巖層厚度及傾角對順層隧道的圍巖穩定性影響分析

【摘 要】為探明巖層厚度及傾角對順層偏壓隧道圍巖穩定性的影響規律，采用數值計算的方法研究了不同巖層厚度及傾角下的隧道圍巖塑性區分布、圍巖位移及巖層滑移位移。研究結論表明：（1）隧道圍巖穩定性隨巖層厚度的增加逐漸增強，當巖層厚度大于5 m后，可忽略地質順層帶來的偏壓問題；（2）當巖層傾角為0°或40°時，隧道最大圍巖位移及最大結構面滑移位移相對其他傾角較大，隧道處于最不穩定狀態，隧道的最不利位置位于結構面與隧道輪廓切線平行的位置。

【關鍵詞】隧道； 圍巖穩定性； 數值計算； 巖層厚度； 巖層傾角； 監控量測

【中圖分類號】U451+.2【文獻標志碼】A

0 引言

偏壓隧道包括地形偏壓隧道及地質偏壓隧道。對于地形傾斜而引起的地形偏壓，隧道的圍巖壓力可根據TB 1003-2016《鐵路隧道設計規范》［1］，采用沿用多年且經過工程驗證的標準計算方法。但對于由軟硬巖層、傾斜順層巖體等引起的地質偏壓，目前尚無成熟的設計理論和方法，通常根據監控量測數據并結合設計經驗，采取加固圍巖和加強支護的方式來保證圍巖及支護結構的安全［2-7］。但由于隧道所處地層巖性復雜多變，巖層產狀、結構面參數、巖體參數離散型較大，且巖層產狀、結構面強度參數等與處于傾斜巖層中隧道的偏壓力學行為密切相關，故僅依靠經驗設計具有一定的片面性，在某些地層中可能由于經驗認知不足導致順層隧道在完成初期支護后發生偏壓變形，引起初支局部開裂、鋼架扭曲等現象，甚至可能導致隧道后期運營期間的二次襯砌破壞［7-10］。因此，本文采用數值模擬的方法，分析不同巖層厚度及巖層傾角下的圍巖塑性區、圍巖位移及結構面位移的分布情況，從而探明巖層厚度及巖層傾角對順層隧道圍巖穩定性的影響規律，并通過實際工程的監控量測統計資料進行驗證。研究結論可為同類隧道的設計施工提供參考。

1 計算模型及參數

本次計算采用平面應變模型，隧道跨度B為13.7 m，左、右及下邊界到隧道輪廓的距離為3B，上邊界至拱頂的距離為50 m，即隧道埋深為50 m，計算模型見圖1。巖層傾角40°，巖層厚度及巖層傾角視具體工況而定，結構面分布如圖2所示。

強度準則采用莫爾-庫倫準則，計算參數見表1。

2 巖層厚度影響分析

本次計算根據巖層厚度的不同共計10種工況（表2），分別分析不同工況下圍巖塑性區、圍巖位移及結構面位移的分布情況。但限于篇幅，只列出了部分工況的計算結果。

2.1 圍巖塑性區

圖3是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時的圍巖塑性區分布情況。巖層厚度對圍巖塑性區的分布形態及范圍有非常明顯的影響。當巖層厚度較小時（0.5 m），塑性區分布表現出明顯的偏壓特征，反傾側拱腰、反傾側邊墻、順傾側邊墻、順傾側拱腳及拱底位置的塑性區分布較廣；隨著巖層厚度的增加，塑性區范圍逐漸減小，偏壓特征逐漸消失，塑性區逐漸均勻。這表明巖層厚度增加時，結構面對圍巖穩定性的不利影響逐漸減弱，隧道逐漸趨于穩定。

2.2 圍巖豎向位移

圖4是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時的圍巖豎向位移分布云圖。從圖中可看出，巖層厚度對隧道圍巖豎向位移的大小及分布形態有明顯的影響。當巖層厚度較小時（0.5 m），隧道周邊豎向變形偏壓特征明顯，最大豎向位移發生在反傾側拱腰-拱頂及順傾側拱腳-拱底位置。隨著巖層厚度增大，豎向變形偏壓特征逐漸消失，拱部最大豎向位移位置由反傾側拱腰向拱頂過渡，仰拱最大豎向位移位置由順傾側拱腳向拱底過渡。

圖5是巖層厚度與圍巖最大豎向位移的關系曲線。根據圖5，圍巖最大豎向位移隨著巖層厚度的增大而整體呈降低趨勢，且降低幅度逐漸減小。當巖層厚度增至5 m后，繼續增加巖層厚度對洞周圍巖最大豎向位移的影響不大。由此可知，當巖層厚度位于0.5～5 m范圍內時，巖層厚度的增加有利于洞周圍巖的穩定，達到5 m后繼續增加巖層厚度，位移變化幅度很小。

2.3 圍巖水平位移

圖6是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時的圍巖水平位移分布云圖。由圖6中可看出，巖層厚度對圍巖水平位移的大小及分布形態有明顯影響。當巖層厚度較小時（0.5 m），最大水平位移在反傾側拱腰及順傾側拱腳位置，隨著巖層厚度的增大，最大水平位移位置由反傾側拱腰和順傾側拱腳逐漸向邊墻過渡，水平變形偏壓特征逐漸消失。

圖7是巖層厚度與圍巖最大水平位移的關系曲線。根據圖7，圍巖最大水平位移隨著巖層厚度的增大而整體呈降低趨勢，且降低幅度逐漸減小。當巖層厚度增加至5 m后，繼續增大巖層厚度對最大水平位移的影響不大。

2.4 結構面位移

圖8是巖層厚度分別為0.5 m、2 m、5 m及8 m時結構面滑移位移。由圖8可看出，隨著巖層厚度的增加，結構面的最大滑移位移減小，但分布形態基本不變，發生最大滑移位移的位置一直處于反傾側拱腰位置或順傾側拱腳位置。

圖9是巖層厚度與結構面最大位移的關系曲線。可以看出，巖層厚度對結構面切向滑移位移的影響較大，隨著巖層厚度增加，結構面最大滑移位移迅速減小；法向位移相對滑移位移而言較小，且基本不受巖層厚度的影響。

綜上所述，巖層厚度對順層隧道的穩定性有重要影響。當巖層厚度小于5 m時，隨著巖層厚度的增加，順層隧道的偏壓力學特征逐漸消失，圍巖趨于穩定，具體表現在：塑性區范圍、圍巖位移及結構面位移逐漸減小，塑性區分布規律與圍巖變形規律逐漸接近于各向同性、均勻地層中隧道。當巖層厚度超過5 m后，繼續增大結構面摩擦角對隧道的力學特征影響較小。

3 巖層傾角影響分析

通過分析不同傾角下的隧道圍巖塑性區、圍巖位移及結構面滑動位移的分布情況，研究巖層傾角對順層隧道圍巖穩定性的影響規律，計算工況如表3所示。

3.1 圍巖塑性區

圖10是巖層傾角為0°、20°、60°及90°時的圍巖塑性區分布圖。從該圖可看出，塑性區分布特征對巖層傾角具有追隨性，而塑性區的分布范圍變化不明顯。當結構面逆時針旋轉時，塑性區整體形狀也隨著旋轉，除巖層傾角為90°左右外，最大塑性區始終在結構面與隧道輪廓切線平行的位置。

3.2 圍巖豎向位移

圖11是巖層傾角為0°、20°、60°及90°時的圍巖豎向位移云圖。由圖11可看出，豎向位移的分布特征對巖層傾角同樣具有追隨性，當結構面逆時針旋轉時，隧周最大豎向位移的位置也隨之旋轉，除巖層傾角為90°左右外，最大位移始終在結構面與隧道輪廓切線平行的位置。

圖12是隧道圍巖最大豎向位移與巖層傾角的關系曲線圖。由圖12可以看出，當沿層傾角為0°和40°時，仰拱最大上拱量和拱部最大下沉量達到最大。

3.3 圍巖水平位移

圖13是不同巖層傾角下的圍巖水平位移云圖。由圖13可看出，水平位移的變形特征對巖層傾角具有追隨性，當巖層傾角逆時針旋轉時，隧周最大水平位移的位置也隨之旋轉，最大位移始終在結構面與隧道輪廓切線平行的位置。

圖14是圍巖最大水平位移與巖層傾角的關系。由圖14可看出，當巖層傾角為40°左右時，洞周圍巖最大水平位移達到最大值。綜合圖12與圖14可知，順層偏壓隧道存在最不利巖層傾角，本工況中的最不利傾角為0°和40°。

3.4 結構面位移

圖15是不同巖層傾角下的結構面滑移位移。由圖15可看出，結構面滑移位移分布特征對巖層傾角具有追隨性，當巖層傾角逆時針旋轉時，結構面滑移位移也隨著旋轉，最大滑移位移始終在結構面與隧道輪廓切線平行的位置。

圖16是結構面最大位移與巖層傾角的關系曲線。由圖16可看出，當巖層傾角為0°和40°時，結構面的最大切向滑移位移相對其他傾角較大。

綜上所述，隧道圍巖豎向位移、水平位移、塑性區、結構面位移的分布特征均對巖層傾角具有追隨性，分布形狀均隨著結構面的旋轉而整體旋轉。當巖層傾角為0°或40°時，隧道圍巖最大位移及結構面最大滑移位移相對其他傾角較大，隧道處于最不穩定狀態，隧道的最不利位置位于結構面與隧道輪廓切線平行的位置。

4 現場監控量測數據分析

為了驗證數值計算得出的順層隧道巖層厚度和傾角對隧道穩定性的影響規律，以京昆高速太原擴容工程的太徐隧道為工程依托，對順層隧道層厚分別為0.1 m、0.3 m、0.8 m、1.5 m、3 m、5 m、6 m、7 m的不同斷面進行拱頂位移和水平收斂的監控量測，得到不同巖層厚度的隧道斷面拱頂位移和水平收斂累計變形曲線如圖17所示。

由圖17和圖18可以看出隧道層厚在0.1～5 m之間增加時，隧道的拱頂沉降和水平收斂均不斷增大，同時變形穩定的時間在不斷減小；當隧道層厚超過5 m之后，層厚的變化基本不會對拱頂沉降和水平收斂產生影響，同時變形穩定的時間基本不變。驗證了數值計算中巖層厚度對隧道穩定性的影響規律。

5 結論

通過數值模擬的方法，分析了巖層厚度及傾角對順層隧道的圍巖穩定性影響規律。根據分析可知，隨巖層厚度增加，圍巖穩定性逐漸增強，圍巖塑性區、圍巖位移及結構面位移偏壓分布特征逐漸消失，當巖層厚度超過5 m后，可基本忽略巖層順層隧道的偏壓問題；隧道圍巖塑性區、圍巖位移及結構面位移的分布特征分布形狀均隨著結構面的旋轉而整體旋轉，最不利位置位于結構面與隧道輪廓切線平行的位置。當巖層傾角為0°或40°時，隧道圍巖處于最不穩定狀態。

參考文獻

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［作者簡介］駱耀文（1990—），男，碩士，高級工程師，研究方向為隧道工程。