順層圍巖隧道支護結構受力變形特征模擬分析

摘要 為研究順層圍巖隧道開挖支護后其支護結構受力及變形特征，以調整相應支護參數及確保隧道施工的安全性。該文依托黃百鐵路老山隧道順層圍巖段，首先對順層圍巖段隧道進行單軸抗壓強度試驗以獲取相關圍巖參數，再結合隧道實測數據進行開挖后變形相關數值模擬，對隧道塑性區分布及位移狀態進行系統性分析，以此揭示不同工況條件下順層圍巖隧道的支護結構受力特征及變形規律，最終以數值模擬分析結論，為順層隧道設計及優化施工提供

參考。

關鍵詞 順層圍巖；數值模擬；受力特征；變形規律

中圖分類號 U25 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0082-03

0 引言

隧道開挖過程中，圍巖的力學特性和支護結構的相互作用是影響隧道穩定性和施工安全的關鍵因素之一。順層圍巖通常是指圍巖中的巖層以一定傾角排列，且層理面沿隧道軸向方向展布的情況，這種地質條件下，圍巖的力學性質和應力分布呈現出與常規巖層顯著不同的特點[1]，對于此種特殊的地質結構，通過建立合理的數值模型，模擬不同施工條件下支護結構的受力過程，能幫助工程設計更好地理解隧道圍巖的變形機理及其與支護系統之間的相互作用[2]。該文依托黃百鐵路老山隧道順層圍巖段，通過單軸抗壓強度試驗獲取相關圍巖參數，在此基礎上采用數值模擬的方法對順層隧道變形情況進行模擬，以及設置不同順層圍巖工況進行模擬，以研究各條件下順層圍巖隧道支護結構受力特征。

1 工程概況

黃百鐵路老山隧道里程為D1K248+185～D1K257 +306，隧道全長9 121 m，隧道洞身段最大埋深

448 m，最小埋深為13 m。隧道區該地層總體為泥巖夾砂巖、頁巖，局部為泥巖砂巖互層。該段隧道產狀N10～18°W/30～58°NE，巖層走向與線路走向夾角22～29°，在橫斷面上的視傾角為27～54°，線路右側順層圍巖。

2 圍巖單軸抗壓強度測試

為準確模擬順層隧道圍巖受力變形特征，該文開展了順層圍巖單軸抗壓強度試驗以獲取相關圍巖參數。首先對斷面巖塊進行取樣，此次取樣里程段為D1K257+040，該段圍巖等級根據地勘資料顯示為Ⅳ級圍巖，試樣尺寸直徑取50 mm，高100 mm，取樣過程如圖1所示。

對所取巖芯樣通過電子天平稱重及游標卡尺測量其直徑來計算巖樣的天然密度，分別取三塊巖芯樣進行測試，測試如圖2所示，其天然密度分別為2.755 g/cm3、

2.734 0 g/cm3、2.744 g/cm3，平均值為2.744 g/cm3。

采用壓力試驗機對試樣進行各項單軸抗壓強度試驗，如圖3所示。根據規范中定義的天然抗壓強度、干抗壓強度以及飽和抗壓強度測定方法對圍巖試樣進行測試，其最終測試結果如表1所示。由《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016）中定義可知該隧道斷面巖石為硬巖，根據巖樣及地勘報告判定此次取樣為砂巖。最終根據試驗結果所判定巖石類別，則可獲取地勘資料中對于硬質圍巖其余相關參數，有助于數值模擬相關參數取值。

3 數值建模及分析

該數值模擬采用二維有限元分析軟件OptumG2，該軟件可自適應加密網格以獲得更加精確的結果。為避免邊界效應的影響，將模型尺寸設置為100 m×100 m，模型單元數量為20 000，根據單軸抗壓強度試驗確定該斷面圍巖為砂巖類型，因此根據地勘資料中測定的砂巖各項參數建立數值模型[3]。

巖體部分與巖層之間接觸面均采用摩爾-庫倫本構進行模擬，初支部分采用板單元進行模擬，且設計資料中顯示初期支護采用C25噴射混凝土25 cm，工況分為地應力平衡與彈塑性分析兩階段，模型示意圖如圖4所示，具體模型參數如表2所示。

該文所設模型工況分為不同順層傾角θ，不同巖層厚度h，不同側壓力系數條件K0。如圖5～7為各不同工況下圍巖塑性區分布圖。

由圖5可知，不同順層傾角對圍巖塑性區分布范圍的影響較小，且順層傾角越大塑性區的非對稱效應越明顯。由圖6可知，巖層厚度的變化對塑性區的分布形態造成影響較小，塑性區基本對稱，隨著巖層厚度增加塑性區范圍有小幅度的縮減。由圖7可看出，側壓力系數的變化對圍巖塑性區分布范圍有較大影響，當側壓力系數為0.5、0.75時，隧道塑性區主要分布在隧道拱腰與邊墻部位，隨著側壓力系數的增大，拱頂與仰拱兩部位塑性區有明顯增大趨勢，而拱腰與邊墻附件塑性區明顯縮減，但塑性區整體分布特性仍呈現對稱現象。

圖8～10為不同工況下圍巖最大位移值變化情況，由圖可看出，側壓力系數越大則圍巖最大位移越大，順層傾角與巖層厚度越小則圍巖最大位移越大。圍巖最大位移值均未超過6 cm，且由圖可看出，三種因素對于圍巖最大位移值的影響從大到小為：順層傾角、側壓力系數及巖層厚度。

4 結論

該文以黃百鐵路老山隧道順層圍巖段為研究對象，對隧道圍巖取樣進行單軸抗壓強度試驗以及建立順層圍巖相關模型，從而得出以下相關結論：

（1）該隧道斷面巖石單軸抗壓強度從大到小依次為干抗壓強度、天然抗壓強度、飽和抗壓強度，分別為76.1 MPa、62.3 MPa、53.3 MPa，隧道圍巖為硬巖。

（2）順層傾角與巖層厚度對圍巖塑性區分布范圍影響較小，側壓力系數對圍巖塑性區分布范圍造成影響較大，但塑性區整體分布特性仍呈現對稱現象。

（3）對于圍巖最大位移值的影響從大到小為：順層傾角、側壓力系數及巖層厚度。

參考文獻

[1]于國亮，婁義黎，吳國鵬，等.高地應力下順層偏壓隧道開挖變形控制技術研究[J].現代隧道技術， 2022（5）：237-245.

[2]趙東平，季啟航，王國軍.泥巖夾砂巖順層大跨度隧道力學特征研究[J].隧道建設（中英文）， 2021（5）：740-748.

[3]李深圳，沙鵬，伍法權，等.層狀結構巖體變形的各向異性特征分析[J].巖土力學， 2018（S2）：366-373.

收稿日期：2024-12-06

作者簡介：李彬（1984—），男，本科，高級工程師，從事鐵路、公路隧道和橋梁施工工作。