層理面傾角對隧道穿越層狀地層區域圍巖穩定性的影響分析

摘要：文章開展室內試驗并建立層狀巖體ABAQUS數值模擬模型，分析了層理面的傾角對圍巖穩定性的影響。結果表明：不同層理面傾角導致不同巖體破壞模式，分別是張拉劈裂破壞、剪切滑移破壞、穿過層理面的剪切破壞、沿層理面劈裂破壞；巖體的力學性質因層理面的存在而受到弱化，導致圍巖的穩定性降低，除0°和90°以外的其他傾角使得圍巖的變形呈現出不均勻、非對稱分布特征；圍巖拱頂和拱底位移大于拱腳，拱腳和拱腰更易產生應力集中。研究成果對今后設計和建造類似層狀巖層隧道具有一定的參考借鑒價值。

關鍵詞：隧道；圍巖；數值模擬；穩定性；層理面傾角

中圖分類號：U452.2+7" " " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.040

文章編號：1673-4874（2024）11-0133-03

0引言

隨著“十四五”規劃及“一帶一路”倡議等國家戰略的實施，我國基礎設施建設突飛猛進。隧道修建過程中常需要穿越更為復雜的地質環境，而層狀巖體分布廣泛，許多地下工程都建造在這種類型的巖體中，因層狀軟弱巖體流變參數的各向異性特征，產生非對稱型形變，會嚴重影響圍巖的穩定性，對隧道的施工安全、長期穩定性以及維護成本產生重要影響。因此亟須對隧道穿越層狀地層區域圍巖穩定性影響因素進行分析。

近年來，各研究學者對隧道圍巖穩定性進行了大量的研究，有對隧道埋藏深度、側壓系數和層理面傾角等物理力學參數及隧道直徑、襯砌形式、襯砌結構等工程參數的研究［1］。有學者使用節理組數、剪切及體積模量等參數確定圍巖的亞級和穩定跨度，用自穩跨度相對比例曲線確定BQ值亞級數值的范圍［2-3］。有學者從圍巖分級、應力應變分析、監控量測結合力學反演分析隧道圍巖特性及失穩敏感因子，預測評估圍巖變形及受力情況，綜合評價圍巖穩定性［4-5］。此外，有學者利用實際工程項目中的斷裂帶山體圍巖，構建了一個雙連拱隧道穿越斷裂帶的三維模型，通過對隧道施工過程中破碎帶圍巖的變形和應力進行三維非線性計算分析，評估圍巖的穩定性并據此采取相應的支護措施［6］。Gatelier等［7］通過試驗研究試樣的力學性質與傾角的影響關系，試驗結果也得出圍壓對試樣各向異性特征存在明顯影響。

本文通過文獻調研、室內試驗、ABAQUS數值模擬分析，對層狀地層區域頁巖各向異性力學特性進行研究，分析不同層理面傾角對層狀巖體圍巖穩定性的影響。

1工程背景

本文以某市機場線南延伸線盾構隧道施工為研究對象，該隧道里程樁號為K347+190～K349+245，長度為2 055 m。隧道開挖斷面最大寬度為14.5 m，凈高H=10.6 m。該隧道所穿越地層主要以頁巖為主，地質剖面圖見圖1。

2層狀巖層圍巖隧道失穩機制

當隧道穿越層狀巖層時，隧道周圍的圍巖失去了原有的支撐條件，導致臨空面的巖體開始發生位移。由于層狀巖層中的層間節理粘結力較弱，這些節理在受到外部應力時容易張開并破裂。隨著節理的破裂，各層層狀巖層之間的連接變得薄弱，開始分離并各自成為獨立的受力單元。這些獨立的巖層在受到彎剪作用時，由于抗彎和抗剪強度較低，容易發生剪切斷裂。巖層的斷面沿著新舊破裂面發生側向滑移和變形，進一步導致巖體向隧道開挖空間擠壓，這種擠壓作用使得巖體失去穩定性，最終可能導致隧道的失穩［8］。層狀巖層圍巖隧道失穩的原因在于巖層在失去有效約束力的條件下，其層理節理遭受破壞，并且巖層的變形不斷增大，一旦達到臨界狀態，就會導致巖體的整體失穩。

3室內試驗

本文通過單軸壓縮試驗對不同層理傾角的巖體的力學特征及破壞形態進行了分析探討。

3.1制作試樣

從隧道現場選取層狀巖體試樣，所選試樣需質地均勻、層理面清晰可見、傾角均勻、表面無裂縫缺口。鉆孔取芯了5種不同層理傾角（0°、30°、45°、60°、90°）的試件。按照要求，試樣高度與直徑之比宜為2.0～2.5，故采用高度為10 cm、直徑為5 cm的圓柱形試件。

3.2試驗設備及試驗方法

壓縮試驗采用傳感器及TAW-2000KN型巖石多功能試驗機。試驗以0.3 mm/min的速度對試件施加軸向壓力，直到試件破壞。在試驗過程中，記錄試件所受的壓力、應變及破壞形態等。

3.3抗壓強度試驗結果分析

巖石的層理面角度是破壞模式表現出各向異性的重要因素。通過整理試驗數據可得不同層理面傾角時的抗壓強度變化，見圖2。

由圖2可知，隨層理面傾角的增加，試件抗壓強度呈現先減小再增大的趨勢，說明層理面的存在降低了巖體的強度。

將單軸壓縮試驗后試件的破壞形態描繪成圖3進行分析。

由圖3可知，當層理面傾角為0°時，試件裂縫平行于加載方向，裂紋貫穿試件兩端，沿層理面未出現裂紋；當層理面傾角為30°和45°時，試件沿層理面方向產生剪切滑移破壞，部分裂縫貫穿層理且連通；當傾角為60°時，試件裂縫平行于層理面，產生剪切破壞；當傾角為90°時，試件平行于層理面劈裂破壞，且破壞較為嚴重，巖體表現出脆性特征。由此可得，不同層理面傾角下巖體破壞模式存在差異。當傾角為0°時，巖體產生張拉破壞，隨著角度的增加巖體產生沿層理面的剪切滑移破壞，當傾角增大為90°時，巖體產生劈裂張拉破壞。綜合前述理論分析與試驗結果可得，頁巖的層理面是薄弱面［9］，這種特定的層狀構造及層理面之間的弱膠結作用是造成其變形特性、破壞模式等各向異性的關鍵因素。

4有限元計算模型

隧道的開挖改變了原有的圍巖應力狀態，進而影響到圍巖的穩定性。針對層狀地層的結構及其基本力學特性，利用ABAQUS軟件對隧道穿越層狀地層過程中的圍巖穩定性進行模擬分析。通過調整不同參數，分析不同工況下隧道開挖、支護后圍巖的位移、應力及應變，可反映不同因素對圍巖穩定性的影響。

4.1模型建立

本研究采用三維實體模型模擬隧道開挖過程中的應力場和位移場變化，基于彈性力學的圣維南原理，隧道開挖導致的應力重分布主要局限于一定范圍內，而在遠離隧道開挖的區域，位移和應力的變化相對微弱。因此，在構建有限元模型時，本文將模型尺寸設定為洞徑的3倍，以確保模擬區域能夠充分涵蓋應力重分布的主要影響區，這種設定可有效地預測分析隧道開挖對周圍環境的影響。[JP3]模型根據常見的層狀巖體力學參數經驗值來確定隧道圍巖的等效參數，圍巖考慮為彈塑性材料，模型施加主動支撐力于開挖后的圍巖以提供圍巖承載力，利用Drucker-Prager準則模擬圍巖的破壞。此外，該模型不考慮地下水和地震作用的影響。數值模擬參數如表1所示。

計算模型在初始平衡階段，設定位移邊界條件，模型前后左右邊界受到水平方向的位移約束，底部受到豎直方向的位移約束，頂部為垂直地應力加載面。然后再進行開挖模擬。本次模擬采用臺階法的開挖方式，見圖4。采用應力釋放來模擬開挖面，每次完成開挖后，均及時進行初期支護，根據開挖工序監測數值模擬中各監測點位移、應力及應變特征，進而對隧道穩定性進行分析，計算模型見圖5。

在模擬初期支護時，簡化計算模型，采用梁單元并且只考慮受軸力和彎矩的作用。圍巖初期支護采用混凝土加鋼筋網和型鋼支護。采用等效折算的方法將鋼筋網及型鋼的彈性模量折算到混凝土中，折算后的力學參數表見表2。

4.2不同傾角巖層計算模型

本文分別建立無層理面及不同層理面傾角的模型，研究對隧道開挖穩定性的影響。模型X軸為水平方向，Y軸為隧道軸向，按層傾角分為無層理面、0°、30°、45°、60°和90°六種情況進行計算（圖6）。

5數值模擬結果與分析

5.1不同工況下洞周圍巖位移變化情況

總位移是各方向位移的矢量和的絕對值，能全面反映圍巖的變形情況。不同層理面傾角下圍巖的位移值見表3。

由表3可知，無層理面時圍巖的位移小于有層理面傾角時的位移，這說明了層理面的存在使圍巖的穩定性降低。無層理面及層理面為0°時，圍巖的總位移左右對稱。而當層理面傾角為30°、45°、60°時，圍巖總位移左右非對稱。當層理面傾角增大為90°時，圍巖的總位移又變為左右對稱，說明隧道左右兩側的偏壓效應從弱變強再變弱。此外，洞周圍巖位移隨傾角變化而變化，總位移最大值均出現在拱頂處，拱底的位移較大，部分角度拱腰位移較大，而拱腳位移均較小。因此，在實際隧道工程施工中為確保圍巖的穩定，應重點關注對拱頂和拱底處的變形。

5.2不同工況下圍巖塑性區變化情況

通過對比分析不同層理面傾角下隧道開挖后的圍巖塑性變形情況，可以直觀地揭示層理面傾角對圍巖應力分布的影響、圍巖穩定性的變化。不同工況下塑性區的隧道圍巖輪廓線繪制見圖7。

結合數值模擬結果和圖7可知，當隧道穿越無層理面的巖體時，未出現塑性破壞區，表明其具有較高的穩定性。不同傾角的層狀圍巖均出現塑性區，說明層理面的存在使圍巖的穩定性降低。此外，層理面傾角為0°和90°時塑性區表現出明顯的對稱性，此時隧道開挖對圍巖的影響較為均勻。隨著傾角從0°逐漸增大至90°，圍巖塑性區的分布面積呈現出先增大后減小的趨勢，表明層理面傾角的變化不僅影響塑性區面積還導致塑性區的分布形態變化。分析可得，隨著層理面傾角的變化，圍巖的塑性區也會相應地偏轉一定的角度。在工程實際應用中，可根據層理面傾角預測可能的破壞位置，并據此采取加固措施，可有效地防止圍巖失穩和開裂，確保隧道的安全穩定。

5.3初期支護受力分析

上述模型在每次開挖后均進行了支護，將不同位置受到的最大壓應力記錄整理，得出不同工況下初期支護應力值見表4。

由表4可知，無層理面時支護結構受到的壓力小于有層理面傾角時。無層理面及層理面為0°時，支護結構的受力左右對稱。而當層理面傾角為30°、45°、60°時，支護結構的受力左右非對稱。當層理面傾角增大為90°時，受力又變為左右對稱，這種變化趨勢與前文的圍巖位移變化趨勢類似。此外，支護結構受力隨傾角變化而變化，受力最大值均出現在拱腳處，實際工程應重點注意拱腳的支護，避免出現應力集中。

6結語

本文針對隧道穿越層狀地層時造成的圍巖變形失穩問題，研究了不同層理面傾角對圍巖變形與破壞特征的影響，得出以下結論：

（1）當層理面傾角在0°時易產生張拉劈裂破壞；當傾角在30°～60°時常產生剪切滑移破壞或穿過層理面的剪切破壞；當層理面傾角逐步增大至90°時，剪切滑移破壞逐漸減小，易產生劈裂破壞。

（2）在層理面傾角從0°增大到90°的過程中，圍巖的位移及塑性區均發生變化，且都比無層理面時更大更不利，說明層理面的存在降低了隧道的穩定性。

（3）在各種層理面傾角條件下，圍巖的拱頂位移始終最大，這一現象表明隧道開挖過程中塌方和大變形的高風險性。此外，拱腳和拱腰部位所受的巨大壓應力導致了明顯的應力集中，這進一步增加了施工難度和復雜性。因此，對于這些關鍵部位，施工團隊在施工過程中需特別關注并采取有效的支護和加固措施，為隧道的安全施工和長期運營提供堅實保障。

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作者簡介：甘沛玉（1986—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18