摘要：為研究層面產(chǎn)狀對(duì)軟巖隧道變形的影響，文章依托某層狀軟巖地層的高速公路隧道實(shí)際工程，通過(guò)FLAC3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，分析不同巖層產(chǎn)狀下對(duì)圍巖變形與應(yīng)力的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：（1）圍巖變形的主方向隨層面產(chǎn)狀的變化存在不同程度偏轉(zhuǎn)，隨層面傾角增大逐漸從以豎向變形為主過(guò)渡到以水平變形為主，圍巖的變形方向垂直于層面時(shí)變形值最大；（2）隨著與洞壁距離的增大，圍巖的徑向應(yīng)力逐漸增大，切向應(yīng)力先增大后減小，切向應(yīng)力較大的區(qū)域圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)，且由于洞壁附近圍巖的切向應(yīng)力遠(yuǎn)大于圍巖的徑向應(yīng)力，存在較大的壓力差，導(dǎo)致洞壁附近的圍巖發(fā)生塑性變形，甚至產(chǎn)生剪切破壞。

關(guān)鍵詞：層狀軟巖隧道；層面產(chǎn)狀；隧道變形；數(shù)值計(jì)算；FLAC3D

中圖分類號(hào)：U456.3

0 引言

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的大背景下，我國(guó)建設(shè)了大量的公路隧道和鐵路隧道，現(xiàn)已成為世界上隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、覆蓋范圍最廣、工程條件最復(fù)雜、發(fā)展最迅速的國(guó)家［1］。由于我國(guó)山區(qū)面積較大，地質(zhì)情況復(fù)雜，在隧道建設(shè)過(guò)程中不可避免地需要穿越諸多不良地質(zhì)區(qū)域，如軟弱圍巖、富水地層等，隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全面臨巨大挑戰(zhàn)。軟弱圍巖指的是強(qiáng)度較低、膠結(jié)較差、空隙度較大、風(fēng)化較強(qiáng)烈的軟弱松散的圍巖［2］，在軟弱圍巖條件下開(kāi)挖隧道，極易發(fā)生大變形災(zāi)害。對(duì)于穿越軟巖地層的隧道圍巖穩(wěn)定性的研究已有了較多成果。吳明先等［3］依托陜西某超大跨度公路隧道實(shí)際工程，建立層狀地層隧道開(kāi)挖及支護(hù)的數(shù)值模型，研究了層面作用下隧道開(kāi)挖過(guò)程的力學(xué)響應(yīng)特征，分析層面傾角和層面間距對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。張頂立等［4］認(rèn)為隧道大變形災(zāi)害是由圍巖穩(wěn)定性控制不當(dāng)引起的，提出了隧道大變形控制應(yīng)以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制為核心，強(qiáng)調(diào)了超前預(yù)支護(hù)與預(yù)加固的作用，形成圍巖大變形災(zāi)害的控制關(guān)鍵技術(shù)。王亞瓊等［5］依托云南昭樂(lè)高速公路轎頂隧道實(shí)際工程，研究了高地應(yīng)力條件下緩傾層狀隧道圍巖的變形問(wèn)題，并提出了深埋緩傾層狀圍巖大變形的控制措施。劉杰等［6］依托四川某高速公路隧道實(shí)際工程，研究了軟硬巖的層厚比對(duì)圍巖壓力分布的影響規(guī)律，提出水平軟硬互層圍巖淺埋偏壓隧道的支護(hù)方法。陶志剛等［7］依托云南昌寧隧道實(shí)際工程，研究了影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素以及圍巖的破壞模式，提出了采用NPR錨索的應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)技術(shù)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)圍巖變形的控制效果。張廣澤等［8］提出了適用于不同地質(zhì)勘察階段的隧道圍巖大變形分級(jí)方法，并基于多個(gè)圍巖大變形的實(shí)際案例，對(duì)軟巖大變形的分級(jí)方法進(jìn)行驗(yàn)證。陳志敏等［9］為研究大斷面公路隧道的非對(duì)稱大變形問(wèn)題，考慮了高地應(yīng)力的第一主應(yīng)力與隧道軸線的位置關(guān)系、軟巖夾層狀態(tài)等因素，分析了非對(duì)稱大變形機(jī)理并提出針對(duì)性的支護(hù)方案。左清軍等［10］為建立一種軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力緩釋方法，開(kāi)展了室內(nèi)模型試驗(yàn)，并利用Miads GTS NX軟件建立數(shù)值模型，分析加入緩沖層前后的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性。

本文依托某層狀軟巖地層的高速公路隧道實(shí)際工程，通過(guò)FLAC 3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，分析巖層產(chǎn)狀對(duì)圍巖變形的影響規(guī)律，以期為實(shí)際隧道工程施工和后續(xù)的研究做出貢獻(xiàn)。

1 工程背景與數(shù)值建模

1.1 工程概況

本文依托某層狀軟巖地層的高速公路隧道實(shí)際工程，對(duì)層狀軟巖隧道大變形規(guī)律及其主要影響因素進(jìn)行研究。隧道的進(jìn)口高程約為2 635 m，出口高程約為3 160 m，最大埋深約為670 m，采用三臺(tái)階法進(jìn)行隧道開(kāi)挖。隧道圍巖的地層巖性主要為層狀板巖，巖質(zhì)軟弱，層理發(fā)育，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，隧址區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育。地表水為溝谷流水，其水量隨季節(jié)變換變化較大；地下水主要分為第四系孔隙水和基巖裂隙水，對(duì)隧道影響較小。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文通過(guò)FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模型的建立與計(jì)算。FLAC 3D是目前巖土力學(xué)計(jì)算最常用的數(shù)值軟件之一，用于模擬三維巖土體的力學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于隧道工程、邊坡工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支護(hù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。FLAC 3D軟件的計(jì)算原理如圖1所示。

依據(jù)實(shí)際隧道斷面建立數(shù)值模型，其中隧道洞徑r=14.2 m。為減小由邊界效應(yīng)引起的計(jì)算誤差，選取的數(shù)值模型的尺寸為120 m×90 m×130 m（長(zhǎng)×寬×高），其中x軸為水平方向，y軸為隧道軸線方向，z軸為豎直方向，建立數(shù)值模型如圖2所示。

邊界條件設(shè)置為：約束模型四周的法向位移，約束模型底面的水平和法向位移。模型的初始地應(yīng)力場(chǎng)僅考慮為重力場(chǎng)，在模型完成初始地應(yīng)力平衡后，執(zhí)行隧道開(kāi)挖的命令。采用三臺(tái)階法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m，初期支護(hù)滯后掌子面1.0 m，為減少邊界效應(yīng)的影響，取隧道縱向的中間斷面（Y=45.0 m）作為監(jiān)測(cè)面。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。

由于隧道圍巖的地層巖性主要為層狀板巖，考慮到層理面對(duì)隧道受力變形特性的影響，本文選用FLAC 3D軟件中的節(jié)理-橫向同性彈塑性模型作為巖土體的本構(gòu)模型，更貼合工程實(shí)際。層狀軟巖的計(jì)算參數(shù)如表1所示。噴射混凝土的厚度為0.3 m，彈性模量為26.5 GPa，泊松比為0.20；錨桿的密度為7 800 kg·m3，橫截面積為7.6 cm 彈性模量為200 GPa，抗拉強(qiáng)度為0.4 MPa。

2 層面產(chǎn)狀對(duì)隧道大變形的影響

為研究層面產(chǎn)狀對(duì)層狀軟巖隧道大變形的影響，考慮模型上部巖體荷載的影響，在模型上表面施加豎向應(yīng)力為19.0 MPa，同時(shí)考慮水平構(gòu)造的影響，取側(cè)壓力系數(shù)為1.2。取層面傾向和傾角分別為0°、30°、45°、60°、90°，共計(jì)工況21種，如表2所示。

2.1 洞周位移分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同層面產(chǎn)狀下的隧道開(kāi)挖面圍巖洞周位移如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)層面傾向?yàn)?°時(shí)，層面的走向與隧道縱向垂直；當(dāng)層面的傾向和傾角均為90°時(shí)，層面的走向與隧道縱向平行。在上述兩種工況中，隧道圍巖的變形呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特征，對(duì)于其他工況，隧道圍巖的變形均呈現(xiàn)不對(duì)稱分布的特征，圍巖變形的主方向存在不同程度偏轉(zhuǎn)。當(dāng)層面傾角在0°～45°時(shí)，墻腰的變形值小于仰拱的隆起值；而當(dāng)層面傾角≥60°時(shí)，墻腰的變形值大于拱頂?shù)某两抵岛脱龉暗穆∑鹬?，即隨著層面傾角的增大，隧道圍巖的變形方向逐漸從以豎向變形為主過(guò)渡到以水平變形為主。

拱頂?shù)某两底冃魏脱龉暗穆∑鹱冃尉S著層面傾角的逐漸增大而逐漸減小，當(dāng)層面傾角為0°時(shí)，拱頂沉降與仰拱隆起的方向均垂直于層面；當(dāng)層面傾角為90°時(shí)，拱頂沉降與仰拱隆起的方向均平行于層面，可知當(dāng)圍巖垂直于層面時(shí)，其變形最大。

左右拱腳的變形隨層面產(chǎn)狀的變化，其變形規(guī)律具有差異性，左拱腳位置處的變形隨層面傾角增大而逐漸減小，而右拱腳位置處的變形受傾向和傾角共同影響，當(dāng)層面傾向lt;45°時(shí)，右拱腳位置處的變形隨層面傾角增大而減??；當(dāng)層面傾向gt;45°時(shí)，右拱腳位置處的變形隨層面傾角先增大后減小。由此可知，右拱腳和左拱腳相比，其變形受層面產(chǎn)狀變化的影響更大。

左右墻腰和墻腳位置處的變形受層面傾角的影響較大，隨著層面傾角增大，圍巖變形的主方向逐漸偏轉(zhuǎn)，當(dāng)層面傾角由0°增大到90°的過(guò)程中，墻腰的變形方向從平行于層面逐漸過(guò)渡到垂直于層面，墻腰的變形逐漸增大。當(dāng)巖體的層面處于傾斜狀態(tài)時(shí)，左墻腳和右拱腳的變形方向垂直于層面，圍巖變形方向垂直于層面時(shí)圍巖變形最大，而左拱腳和右墻腳的變形方向平行于層面，圍巖變形方向平行于層面時(shí)圍巖變形最小，圍巖層面產(chǎn)狀對(duì)圍巖變形的影響顯著。

2.2 圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

為分析圍巖應(yīng)力分布特征，取層面傾向?yàn)?°、45°和90°，層面傾角為0°、30°、45°、60°和90°的工況，得到洞周圍巖最大主應(yīng)力如圖5所示，拱頂上部與墻腰外側(cè)兩倍洞徑位置處的圍巖徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，如圖6和表3所示。

如圖5所示，圍巖的最大主應(yīng)力分布隨層面傾角的變化逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨著層面傾角的增大，圍巖最大主應(yīng)力最小值呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，圍巖變形與主應(yīng)力的變化存在密切關(guān)系。

由圖6和表3可知，圍巖的徑向應(yīng)力呈現(xiàn)非線性分布的特征，隨著與洞壁距離的逐漸增大，圍巖的徑向應(yīng)力逐漸減小，在隧道洞壁位置徑向應(yīng)力達(dá)到最小值。以層面傾向90°為例，當(dāng)層面傾角分別為0°、30°、45°、60°、90°時(shí)，其拱頂位置處的徑向應(yīng)力分別為-13.82 MPa、-14.76 MPa、-14.28 MPa、-13.5 MPa、-14.03 MPa。圍巖的切向應(yīng)力也呈現(xiàn)非線性分布的特征，隨著與洞壁距離的逐漸增大，圍巖的切向應(yīng)力先增大后減小，在隧道洞壁位置附近圍巖的切向應(yīng)力達(dá)到最大值，在切向應(yīng)力較大的位置圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)。以層面傾向90°為例，當(dāng)層面傾角分別為0°、30°、45°、60°、90°時(shí)，其拱頂位置處的切向應(yīng)力分別為-33.91 MPa、-33.87 MPa、-34.47 MPa、-33.56 MPa、-33.93 MPa。由于洞壁附近圍巖的切向應(yīng)力遠(yuǎn)大于圍巖的徑向應(yīng)力，存在較大的壓力差，導(dǎo)致洞壁附近的圍巖發(fā)生塑性變形，甚至產(chǎn)生剪切破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)層面傾向?yàn)?°或?qū)用鎯A向和傾角均為90°時(shí)，隧道圍巖的變形呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特征，其他工況隧道圍巖變形均呈現(xiàn)不對(duì)稱分布的特征，圍巖變形的主方向存在不同程度偏轉(zhuǎn)，隨層面傾角增大逐漸從以豎向變形為主過(guò)渡到以水平變形為主。

（2）圍巖的變形方向垂直于層面時(shí)圍巖變形值最大。當(dāng)層面水平時(shí)，拱頂與仰拱位置的變形方向垂直于層面，變形較大；當(dāng)層面傾斜時(shí)，左墻腳與右拱腳位置的變形方向垂直于層面，變形較大；當(dāng)層面豎直時(shí)，墻腰位置的變形方向垂直于層面，變形較大。

（3）圍巖的最大主應(yīng)力最小值隨層面傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。圍巖的徑向應(yīng)力隨與洞壁距離的增大而逐漸增大，在洞壁位置達(dá)到最小值；切向應(yīng)力隨與洞壁距離的增大先增大后減小，在洞壁位置附近達(dá)到最大值，切向應(yīng)力較大的區(qū)域圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)。由于洞壁附近圍巖的切向應(yīng)力遠(yuǎn)大于圍巖的徑向應(yīng)力，存在較大的壓力差，導(dǎo)致洞壁附近的圍巖發(fā)生塑性變形，甚至產(chǎn)生剪切破壞。

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收稿日期：2023-10-16

作者簡(jiǎn)介：吳韓建（1988—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。