吳 迪， 陳子全， 甘林衛(wèi)， 代光輝

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 2. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142; 3. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100045)

0 引言

深埋長(zhǎng)大隧道在穿越復(fù)雜地層時(shí)，往往會(huì)受到不同角度的層狀圍巖和構(gòu)造應(yīng)力影響[1-3]，使得隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列非對(duì)稱變形和受力現(xiàn)象，尤其是隧道處在極高地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，隧道局部更容易發(fā)生大變形、坍塌等災(zāi)害問(wèn)題[4-5]。為減少隧道不利受力情況和災(zāi)害的產(chǎn)生，有必要對(duì)高地應(yīng)力下層狀圍巖隧道的圍巖變形和結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行深入的研究。

許多學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。徐松[6]針對(duì)薄層狀炭質(zhì)泥巖隧道大變形問(wèn)題提出了合理的開挖和支護(hù)措施。郭波前[7]從初始應(yīng)力場(chǎng)、巖體結(jié)構(gòu)、地下水等因素著手，探討了圍巖變形破壞的規(guī)律和機(jī)制，認(rèn)為圍巖破壞時(shí)形成破壞區(qū)、崩塌、滑動(dòng)滑移、彎曲折斷幾個(gè)區(qū)域。沙鵬等[8]分析了高地應(yīng)力條件下，不同層理面角度隧道的非對(duì)稱圍巖變形和支護(hù)受力特征。郭小龍等[9]基于單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，分析了陡傾層狀隧道的變形破壞機(jī)制。Wang等[10]揭示了層狀圍巖隧道開挖的破壞模式，認(rèn)為節(jié)理面的拉伸、滑移、斷裂影響圍巖的松動(dòng)范圍。

也有學(xué)者采用模型試驗(yàn)的方法模擬了隧道在層狀圍巖中的受力和變形。李丹等[11]和夏彬偉等[12]以共和隧道為依托，采用彈脆性相似材料模擬薄層狀頁(yè)巖，進(jìn)行了緩傾層理角度下層狀圍巖隧道的模型試驗(yàn)，得到了不同荷載下圍巖應(yīng)力和支護(hù)變形特征。張俊儒等[13]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了傾斜層狀泥巖隧道的不同支護(hù)措施。朱敬民等[14]通過(guò)模型試驗(yàn)，探明了層狀圍巖及二次襯砌的受力狀態(tài)。周曉軍等[15]對(duì)不同層理角度下順層偏壓隧道進(jìn)行模型試驗(yàn)，得出了圍巖壓力的分布特征。

綜上，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多以圍巖的不同層理面角度為研究重點(diǎn)，少數(shù)以不同側(cè)壓力系數(shù)的荷載來(lái)模擬地應(yīng)力場(chǎng)，但針對(duì)地應(yīng)力方向的研究還沒有?；诖耍疚囊曰@家?guī)r隧道為工程背景，基于該隧道圍巖變形、鋼拱架受力和二次襯砌彎矩、軸力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱變形特性和機(jī)制，然后通過(guò)數(shù)值計(jì)算，詳細(xì)研究了地應(yīng)力方向和層理角度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形、受力的影響，并提出了相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。

1 工程概況

籃家?guī)r隧道是綿竹至茂縣公路的重點(diǎn)控制性工程，于2012年12月開始動(dòng)工。該隧道全長(zhǎng)8 149 m(K43+206～K51+355)，最大埋深約1 800 m，是目前國(guó)內(nèi)埋深最大的隧道。隧址區(qū)位于5·12汶川地震核心區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，褶皺和斷裂極為發(fā)育，區(qū)域構(gòu)造為四川盆地西北部的龍門山后山推覆構(gòu)造體。根據(jù)地應(yīng)力反演結(jié)果顯示，籃家?guī)r隧道全線最大地應(yīng)力值高達(dá)72.2 MPa[16]?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面選取里程K48+800斷面，埋深約1 200 m，采用空心包體實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為49.5 MPa，屬于極高應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)斷面的地應(yīng)力值如表1所示。

表1 籃家?guī)r隧道里程K48+800處地應(yīng)力

該監(jiān)測(cè)斷面圍巖的水平最大主應(yīng)力σH與隧道走向(330°)大致平行。隧道監(jiān)測(cè)斷面圍巖屬于Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖組成為深灰色、灰色板狀千枚巖夾透鏡狀泥質(zhì)灰?guī)r，屬軟巖夾較硬質(zhì)巖，節(jié)理面極發(fā)育，裂隙間距為0.3～1.0 m。巖石抗壓強(qiáng)度較低，平均為20 MPa，力學(xué)性質(zhì)均勻性差，產(chǎn)狀350°∠57°?；@家?guī)r隧道橫斷面輪廓所受主應(yīng)力如圖1所示，其中隧道軸向主應(yīng)力σH=49.5 MPa。

圖1 隧道受力圖

籃家?guī)r隧道穿越斷層破碎帶、軟弱地層，其中Ⅴ級(jí)圍巖占比27.4%，Ⅳ級(jí)圍巖占比38.1%，Ⅲ級(jí)圍巖占比34.5%，尤其在K46+080～K49+180段，巖層呈角(礫)碎石狀、碎裂狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性極差，若支護(hù)不及時(shí)極易發(fā)生大變形、坍塌等災(zāi)害，因此有必要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形、受力特征進(jìn)行分析，以指導(dǎo)今后的設(shè)計(jì)與施工。

2 籃家?guī)r隧道結(jié)構(gòu)變形受力特征分析

2.1 支護(hù)參數(shù)及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

籃家?guī)r隧道K48+800斷面的建筑限界為9.0 m(寬)×5.0 m(高)，錨桿采用長(zhǎng)8 m、直徑22 mm的砂漿錨桿，縱向、環(huán)向間距均為1 m； 初期支護(hù)全環(huán)噴射C20混凝土，厚20 cm； 鋼筋網(wǎng)為φ8HPB300鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm； 采用I18型工字鋼，橫向間距為0.75 m； 二次襯砌為C25混凝土，厚45 cm。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括圍巖位移、鋼拱架應(yīng)力以及二次襯砌軸力和彎矩。其中： 洞周位移監(jiān)測(cè)有拱頂沉降、拱肩水平收斂、拱腰水平收斂； 鋼拱架應(yīng)力使用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)，埋設(shè)位置為拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳； 二次襯砌軸力和彎矩使用振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)，埋設(shè)位置為拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、拱底。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖位移、鋼拱架應(yīng)力以及二次襯砌彎矩與軸力的變化曲線如圖2所示，鋼拱架應(yīng)力、二次襯砌彎矩與軸力的數(shù)據(jù)分布圖如圖3所示。

從圖2和圖3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：

1)受圍巖軟弱層理面影響，隧道輪廓與層理面相切位置產(chǎn)生較大變形，最大圍巖變形產(chǎn)生在拱肩和拱腰位置，最大水平收斂達(dá)到202 mm，而拱頂沉降相對(duì)較小。

2)鋼拱架各個(gè)位置均處于受壓狀態(tài)，其中右拱腰、右拱肩、左拱腳、左拱腰位置鋼拱架應(yīng)力較大，均處于隧道輪廓與斷面最大主應(yīng)力方向垂直區(qū)域，該區(qū)域受到較強(qiáng)的地應(yīng)力擠壓作用，鋼拱架最大應(yīng)力達(dá)到184.6 MPa，但未達(dá)到屈服狀態(tài)。

3)二次襯砌各個(gè)位置均受壓，其中右拱肩、左拱腳、拱底位置的軸力較大，二次襯砌最大軸力達(dá)到2 908 kN。二次襯砌左拱肩產(chǎn)生最大正彎矩(內(nèi)側(cè)受拉)，為487 kN·m； 右拱肩位置產(chǎn)生最大負(fù)彎矩(外側(cè)受拉)，為-318 kN·m。

2.3 變形和受力機(jī)制分析

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱現(xiàn)象。由于層狀圍巖強(qiáng)度表現(xiàn)為各向異性，平行層理面方向強(qiáng)度明顯強(qiáng)于垂直層理面方向強(qiáng)度，因而在隧道輪廓與層理面相切位置的圍巖容易產(chǎn)生較大的擠出性變形，呈現(xiàn)出較大朝向隧道洞內(nèi)方向的收斂位移。在結(jié)構(gòu)受力方面，此處的軸力較小，會(huì)產(chǎn)生較大的正彎矩(內(nèi)側(cè)受拉)。

受較高的地應(yīng)力擠壓作用，隧道的非對(duì)稱變形和受力很大程度上受到地應(yīng)力方向的影響。當(dāng)?shù)貞?yīng)力方向與層理面夾角為90°時(shí)，最大地應(yīng)力直接作用于層理面受力薄弱的位置，沿層理面法線方向兩側(cè)圍巖往往產(chǎn)生較大的變形，甚至出現(xiàn)坍塌等災(zāi)害。而當(dāng)?shù)貞?yīng)力方向與層理面夾角為0°時(shí)，最大地應(yīng)力作用方向與層理面走向一致，此時(shí)在圍巖與層理面垂直位置會(huì)產(chǎn)生因?qū)訝顜r層滑移而導(dǎo)致的較大變形。當(dāng)?shù)貞?yīng)力方向與層理面夾角為45°左右時(shí)，由最大地應(yīng)力產(chǎn)生的層理面擠壓作用和滑移作用均減弱，但此時(shí)隧道圍巖會(huì)同時(shí)承受擠壓作用和滑移作用。

綜合而言，當(dāng)僅考慮層理面因素時(shí)，層理面角度由0°增加至90°的過(guò)程中，隧道圍巖的大變形位置由拱頂和拱底連續(xù)地轉(zhuǎn)移至左右拱腰； 當(dāng)同時(shí)考慮層理面和地應(yīng)力因素時(shí)，層理面和地應(yīng)力夾角由45°減小至0°的過(guò)程中，隧道圍巖的層理面滑移破壞效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，層理面和地應(yīng)力夾角由45°增加至90°的過(guò)程中，隧道圍巖的層理面擠壓破壞效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。

(a) 圍巖位移

(b) 鋼拱架應(yīng)力

(c) 二次襯砌軸力

(d) 二次襯砌彎矩

Fig. 2 Curves of site monitoring data of section K48+800 of Lanjiayan Tunnel

(a) 鋼拱架應(yīng)力(單位： MPa)

(b) 二次襯砌軸力(單位： kN)

(c) 二次襯砌彎矩(單位： kN·m)

Fig. 3 Site monitoring data diagrams of section K48+800 of Lanjiayan Tunnel

3 層狀隧道結(jié)構(gòu)非對(duì)稱變形受力模擬

為深入研究深埋板狀千枚巖隧道非對(duì)稱變形和受力機(jī)制，使用控制變量的方法，探明在不同的層理角度(α，定義為層理面的水平夾角，如圖1所示)和地應(yīng)力方向(β，定義為隧道橫斷面最大主應(yīng)力的水平夾角，如圖1所示)因素影響下，隧道圍巖變形、二次襯砌軸力與彎矩的不同特征，以籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖、支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)，采用離散元數(shù)值分析軟件UDEC進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 計(jì)算參數(shù)及模型

根據(jù)籃家?guī)r隧道地勘資料，結(jié)合巖石采樣測(cè)試結(jié)果，確定千枚巖巖體和節(jié)理面參數(shù)，如表2和表3所示。錨桿、初期支護(hù)、二次襯砌參數(shù)如表4和表5所示，其中錨桿長(zhǎng)度取為8.0 m，直徑為22 mm，每排錨桿布置數(shù)量為11根。

表2 千枚巖巖體計(jì)算參數(shù)

表3 千枚巖節(jié)理面計(jì)算參數(shù)

表4 錨桿計(jì)算參數(shù)

表5初期支護(hù)、二次襯砌計(jì)算參數(shù)

Table 5 Calculation parameters of primary support and secondary lining

支護(hù)類型厚度/mm彈性模量/GPa抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa結(jié)構(gòu)面法向剛度/(GPa/m)結(jié)構(gòu)面切向剛度/(GPa/m)初期支護(hù)20021604055二次襯砌30028.51005055

采用UDEC建立的數(shù)值模型如圖4所示，模型尺寸為100 m×100 m。模型中錨桿采用UDEC軟件內(nèi)置的cable單元模擬； 初期支護(hù)和二次襯砌采用UDEC軟件內(nèi)置的liner單元模擬； 層狀圍巖采用UDEC軟件內(nèi)置的joint單元模擬，采用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型； 節(jié)理面間距取為1.0 m，節(jié)理面間的接觸面滿足Coulomb滑移準(zhǔn)則。

圖4 計(jì)算模型圖

在計(jì)算模型中施加的地應(yīng)力為σx、σy、σz和τxy，模型計(jì)算示意圖如圖5所示。由于籃家?guī)r隧道K48+800斷面圍巖最大水平主應(yīng)力σH的方向與隧道軸向近似平行，所以取σz=σH。σx、σy和τxy的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

圖5 計(jì)算模型施加地應(yīng)力示意圖

數(shù)值計(jì)算工況如表6所示，分別考慮不同的層理角度(α=0°、22.5°、45°、67.5°、90°)和不同地應(yīng)力方向(β=-45°、-22.5°、0°、22.5°、45°)。

表6 計(jì)算工況

3.2 不同層理角度對(duì)結(jié)構(gòu)變形和受力的影響

在5個(gè)不同層理角度情況下，以地應(yīng)力方向?yàn)榭刂谱兞浚〉貞?yīng)力方向β=0°，且σ1=49.5 MPa、σ2=31.5 MPa、σ3=19.4 MPa，施加在模型的應(yīng)力等效為σx=-31.5 MPa、σy=-19.4 MPa、σz=-49.5 MPa、τxy=0 MPa。

隧道開挖完畢并施作初期支護(hù)、二次襯砌后，圍巖在5個(gè)不同層理角度下的變形云圖如圖6所示。其中，層理角度α=0°時(shí)圍巖最大位移為141.2 mm，α=22.5°時(shí)圍巖最大位移為148.1 mm，α=45°時(shí)圍巖最大位移為163.8 mm，α=67.5°時(shí)圍巖最大位移為185.9 mm，α=90°時(shí)圍巖最大位移為180.4 mm。

(a) α=0°

(b) α=22.5°

(c) α=45°

(d) α=67.5°

(e) α=90°

Fig. 6 Nephograms of tunnel surrounding rock deformation under different stratification angles (unit： m)

由圖6可以看出： 1)當(dāng)層理角度為0°、22.5°、45°、67.5°、90°時(shí)，圍巖產(chǎn)生最大變形位置依次發(fā)生在拱底(拱頂)、右拱腳、右拱腳、左拱腰、左(右)拱腰，最大變形均產(chǎn)生在層理方向與隧道輪廓相切的位置。2)變形量隨層理角度的增大而逐漸增大?？梢姡?dāng)層理角度為水平時(shí)，即使地應(yīng)力方向與層理面平行，層理面之間的相對(duì)滑移作用也大大削弱。

3.2.2 不同層理角度下二次襯砌軸力、彎矩分析

隧道二次襯砌在5個(gè)不同層理角度下的軸力、彎矩如圖7所示?？芍?層理方向與隧道輪廓相切位置處的軸力最小，正彎矩最大； 層理方向與隧道輪廓垂直位置處的軸力最大，負(fù)彎矩也最大。在5個(gè)工況中，層理角度α=90°時(shí)，二次襯砌的軸力最大，最大軸力產(chǎn)生在拱底，為2 751 kN； 層理角度α=67.5°時(shí)，二次襯砌的彎矩最大，最大正彎矩產(chǎn)生在左拱肩，為406 kN·m，最大負(fù)彎矩產(chǎn)生在右拱肩，為-385 kN·m。

(a) 二次襯砌軸力(單位： kN)

(b) 二次襯砌彎矩(單位： kN·m)

Fig. 7 Axial force and bending moment of secondary lining under different stratification angles

3.3 不同地應(yīng)力方向?qū)Y(jié)構(gòu)變形和受力的影響

在5個(gè)不同地應(yīng)力方向條件下，將層理角度當(dāng)作控制變量，取層理角度為45°。地應(yīng)力大小不變，σ1=49.5 MPa、σ2=31.5 MPa、σ3=19.4 MPa，根據(jù)不同地應(yīng)力方向，施加在模型的等效應(yīng)力如表7所示。

表7不同地應(yīng)力方向下模型施加應(yīng)力

Table 7 Stresses applied on model under different ground stress directions

地應(yīng)力方向/(°)σx/MPaσy/MPaσz/MPaτxy/MPa -45 -25.5 -25.5 -49.5 6.1-22.5-29.7-21.2-49.54.30-31.5-19.4-49.5022.5-29.7-21.2-49.5-4.345-25.5-25.5-49.5-6.1

3.3.1 不同地應(yīng)力方向下圍巖變形分析

隧道開挖完畢并施作初期支護(hù)、二次襯砌后，圍巖在5個(gè)不同地應(yīng)力方向下的變形云圖如圖8所示。其中，層理角度β=-45°時(shí)圍巖最大位移為195.5 mm，β=22.5°時(shí)圍巖最大位移為180.2 mm，β=0°時(shí)圍巖最大位移為163.8 mm，β=22.5°時(shí)圍巖最大位移為175.4 mm，β=45°時(shí)圍巖最大位移為182.5 mm。

對(duì)比圖8中β=-45°和β=45° 2種工況可以看出： 在層理角度陡傾(α=45°)的情況下，當(dāng)層理角度與地應(yīng)力方向垂直時(shí)，隧道圍巖所承受的擠壓作用要強(qiáng)于層理角度與地應(yīng)力方向平行時(shí)的滑移作用。

庫(kù)拉先生就是他們這次任務(wù)的雇主，也是孤光城里相當(dāng)有威信的商人，常年來(lái)往于各個(gè)主城，還曾到過(guò)王城，得到過(guò)人族王的召見，可以說(shuō)是一個(gè)上層的貴族。

結(jié)合3.2.1節(jié)可以得出，當(dāng)圍巖為水平或緩傾巖層(α可近似為0°)時(shí)，無(wú)論地應(yīng)力方向如何，地應(yīng)力的擠壓作用都為主導(dǎo)作用。當(dāng)圍巖為陡傾巖層時(shí)，隨著地應(yīng)力方向與層理面夾角逐步增大，地應(yīng)力對(duì)層理面的滑移作用減弱，擠壓作用增強(qiáng)。而層理角度與地應(yīng)力方向夾角為45°(β=0°)時(shí)，隧道圍巖的變形最小，由此可以判斷，此時(shí)由最大地應(yīng)力產(chǎn)生的層理面擠壓作用和滑移作用均減弱，隧道處于較穩(wěn)定的安全狀態(tài)。

3.3.2 不同地應(yīng)力方向下二次襯砌軸力、彎矩分析

隧道二次襯砌在5個(gè)不同地應(yīng)力方向下的軸力、彎矩如圖9所示。

從圖9中二次襯砌的軸力、彎矩可以看出： 層理面擠壓作用對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響較大，而層理面滑移作用對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響很小。二次襯砌軸力和彎矩均在β=-45°時(shí)達(dá)到最大，最大軸力產(chǎn)生在右拱肩附近，為4 550 kN，最大正彎矩產(chǎn)生在左拱肩附近，為505 kN·m，最大負(fù)彎矩產(chǎn)生在右拱肩附近，為-716 kN·m。

結(jié)合3.2.2節(jié)可以得出，當(dāng)圍巖為水平或緩傾巖層時(shí)，隧道拱頂和拱底為最不利受力位置。當(dāng)圍巖為陡傾巖層時(shí)，隨著地應(yīng)力方向與層理面夾角逐漸增大，隧道結(jié)構(gòu)的最不利受力位置從地應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變?yōu)閷永砻娣ň€方向。

(a) β=-45°

(b) β=-22.5°

(c) β=0°

(d) β=22.5°

(e) β=45°

Fig. 8 Nephograms of tunnel surrounding rock deformation under different ground stress directions (unit: m)

3.3.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知： 計(jì)算工況2-4中，當(dāng)層理角度α=45°、地應(yīng)力方向β=22.5°時(shí)，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)際情況(α=57°、β=24°)最為接近。

(a) 二次襯砌軸力(單位： kN)

(b) 二次襯砌彎矩(單位： kN·m)

Fig. 9 Axial force and bending moment of secondary lining under different ground stress directions

從圍巖變形上來(lái)看，監(jiān)測(cè)斷面的最大變形產(chǎn)生在拱肩和拱腰中間位置，最大收斂值為202 mm； 工況2-4中有2處產(chǎn)生較大變形，分別為拱肩和拱腰中間位置和靠近拱底位置，最大變形分別為170.0 mm和174.5 mm。從二次襯砌軸力圖上看，監(jiān)測(cè)斷面和工況2-4軸力曲線在形態(tài)上稍有差異，監(jiān)測(cè)斷面在左拱腳和右拱肩位置產(chǎn)生較大壓力，實(shí)測(cè)最大軸力為2 908 kN； 計(jì)算結(jié)果中最大壓力產(chǎn)生在拱底和右拱肩位置，計(jì)算最大軸力為1 625 kN。從二次襯砌彎矩圖上看，監(jiān)測(cè)斷面和工況2-4彎矩曲線在形態(tài)上基本一致，均在左拱腳和右拱肩位置產(chǎn)生最大負(fù)彎矩，在左拱肩和右拱腳位置產(chǎn)生最大正彎矩，實(shí)測(cè)最大正、負(fù)彎矩分別為487、-318 kN·m，計(jì)算最大正、負(fù)彎矩分別為326、-305 kN·m。

數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值上均小于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中隧道圍巖受到了開挖擾動(dòng)的影響，而且其巖體內(nèi)部存在一定的初始應(yīng)力損傷，從而導(dǎo)致圍巖承載力進(jìn)一步下降。但數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在變化規(guī)律上能夠較好匹配。

4 工程技術(shù)措施建議

籃家?guī)r隧道具有埋深大、地應(yīng)力高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，拱肩和拱腰往往是隧道結(jié)構(gòu)變形、受力的最不利位置，結(jié)合數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，可以采取以下措施：

1)對(duì)于由層理面擠壓作用導(dǎo)致的隧道圍巖大變形區(qū)域，可采用壓力型錨索對(duì)層狀圍巖法線方向進(jìn)行閉合加固。千枚巖層理間夾雜的弱膠結(jié)沉積物導(dǎo)致各個(gè)層理間近乎相互獨(dú)立，大大削弱了巖石的法向剛度。通過(guò)壓力型錨索錨固，并施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，可減小弱膠結(jié)沉積物對(duì)圍巖強(qiáng)度的削弱作用，千枚巖層理法向剛度被極大增強(qiáng)，可有效防止隧道圍巖的擠壓變形。

2)而對(duì)于由層理面滑移作用導(dǎo)致的圍巖變形區(qū)域，除使用注漿錨桿進(jìn)行注漿加固外，可增大H型鋼型號(hào)，主要增加型鋼拱架的腹板厚度，必要時(shí)可在翼緣板上焊接加筋板，防止鋼拱架側(cè)向失穩(wěn)。

3)對(duì)于存在二次襯砌軸力、彎矩不利位置的隧道斷面，可適當(dāng)增大該斷面區(qū)域范圍內(nèi)二次襯砌厚度，并延遲二次襯砌施作時(shí)間，待隧道圍巖變形收斂后再施作二次襯砌，防止二次襯砌開裂、破壞，以保證隧道的安全運(yùn)營(yíng)。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)籃家?guī)r隧道K48+800斷面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到了層狀圍巖中隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力的特征，在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值計(jì)算研究了不同層理角度和地應(yīng)力方向?qū)鷰r變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響，得到以下結(jié)論：

1)籃家?guī)r隧道K48+800斷面拱肩和拱腰位置產(chǎn)生較大的擠出變形，鋼拱架的右拱腰、右拱肩、左拱腳和左拱腰位置產(chǎn)生較大應(yīng)力，二次襯砌的左拱肩和右拱肩位置為最不利位置。

2)層狀圍巖隧道變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的非對(duì)稱性受層理角度和地應(yīng)力方向的共同影響。當(dāng)圍巖為水平或緩傾巖層(α近似為0°)時(shí)，無(wú)論地應(yīng)力方向如何，地應(yīng)力的擠壓作用都為主導(dǎo)作用，隧道拱頂和拱底將產(chǎn)生較大的擠出變形。

3)當(dāng)圍巖為陡傾巖層時(shí)，地應(yīng)力方向與層理面夾角從90°減小至0°的過(guò)程中，地應(yīng)力對(duì)層理面的作用由擠壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛谱饔?，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形、內(nèi)力的位置也從襯砌的180°-α(層理面法線方向)位置轉(zhuǎn)移至β(地應(yīng)力方向)位置。其中，地應(yīng)力方向和層理面夾角為45°時(shí)，隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定的安全狀態(tài)。

4)針對(duì)層狀圍巖隧道所遇到的非對(duì)稱變形和受力問(wèn)題，可對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非對(duì)稱設(shè)計(jì)，在最不利位置施作壓力型錨索或局部加強(qiáng)支護(hù)，從而避免斷面局部變形受力過(guò)大而影響整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。

本文針對(duì)高地應(yīng)力層狀圍巖隧道建立了二維數(shù)值模型，主要以層理角度和地應(yīng)力方向?yàn)檠芯恐攸c(diǎn)，未考慮隧道縱向開挖方式、圍巖在高地應(yīng)力下流變效應(yīng)等因素的影響，在后續(xù)研究中可以綜合考慮隧道縱向空間、時(shí)間等影響因素，進(jìn)一步完善數(shù)值計(jì)算。