工況1 為無傾斜巖層，2 與6 分別都為1 m 厚巖層傾角40°，粘聚力前者取100 MPa，后者取200 MPa，工況3～5 分別為40°、50°、60°傾角下的2 m 厚巖層。

模型采用二維平面應變模型進行分析，地層采用Mohr-Coulomb 單元，為模擬傾斜巖層層間的各向異性，在每一層巖體間均設置界面。根據設計資料確定圍巖和界面的材料取值參數，詳見表1。

表1 圍巖及界面計算參數

3.1 不同巖層屬性對初始地應力的影響

研究對比不同工況的初始地應力場云圖（見圖3），在沒有傾斜巖層存在時，地應力的分布呈現連續且均勻的分布，同一埋深處的應力相同。而隨著傾斜巖層的出現，地應力呈現層間的不連續性，對比工況3～5 可知隨著傾斜巖層傾角的增大，這種不連續性越明顯，且隨著厚度的減小，不連續性越明顯。由于此時還未進行開挖，巖層間不發生結構面的滑移，所以對比工況3 與6，層間粘聚力對初始地應力場的影響不明顯。

圖3 不同工況初始地應力場云圖

3.2 不同巖層傾角及厚度對變形應力的影響

整合6 個工況在開挖過程中的變形受力數據，包括拱頂沉降及仰拱隆起、左右邊墻變形、最大主應力及最小主應力。分析變形受力與巖層傾角和厚度之間的影響規律，如表2 所示。

表2 開挖后變形受力隨不同巖層傾角的規律

為了更好的呈現規律變化的趨勢，在每一組監測數據中，以最大值為參考，其它數據關于最大值的比值做比較，繪制影響規律變化趨勢如圖4、圖5 所示。

圖4 變形受力隨巖層傾角的規律

圖5 變形受力隨巖層層厚的規律

傾斜巖層的存在為巖層滑動創造了條件。角度越大，滑動的趨勢越大。傾斜巖層的存在顯著增加拱頂的沉降，傾斜巖層越緩、沉降越小，但層厚越小、變形越大，另外層間的抗滑能力，即層間粘聚力降低也會使沉降變大。左右側壁的不對稱變形是傾斜巖層存在的一大特征，傾斜地層的側壁受巖層的影響強烈，巖層越陡、變形越大，而厚度減小不會對左右側壁的不均勻變形分布造成影響, 但會使水平收斂變形顯著增大。

傾斜巖層的存在會顯著的增大最大及最小主應力，并且主應力隨著巖層傾角的增大而明顯正相關，較小的巖層厚度將會產生較大的主應力。

4 隧道順層偏壓段控制措施

圖6 為預留核心土法示意圖。

圖6 預留核心土法示意

順層偏壓段采用循環開挖和預留核心土的方法，具體施工過程及施工順序：依次上環形導坑開挖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ→施作上環形導坑初期支護①→邊墻交錯開挖V、VI→邊墻初期支護②、③→核心土開挖IV→跳槽開挖下斷面Ⅵ→仰拱施工④→仰拱回填施工⑤→二次襯砌施工⑥。

5 結論

本研究針對施家山隧道面對的長段順層偏壓問題，在破壞原理、巖層屬性、相關控制措施上進行了研究，得到結論如下：

（1） 順層偏壓區圍巖體的破壞受開挖和地應力共同作用影響。

（2） 傾斜巖層的存在顯著增加拱頂的沉降，傾斜巖層越緩、沉降越小，但層厚越小、變形越大。左右側壁的不對稱變形是傾斜巖層存在的一大特征，傾斜地層的側壁受巖層的影響強烈。

（3） 主應力隨著巖層傾角的增大而明顯正相關，較小的巖層厚度將會產生較大的主應力。