李 爍，汪海波，趙孝學，宗 琦，徐 穎

(1. 安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2. 貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008)

層狀巖體因其明顯的各向異性變形和強度特征，在巖土工程設計、施工中不容忽視。國內(nèi)外專家學者開展了較多的研究，文獻[1]在Jaeger研究的基礎上開發(fā)了層狀巖體各向異性的彈塑性及三維粘彈塑性有限元程序。文獻[2]根據(jù)層狀巖體微觀電鏡觀測結(jié)果，引入損傷變量及損傷擴展系數(shù)，建立整體的巖體損傷演化過程的方程，逐步分析層狀巖體從損傷萌發(fā)到破壞結(jié)束的影響因素。文獻[3]從層狀巖石自身的結(jié)構(gòu)特征入手來研究巖石的各向異性、強度特性、破壞特征及其影響因素。在層狀圍巖隧道方面，文獻[4]從空間方位、幾何參數(shù)等方面詳細分析了結(jié)構(gòu)面對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。文獻[5]從巖層的受力方面對層狀巖石傾角與隧道走向關系對隧道圍巖穩(wěn)定性進行了研究，得出層狀巖體在水平和傾斜時的主要破壞部位。文獻[6]引入細觀層次的微元體，采用損傷力學和統(tǒng)計理論研究了具有軟弱結(jié)構(gòu)面的隧道破壞失穩(wěn)機理。文獻[7]分析了單軸、三軸壓縮情況下層狀巖體的應力應變響應以及強度特征。文獻[8]詳細分析了層狀軟巖隧道塌方原因以及治理措施。文獻[9]將層巖的破壞形式分為了對稱模式和非對稱模式兩種變形破壞模式。文獻[10]研究得出隧道拱腰易造成大變形及侵限的危害，并提出隧道的支護參數(shù)、開挖方法、施工工序等處理措施。文獻[11]通過模擬試驗研究單層巖石在復雜的荷載作用下的破壞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了初始縱向荷載對巖石破壞的影響。文獻[12-14]研究了傾斜巖層隧道破壞過程的演變、巖層傾角在隧道底鼓中作用，以及結(jié)構(gòu)面參數(shù)對隧道的穩(wěn)定性影響。文獻[15]從強度及穩(wěn)定性出發(fā)為節(jié)理巖體隧道穩(wěn)定分析提供新的途徑。

在實際工程中，巖層厚度和傾角并不是一成不變的，基于現(xiàn)有研究成果，采用有限元軟件ANSYS，對不同層厚和傾角時隧道、襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征進行模擬分析，為層狀巖體隧道施工和支護提供參考。

1 研究背景

新建栗木山隧道位于貴州省黔南州平塘縣，巖層水平節(jié)理發(fā)育，施工過程中實際揭露的巖層如圖1(a)所示，圖1(b)為典型斷面尺寸與支護參數(shù)。

(a)開挖工作面巖層 (b)典型隧道斷面尺寸與支護參數(shù)(cm)圖1 隧道設計和施工情況

該隧道設計為分離雙洞長隧道、雙向四車道，主洞建筑限界10.25m、凈高5.0m。隧址區(qū)屬溶蝕、侵蝕中低山地貌類型，覆蓋層巖性為粉質(zhì)粘土、塊石土、碎石土，下伏基巖為石炭系上統(tǒng)馬平組(C3mp)白云質(zhì)灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r及炭質(zhì)頁巖。

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 計算模型

由于只研究圍巖變化的影響，建立二維平面模型，為減小邊界效應的不利影響，左右邊界取隧道寬度的3～5倍，最終確定模型尺寸為100m×100m。

巖層間軟弱夾層厚度按2cm計算，計算模型按巖體層厚和結(jié)構(gòu)面傾角分別建立，如圖2所示。坐標原點在隧道拱底正下方10m處(隧道埋深81.4m)，其余深度換算成相應層厚的壓力載荷；傾角模型時均施加的壓力荷載為巖土各半時的自重荷載。下部邊界固定水平和豎向的位移，左、右僅約束水平方向位移。

(a)層厚模型 (b)傾角模型圖2 計算模型局部圖

2.2 計算參數(shù)

選用材料的物理力學參數(shù)如表1所示，模型計算模式采用plane strain及D-P準則。

表1 主要材料的物理力學參數(shù)

模擬時，采用的單位制為kg-m-s。

3 模擬分析

3.1 層狀巖體厚度對隧道的影響分析

研究層狀巖體厚度對隧道穩(wěn)定性影響時，假定巖層的結(jié)構(gòu)面傾角為零，隧道圍巖白云質(zhì)灰?guī)r巖層厚度分別按0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m和0.9m進行計算。在計算結(jié)果中選擇豎向位移進行分析，得到典型層厚時，隧道圍巖與襯砌的位移如圖3所示。

(a)層厚0.3m時巖層的豎向位移云圖

(b)層厚0.3m時襯砌的豎向位移云圖

(c)層厚0.5m時巖層的豎向位移云圖

(d)層厚0.5m時襯砌的豎向位移云圖

(e)層厚0.9m時巖層的豎向位移云圖

(f)層厚0.9m時襯砌的豎向位移云圖圖3 不同層厚時隧道與襯砌的位移云圖(單位：mm)

由圖3可知，當巖層傾角為零時，層狀巖體可視為承受均布荷載的受彎構(gòu)件，無論層厚如何變化，拱頂是隧道豎直位移變化幅度最大的部位。因此當層狀節(jié)理巖層為水平時隧道掘進施工時襯砌支護的重點應該是拱頂部位。

選取緊貼拱頂正上方水平向長15m的不同厚度巖層和襯砌支護拱頂部位的豎向位移，繪制不同層厚時巖層的豎向沉降曲線和拱頂沉降累計值，如圖4所示。

(a)不同層厚巖層的豎向位移曲線

(b)不同層厚拱頂處沉降累計值曲線圖4 隧道拱頂沉降與巖層層厚的關系

圖4(a)中，拱頂為橫坐標原點，拱頂左邊是正方向右邊為負方向，其中豎向位移結(jié)果忽略模型在自重荷載導致的沉降量?？梢?，隧道頂部的豎向位移總體呈“V”型，即拱頂處沉降量最大；層厚0.3m時巖層豎向位移最大值為7.19mm、襯砌支護拱頂處總沉降為8.23mm，層厚0.9m時巖層豎向位移為5.13mm、襯砌支護拱頂處總沉降為5.22mm；層厚由0.9m到0.3m，巖層豎向位移最大值增加了140%、拱頂處沉降量增加了158%。可以清晰地看出巖層層厚對隧道的穩(wěn)定有很大的影響。表明，隨巖層厚度的增大，隧道頂部變形逐漸減小。且，層厚0.4～0.6m時巖層豎向位移減小更快，而層厚大于0.6m時，位移變化量很小，根據(jù)圖4(b)擬合公式，拱頂沉降累計值與巖層層厚呈指數(shù)關系變化，隨著巖層層厚的增大，圍巖的穩(wěn)定性越強。

3.2 巖層結(jié)構(gòu)面傾角對隧道的影響分析

由于0.6m是隧道變形快慢的臨界層厚，在研究結(jié)構(gòu)面傾角隧道穩(wěn)定性影響時選擇巖層厚度0.6m，結(jié)構(gòu)面傾角依次為5°、15°、30°、45°、60°、75°、85°進行模擬計算。得到不同傾角下的巖層和襯砌的位移云圖如圖5所示。

(a)傾角5°巖層豎向位移

(c)傾角30°巖層豎向位移

(d)傾角30°襯砌豎向位移

(e)傾角45°巖層豎向位移

(f)傾角45°襯砌豎向位移

(g)傾角60°巖層豎向位移

(h)傾角60°襯砌豎向位移

(i)傾角85°巖層豎向位移

(j)傾角85°襯砌豎向位移圖5 不同傾角下的位移云圖 (單位：mm)

圖5表明巖層結(jié)構(gòu)面傾角不為零時隧道圍巖及襯砌發(fā)生明顯的非對稱位移，巖層傾向一側(cè)的位移要小于另一側(cè)；而且隨著巖層傾角的增大，位移云圖的非對稱性先增大后減小，當巖層傾角接近90°時這種非對稱性將近消失。此外，無論巖層的巖層傾角如何變化，對于襯砌結(jié)構(gòu)來說沉降位移最大的變形處始終是隧道的拱頂。結(jié)合巖層水平時圍巖變形情況，可得出拱頂部位是隧道層巖掘進時襯砌支護的重點。

襯砌豎向位移分布特征，在隧道圍巖和襯砌上選取6關鍵點：拱頂、左右邊墻中點、左右仰拱隅角處及隧道拱底如圖6所示，得到關鍵點的豎向位移如圖7所示。

圖6 關鍵點位置分布

圖7 關鍵點豎向位移曲線

由圖7，關鍵點A(拱頂)和F(拱底)的豎向位移沉降量隨著巖層傾角從5°到85°逐步增大而減小，尤其當巖層傾角從5°到45°之間豎向位移沉降量的變化幅度較大。隨著巖層結(jié)構(gòu)面傾角的變化左右兩側(cè)關鍵點的豎向位移沉降各不相同。隨著巖層結(jié)構(gòu)面傾角的增大，左側(cè)關鍵點的豎向位移先增大后減?。挥覀?cè)的關鍵點的豎向位移先減小后增大。而且隨著巖層結(jié)構(gòu)面傾角的增大，同一高度的關鍵點的位移沉降量差值先增大后減小，如B、C兩點和D、E兩點。由于巖層傾角從右側(cè)開始增大，因此計算結(jié)果中隧道右側(cè)的豎向位移沉降量大于隧道左側(cè)的豎向位移量沉降量，比較明顯的是左右兩側(cè)邊墻上B、C兩關鍵點豎向位移沉降量。結(jié)合圖5，巖層結(jié)構(gòu)面傾角從5°到45°逐步增大，兩側(cè)沉降量差值增大兩側(cè)巖體的位移呈現(xiàn)非對稱逐步增大，導致左右兩側(cè)巖層之間的相對滑動趨勢也會增大，甚至有可能導致隧道兩側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。巖層傾角45°時是沉降量差值最大，左右拱腳豎向位移相差1.7mm左右邊墻豎向位移相差1.8mm。巖層結(jié)構(gòu)面傾角θ從45°到85°逐步增大，兩側(cè)沉降量差值減小兩側(cè)巖體的位移呈現(xiàn)非對稱逐步減小。

由圖7還可以得出當隧道在巖層層厚恒定、傾角逐漸增大時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)由于左右兩側(cè)的不均勻沉降導致巖石錯位形成張拉破壞。因此得出當隧道在傾斜的層狀巖體中開挖，此時隧道支護的重點是襯砌結(jié)構(gòu)的兩側(cè)和豎向沉降較大的拱頂處。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

現(xiàn)場施工時，重點對二襯施工前的隧道斷面變形進行監(jiān)測。每隔10～20m及圍巖變化處布設周邊收斂及拱頂沉降觀測斷面，采用全站儀、收斂計等觀測圍巖變形量，并根據(jù)觀測變形量計算周邊位移速率和拱頂下沉速率。限于篇幅，列出部分斷面一個觀測周期的周邊收斂和拱頂位移速率分布范圍如表2、表3所示。

表2 部分斷面BC測線收斂位移速率分布范圍 mm·d-1

注：表中ZK表示隧道左線、YK為隧道右線；小里程樁號為進口段，大里程樁號為出口段；“/”表示沒有

該速率范圍結(jié)果；“8.6～8.10”表示8月6日至8月10日。表3相同。

表3 部分斷面拱頂位移速率分布范圍 mm·d-1

由表2、表3可見，除了YK51+032斷面，進出口各斷面變形速率均隨時間增大而逐漸減小，表明圍巖變形趨于穩(wěn)定。對于YK51+032斷面，出現(xiàn)的先減小后增大的現(xiàn)象，是因為周圍YK51+040處出現(xiàn)突泥，造成短時間變形增大。

施工監(jiān)測段隧道圍巖為緩傾層狀巖層，層厚0.3～0.6m不等，對比表3、圖4和圖7隧道拱頂沉降模擬結(jié)果，僅左線進口ZK49+356斷面因上覆巖層薄變形較大，其他各斷面較為吻合，表明計算結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

(1)水平巖層時，開挖后隧道頂部的豎向位移呈“V”型，最大豎向位移出現(xiàn)在隧道拱頂；拱頂沉降累計值與巖層厚度呈指數(shù)關系，隨著巖層厚度的增加大，隧道圍巖的總位移逐漸減小。對于栗木山隧道，在層厚0.3～0.6m時位移變化較為明顯，層厚大于0.6m時，位移變化量趨緩。

(2)對于傾斜層狀巖層隧道，圍巖豎向最大位移依舊是拱頂，但隨傾角的增大，位移分布存在非對稱性，非對稱性先增強后減弱，在傾角為45°時非對稱性達到最大，當巖層傾角接近90°時，兩側(cè)的位移接近對稱。

(3)隧道襯砌豎向位移最大值出現(xiàn)在拱頂，隨層厚和傾角的增大而減小，在傾角大于60°時逐漸趨于平穩(wěn)；拱腳和墻幫的位移受傾角變化小。

(4)層厚較小的層狀巖體大斷面隧道施工時應考慮分步施工、增加豎向臨時支撐，避免變形過大引起事故。