何知思

(重慶建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心有限公司， 重慶 401336)

0 引言

軟弱夾層是隧道巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，與周圍巖體相比，軟弱夾層具有高壓縮性和低強度的特性，其分布特征及夾層填充物種類的變化對圍巖穩(wěn)定性的影響各異[1]。楊海鋒[2]利用數(shù)值分析著重研究了軟弱夾層的厚度、傾角、與開挖輪廓線之間的距離、分布位置對圍巖穩(wěn)定性的影響。龍帥[3]通過數(shù)值模擬分析陡傾巖層中軟弱夾層的分布對車站圍巖穩(wěn)定性的影響。張志強等[4]利用有限元分析系統(tǒng)研究了軟弱夾層分布部位對地下洞室圍巖穩(wěn)定性以及噴錨支護結(jié)構(gòu)受力性狀的影響。王勇[5]運用有限元方法對軟弱夾層在角度、長度和寬度特定，而相對于隧道的位置不同時的幾種情況進行了數(shù)值模擬，具體分析了圍巖的位移、主應力以及支護結(jié)構(gòu)受力等的變化規(guī)律?？梢?，關(guān)于含軟弱夾層圍巖的研究很多，但對軟弱夾層進行詳細分類的研究較少。

本文通過分析某高鐵隧道揭示的掌子面軟弱夾層，結(jié)合已有針對隧道軟弱夾層的研究成果，對軟弱夾層按填充物種類、厚度、含水量、分布部位及傾角進行詳細分類。本文在考慮巖體軟弱夾層的分布特征及夾層介質(zhì)的前提下，提出了隧道含軟弱夾層圍巖的分級方法，通過該分級方法在某高鐵隧道施工過程中的應用，驗證了該方法在施工時支護結(jié)構(gòu)變更設(shè)計中的準確性。

1 軟弱夾層分類指標

根據(jù)對已有研究成果的分析可知，影響軟弱夾層性質(zhì)的主要因素有：夾層填充物、夾層厚度、夾層傾角、夾層部位及夾層含水情況。因此，可根據(jù)隧道實際揭示的掌子面軟弱夾層進行以下分類。

1.1 按軟弱夾層成分分類

軟弱夾層填充物的種類對夾層的工程性質(zhì)有較大的影響，按軟弱夾層填充物的種類可分為軟巖夾層、破碎夾層以及泥化夾層，現(xiàn)場揭示相應的夾層如圖1所示。

(a) 軟巖夾層

1.2 按軟弱夾層厚度分類

通過某高鐵隧道揭示的軟弱夾層可知，軟弱夾層厚度為10 cm～5 m，體現(xiàn)了較大的離散性。對于薄層夾層，夾層的存在導致巖體的抗剪強度降低，巖體破壞的主要方式是沿著軟弱夾層發(fā)生滑動。對于中厚層夾層，其破壞方式除了沿夾層面發(fā)生滑動外，軟弱夾層富水時，夾層巖體常以塑流狀態(tài)被擠出，易發(fā)生掌子面溜塌事故。為分析夾層厚度對圍巖穩(wěn)定性影響，將軟弱夾層按厚度分為厚層夾層、中厚層夾層及薄層夾層。

1.3 按軟弱夾層傾角分類

傾角是軟弱夾層的產(chǎn)狀之一，傾角變化對開挖洞室的穩(wěn)定性有著重要影響，隨著夾層傾角的改變，開挖后隧道相應部位的位移會因夾軟弱層傾角而改變，從而影響掌子面巖體的自穩(wěn)性。直觀地來說，軟弱夾層傾角越大，夾層越靠近拱頂部位，開挖后越容易發(fā)生掉塊，甚至在夾層厚度較大時會發(fā)生坍塌。通過對文獻進行總結(jié)，并結(jié)合某高鐵隧道開挖后的掌子面典型斷面，將軟弱夾層按與水平面的夾角分為水平夾層、緩傾角夾層和陡傾角夾層。

1.4 按軟弱夾層分布位置分類

軟弱夾層相對于隧道斷面的分布部位對圍巖穩(wěn)定性也有一定影響。由于地下巖層結(jié)構(gòu)的復雜性，開挖后軟弱夾層可能分布于隧道的各個位置，根據(jù)現(xiàn)有研究成果和某高鐵隧道揭示的掌子面軟弱夾層分布位置，可將軟弱夾層分為拱部夾層、中部夾層及底部夾層。

1.5 按軟弱夾層含水情況分類

巖體中軟弱夾層隨著含水量的增加，內(nèi)摩擦角和黏聚力會隨之減小。當含水量增加到一定值時，抗剪強度達到最小值，軟弱夾層會以塑性狀態(tài)被擠出?？筛鶕?jù)軟弱夾層的狀態(tài)(硬塑、軟塑和流塑狀態(tài))，將其分為弱富水夾層、中富水夾層及富水夾層。

2 含軟弱夾層圍巖分級及應用

2.1 分級指標體系建立

含軟弱夾層圍巖分級采用的基本指標為夾層厚度、傾角、填充物種類、分布位置以及含水量，其定性值和定量值獲取方法見表1。

表1 含軟弱夾層圍巖分級指標

2.2 軟弱夾層對圍巖穩(wěn)定性的影響

本文采用大型有限元軟件Midas-GTS對已有工況進行數(shù)值模擬，通過分析數(shù)值計算結(jié)果來研究各因素對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響程度。

計算時，巖土材料按各項同性平面材料處理，圍巖材料采用Drucker-Prager屈服準則。

2.2.1 軟弱夾層厚度對圍巖穩(wěn)定性的影響

選擇水平且分布在隧道邊墻部位的軟弱夾層進行分析。夾層厚度分別選取0、0.2、0.6、1.0、1.6和2 m。

計算時選取的參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖和支護材料力學參數(shù)選取

計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同厚度工況計算結(jié)果

分析表3可知，隨著軟弱夾層厚度的增加，隧道拱頂沉降值和邊墻收斂值呈正比變化，底部隆起的值變化不大。軟弱夾層厚度為2 m時，隧道拱頂沉降值約為不含夾層工況時的1.5倍，隧道邊墻收斂值約為不含夾層工況時的8.5倍，說明軟弱夾層分布部位的變形值相對于不含夾層時變化較大，在實際工程中，應加強洞壁軟弱夾層分布部位的支護。

2.2.2 軟弱夾層傾角對圍巖穩(wěn)定性的影響

選取無夾層及與水平方向夾角為0°、15°、30°、45°和60°的軟弱夾層，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同傾角工況計算結(jié)果

分析表4可知，當夾層傾角為0°～60°時，隨著傾角的增加，隧道開挖后拱頂沉降值逐漸增大，隧道底部隆起和周邊收斂值的變化不明顯。

2.2.3 軟弱夾層位置對圍巖穩(wěn)定性的影響

設(shè)H為隧道開挖高度,選取水平且與底部距離0.2H、0.4H、0.6H、0.8H及H的軟弱夾層和無夾層6種情況進行分析，結(jié)果如表5所示。

表5 不同位置工況計算結(jié)果

分析表5可知，隨著軟弱夾層出現(xiàn)位置高度的增加，隧道拱頂沉降值逐漸減小，但是減小的幅度較小，隧道底部隆起和周邊收斂值的變化不明顯。

2.2.4 軟弱夾層填充物對圍巖穩(wěn)定性的影響

選取3種軟弱夾層工況以及硬質(zhì)夾層進行對比分析，不同夾層填充物及圍巖計算參數(shù)如表6所示。

表6 不同夾層填充物參數(shù)[6]

計算結(jié)果如表7所示。

表7 不同夾層填充物工況計算結(jié)果

分析表7可知，當軟弱夾層為泥化夾層時，隧道拱頂沉降值約為不含夾層時工況的2.5倍，說明泥化夾層對于隧道掌子面的穩(wěn)定極為不利；軟巖夾層工況和破碎夾層工況相對于無夾層工況關(guān)鍵點的位移值均有一定程度的增加，在施工過程中對軟弱夾層分布的區(qū)域應加強支護。

2.3 含軟弱夾層圍巖分級

通過前文的計算，將夾層厚度、傾角、位置、填充物及含水量對圍巖影響相同的劃分為一段，得到表8。

表8 分級指標分段情況

本文提出的含軟弱夾層圍巖的分級方法由掌子面開挖后和初期支護完成的施工災害共同決定，按可能發(fā)生的風險分為A～D(A為高施工風險；B為中等施工風險；C為一般施工風險；D為低施工風險)4個等級，如表9所示。

表9 分級等級與破壞關(guān)系對應表

指標組合后的圍巖分類方法如表10所示。

表10 含軟弱夾層圍巖分級表

2.4 含軟弱夾層圍巖分級方法的應用實例

以某高鐵隧道為例，對含軟弱夾層的圍巖進行分級，以說明該分級方法的實用性和準確性，如表11所示。

表11 含軟弱夾層圍巖分級應用實例

表11(續(xù))

由表11可知，針對含軟弱夾層圍巖的分級可基本確定軟弱夾層對隧道開挖后掌子面及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，便于在掌子面揭示相關(guān)夾層后，提前預判后續(xù)開挖及支護過程中可能出現(xiàn)的施工風險。

3 結(jié)論

本文對軟弱夾層對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響及軟弱夾層圍巖分級進行研究，結(jié)合數(shù)值模擬及已有成果分析，通過工程類比提出含軟弱夾層圍巖的分級方法，主要結(jié)論如下：

1)含軟弱夾層圍巖穩(wěn)定性的基本影響因素為夾層分布位置、厚度、傾角、填充物種類和含水情況。

2)數(shù)值模擬及國內(nèi)已有研究成果表明，軟弱夾層的厚度和填充物的種類是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，軟弱夾層傾角和分布位置對圍巖穩(wěn)定性的影響相對較小，軟弱夾層含水時，若夾層填充物為遇水軟化膨脹巖體，對圍巖穩(wěn)定性的影響較大。

3)基于圍巖分級的思路，按照軟弱夾層施工風險，按掌子面可能發(fā)生的施工風險，將含軟弱夾層圍巖分為A、B、C和D 4個等級，并給出不同指標組合。根據(jù)某高鐵隧道多個實際施工斷面的地質(zhì)條件對軟弱夾層按以上方法進行分級，通過分析開挖后掌子面災害及初期支護的破壞情況驗證了該分級方法的可行性。