阮小勇，張 佳

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611134）

引言

隧道工程在建設(shè)中難免會(huì)遇到順層偏壓?jiǎn)栴}，開(kāi)挖過(guò)程中若遇傾斜巖層結(jié)構(gòu)面之間發(fā)生順層滑動(dòng)，則會(huì)損害施工安全和結(jié)構(gòu)安全。對(duì)于此類問(wèn)題，已有許多學(xué)者做出過(guò)研究，田國(guó)偉[1]和劉天長(zhǎng)[2]等人分別依托實(shí)際工程，對(duì)隧道順層偏壓區(qū)的控制措施、治理辦法等做了較為詳細(xì)的研究。劉遠(yuǎn)[3]基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)順層偏壓段變形速率過(guò)快，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)開(kāi)挖結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。楊曉輝[4]基于離散元數(shù)值模擬，提出非對(duì)稱錨桿支護(hù)方案，有效的節(jié)約了鋼筋等工程材料的用料。王路[5]針對(duì)軟弱圍巖順層隧道，對(duì)洞口段加固以及施工管理體系做了相應(yīng)的研究。掌握隧道在順層偏壓區(qū)發(fā)生破壞的原理、機(jī)制，以及相應(yīng)的控制措施是很有必要的。

1 工程概況

施家山隧道洞身段圍巖為砂巖加頁(yè)巖和煤層，該段洞身地表測(cè)得巖層產(chǎn)狀N25～70°W/45～55°SW，圍巖巖層走向與線路呈7°～15°夾角，巖層傾向于線路左側(cè)，巖層傾角在43°～55°之間，順層偏壓作用于隧道右側(cè)。隧址區(qū)存在溝水和坡面流水等地表水系，流量受季節(jié)變化較大。

2 順層偏壓原理分析

圍巖體在長(zhǎng)期的地殼運(yùn)動(dòng)和地應(yīng)力共同作用影響下，巖層之間會(huì)形成具有極低或沒(méi)有抗拉強(qiáng)度的不連續(xù)面。隧道開(kāi)挖時(shí)若遇到具有結(jié)構(gòu)面的圍巖地層，在隧道開(kāi)挖后引起的應(yīng)力重分布的作用下，圍巖可能會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面破壞的發(fā)生而發(fā)生掌子面變形、失穩(wěn)，甚至導(dǎo)致隧道坍塌等災(zāi)害事故[6]。圖1 為理論計(jì)算模型。針對(duì)圓形隧道，可以通過(guò)彈塑性理論[7]推導(dǎo)計(jì)算隧道在傾斜地層中開(kāi)挖發(fā)生剪切破壞而產(chǎn)生的塑性區(qū)半徑，如式1 所示。

圖1 理論計(jì)算模型

塑性區(qū)起始角β1如式（2）所示：

最大剪裂塑性區(qū)半徑rpmax如式（3）所示：

最大剪裂塑性區(qū)半徑對(duì)應(yīng)的角度β2如式（4）所示：

式(1)～(4)中：c- 巖層間粘聚力（MPa）；φ- 圍巖內(nèi)摩擦角（°）；cj-巖層間粘聚力（MPa）；φj-巖層間內(nèi)摩擦角（°）；p0-初始地應(yīng)力（MPa）；ra-圓形隧道半徑（m）；rp-塑性區(qū)破壞半徑（m）；rpmax-塑性區(qū)破壞最大半徑（m）；β-節(jié)理與巖體徑向線的夾角（°）；β1- 塑性區(qū)范圍起始角（°）；β2-最大半徑相對(duì)應(yīng)角度（°）。

當(dāng)粘聚力cj=0 時(shí)，通過(guò)式（1）～（4），可繪出破壞塑性區(qū)破壞分布示意圖，如圖2 所示。

圖2 塑性區(qū)分布示意

3 傾斜巖層變形機(jī)理數(shù)值模擬

本研究基于Midas gts nx 針對(duì)施家山隧道右側(cè)順層偏壓段的地質(zhì)特征，進(jìn)行開(kāi)挖傾斜巖層變形機(jī)理的數(shù)值模擬。模型整體尺寸為100 m×120 m，本次數(shù)值模擬關(guān)注順層巖層傾角、巖層厚度、層間粘聚力對(duì)開(kāi)挖變形受力的影響，只研究毛洞開(kāi)挖，不涉及支護(hù)結(jié)構(gòu)，共設(shè)置6 組工況，工況1 為無(wú)傾斜巖層，2 與6 分別都為1 m 厚巖層傾角40°，粘聚力前者取100 MPa，后者取200 MPa，工況3～5 分別為40°、50°、60°傾角下的2 m 厚巖層。

模型采用二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析，地層采用Mohr-Coulomb 單元，為模擬傾斜巖層層間的各向異性，在每一層巖體間均設(shè)置界面。根據(jù)設(shè)計(jì)資料確定圍巖和界面的材料取值參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 圍巖及界面計(jì)算參數(shù)

3.1 不同巖層屬性對(duì)初始地應(yīng)力的影響

研究對(duì)比不同工況的初始地應(yīng)力場(chǎng)云圖（見(jiàn)圖3），在沒(méi)有傾斜巖層存在時(shí)，地應(yīng)力的分布呈現(xiàn)連續(xù)且均勻的分布，同一埋深處的應(yīng)力相同。而隨著傾斜巖層的出現(xiàn)，地應(yīng)力呈現(xiàn)層間的不連續(xù)性，對(duì)比工況3～5 可知隨著傾斜巖層傾角的增大，這種不連續(xù)性越明顯，且隨著厚度的減小，不連續(xù)性越明顯。由于此時(shí)還未進(jìn)行開(kāi)挖，巖層間不發(fā)生結(jié)構(gòu)面的滑移，所以對(duì)比工況3 與6，層間粘聚力對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)的影響不明顯。

圖3 不同工況初始地應(yīng)力場(chǎng)云圖

3.2 不同巖層傾角及厚度對(duì)變形應(yīng)力的影響

整合6 個(gè)工況在開(kāi)挖過(guò)程中的變形受力數(shù)據(jù)，包括拱頂沉降及仰拱隆起、左右邊墻變形、最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力。分析變形受力與巖層傾角和厚度之間的影響規(guī)律，如表2 所示。

表2 開(kāi)挖后變形受力隨不同巖層傾角的規(guī)律

為了更好的呈現(xiàn)規(guī)律變化的趨勢(shì)，在每一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，以最大值為參考，其它數(shù)據(jù)關(guān)于最大值的比值做比較，繪制影響規(guī)律變化趨勢(shì)如圖4、圖5 所示。

圖4 變形受力隨巖層傾角的規(guī)律

圖5 變形受力隨巖層層厚的規(guī)律

傾斜巖層的存在為巖層滑動(dòng)創(chuàng)造了條件。角度越大，滑動(dòng)的趨勢(shì)越大。傾斜巖層的存在顯著增加拱頂?shù)某两?，傾斜巖層越緩、沉降越小，但層厚越小、變形越大，另外層間的抗滑能力，即層間粘聚力降低也會(huì)使沉降變大。左右側(cè)壁的不對(duì)稱變形是傾斜巖層存在的一大特征，傾斜地層的側(cè)壁受巖層的影響強(qiáng)烈，巖層越陡、變形越大，而厚度減小不會(huì)對(duì)左右側(cè)壁的不均勻變形分布造成影響, 但會(huì)使水平收斂變形顯著增大。

傾斜巖層的存在會(huì)顯著的增大最大及最小主應(yīng)力，并且主應(yīng)力隨著巖層傾角的增大而明顯正相關(guān)，較小的巖層厚度將會(huì)產(chǎn)生較大的主應(yīng)力。

4 隧道順層偏壓段控制措施

圖6 為預(yù)留核心土法示意圖。

圖6 預(yù)留核心土法示意

順層偏壓段采用循環(huán)開(kāi)挖和預(yù)留核心土的方法，具體施工過(guò)程及施工順序：依次上環(huán)形導(dǎo)坑開(kāi)挖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ→施作上環(huán)形導(dǎo)坑初期支護(hù)①→邊墻交錯(cuò)開(kāi)挖V、VI→邊墻初期支護(hù)②、③→核心土開(kāi)挖IV→跳槽開(kāi)挖下斷面Ⅵ→仰拱施工④→仰拱回填施工⑤→二次襯砌施工⑥。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)施家山隧道面對(duì)的長(zhǎng)段順層偏壓?jiǎn)栴}，在破壞原理、巖層屬性、相關(guān)控制措施上進(jìn)行了研究，得到結(jié)論如下：

（1） 順層偏壓區(qū)圍巖體的破壞受開(kāi)挖和地應(yīng)力共同作用影響。

（2） 傾斜巖層的存在顯著增加拱頂?shù)某两?，傾斜巖層越緩、沉降越小，但層厚越小、變形越大。左右側(cè)壁的不對(duì)稱變形是傾斜巖層存在的一大特征，傾斜地層的側(cè)壁受巖層的影響強(qiáng)烈。

（3） 主應(yīng)力隨著巖層傾角的增大而明顯正相關(guān)，較小的巖層厚度將會(huì)產(chǎn)生較大的主應(yīng)力。