胡 煒，譚信榮，蔣 堯，毛堅(jiān)強(qiáng)

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

偏壓隧道包括地形偏壓隧道和地質(zhì)偏壓隧道。對(duì)于地形傾斜而引起的地形偏壓，隧道的圍巖壓力可根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 1003—2016)[1]，采用沿用多年且經(jīng)過工程驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法。但對(duì)于由軟硬巖層、傾斜順層巖體等引起的地質(zhì)偏壓，目前尚無成熟的設(shè)計(jì)理論和方法，通常根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采取加固圍巖和加強(qiáng)支護(hù)的方式來保證圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。但由于隧道所處地層巖性復(fù)雜多變，巖層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面參數(shù)、巖體參數(shù)離散型較大，故僅依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的片面性，在某些地層中可能由于經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知不足導(dǎo)致順層隧道在完成初期支護(hù)后發(fā)生偏壓變形，引起初支局部開裂、鋼架扭曲等現(xiàn)象，甚至可能導(dǎo)致隧道后期運(yùn)營期間的二次襯砌破壞[2-6]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)順層隧道相關(guān)問題已進(jìn)行了一定的研究。夏彬偉等[7-8]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，研究了順層偏壓隧道的圍巖壓力分布特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，認(rèn)為順層隧道的反傾側(cè)拱腰為最危險(xiǎn)的區(qū)域，且根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演出共和隧道的巖體地應(yīng)力；張發(fā)明等[9]采用塊體理論提出了層狀巖體開挖洞室圍巖塊體穩(wěn)定分析及錨固方法；孫偉亮[10-11]研究了順層隧道的施工力學(xué)行為及技術(shù)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)面傾角較小時(shí)，不易產(chǎn)生順層滑動(dòng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角增大時(shí)，隧道拱部的偏壓程度將隨傾角的增大而增大；趙景彭[12]研究了節(jié)理傾角對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，認(rèn)為節(jié)理傾角較小時(shí)，不易產(chǎn)生順層滑動(dòng)，傾角增大時(shí)巖層順弱勢(shì)節(jié)理面滑動(dòng)趨勢(shì)增大，洞周破壞只受節(jié)理面強(qiáng)度的影響。此外，也有學(xué)者在順層隧道圍巖塑性區(qū)、錨桿支護(hù)方式等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[13-15]。

根據(jù)調(diào)研，目前研究多采用數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式對(duì)順層隧道的力學(xué)特征、圍巖穩(wěn)定性等進(jìn)行研究，而對(duì)順層隧道發(fā)生偏壓現(xiàn)象及產(chǎn)生破壞原因的研究較少，一般認(rèn)為順層隧道的破壞及偏壓現(xiàn)象是由巖層沿結(jié)構(gòu)面滑移產(chǎn)生，未從巖層受力特征上理論地闡述該類隧道不同圍巖區(qū)域的破壞機(jī)制。同時(shí)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)及結(jié)構(gòu)面傾角與隧道圍巖塑性區(qū)、位移場(chǎng)分布規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系也有待進(jìn)一步研究。本文以鄭萬線某在建隧道為例，采用理論分析和數(shù)值模擬分析了深埋順層偏壓隧道圍巖破壞機(jī)理及破壞規(guī)律，以期為順層偏壓隧道的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程背景

鄭萬線某在建隧道進(jìn)口里程DK500+200，出口里程DK513+980，全長約14.58 km，為時(shí)速350 km/h的客運(yùn)專線雙線隧道，采用了“2橫洞+1斜井+2平導(dǎo)”的輔助坑道設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。在隧道施工過程中，斜井工區(qū)D1K509+400～D1K509+640段隧道在初期支護(hù)完成后出現(xiàn)了不同程度的偏壓變形，出現(xiàn)了單側(cè)噴射混凝土破裂、鋼架扭曲的情況。

圖1 隧道平面圖

本段地層為頁巖夾砂巖，巖層產(chǎn)狀主要為N45°～55°E/30°～45°S，與線路夾角30°～45°，掌子面左側(cè)為順傾側(cè)，右側(cè)為反傾側(cè)，層間綜合摩擦角大約為20°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，該段破壞及變形特征主要表現(xiàn)為反傾側(cè)拱腰—邊墻附近噴射混凝土破裂，且變形相對(duì)順傾側(cè)較大，嚴(yán)重者導(dǎo)致鋼架局部扭曲。為了探明順層偏壓隧道的破壞特征及規(guī)律，從而提出針對(duì)性的支護(hù)方案，本文采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)順層偏壓隧道的圍巖破壞機(jī)理及規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

2 深埋順層隧道破壞機(jī)理分析

2.1 理論分析

假設(shè)某試件內(nèi)存在一貫通結(jié)構(gòu)面，該結(jié)構(gòu)面外法線與最大主應(yīng)力夾角為β(圖2)。試件在外力作用下可能產(chǎn)生2種不同的破壞方式，即產(chǎn)生完整巖石的剪切破壞和沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移破壞。2種剪切破壞均滿足莫爾-庫倫理論，如式(1)和式(2)：

τ=c+σtanφ

(1)

τ=cj+σtanφj

(2)

其中：c，φ——巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角；

cj，φj——結(jié)構(gòu)面黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖2 結(jié)構(gòu)面巖體單元模型

圖3 結(jié)構(gòu)面破壞分析

巖體試件發(fā)生何種破壞取決于結(jié)構(gòu)面的外法線與最大主應(yīng)力夾角β的大小。根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則可知，若試件發(fā)生完整的巖石剪切破壞，破裂面與最大主應(yīng)力作用面夾角為常數(shù)45°+φ/2；而當(dāng)結(jié)構(gòu)面角度β滿足條件2β1<2β<2β2，即β1<β<β2時(shí)，試件只沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞(圖3)，此時(shí)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度應(yīng)滿足式(3)～(5)：

τA=σAtanφj+cj

(3)

(4)

(5)

根據(jù)隧道力學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)于處于均勻地層中的深埋圓形隧道，塑性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力與側(cè)壓力系數(shù)λ=1條件下純彈性狀態(tài)下的徑向應(yīng)力非常接近，因此假設(shè)處于傾斜巖層中的深埋圓形隧道的塑性區(qū)徑向應(yīng)力與純彈性狀態(tài)下的徑向應(yīng)力相同[16]，即：

(6)

式中：σrp——塑性區(qū)徑向應(yīng)力；

p0——初始應(yīng)力；

ra——隧道半徑；

r——計(jì)算點(diǎn)距隧道中心的距離。

另外，假設(shè)塑性區(qū)內(nèi)的切向應(yīng)力受結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度控制，即塑性區(qū)內(nèi)的抗剪強(qiáng)度均滿足公式(3)，則根據(jù)式(3)～(6)，可得塑性區(qū)內(nèi)的切向應(yīng)力為：

(7)

式中：β——節(jié)理與單元體徑向線的夾角(圖4)。

圖4 順層隧道計(jì)算模型

彈性區(qū)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力與均勻地層中的深埋圓形隧道相同[16]，即：

(8)

塑性區(qū)邊界上的應(yīng)力與彈性應(yīng)力相同，即當(dāng)r=rp時(shí)，σθp=σθe，σrp=σre，則根據(jù)式(6)～(8)及邊界條件可得塑性區(qū)半徑為：

(9)

當(dāng)rp>ra時(shí)，隧道周邊產(chǎn)生塑性區(qū)，故根據(jù)式(9)可得塑性區(qū)起始角為：

(10)

當(dāng)sin(2β-φj)=1時(shí)，最大剪裂區(qū)半徑為：

(11)

最大剪裂區(qū)半徑對(duì)應(yīng)的角度：

(12)

根據(jù)式(9)～(12)，可確定塑性區(qū)范圍及大小。當(dāng)黏聚力cj=0時(shí)，深埋層狀巖體隧道塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5可看出，對(duì)于深埋順層隧道，由于結(jié)構(gòu)面剪切破壞產(chǎn)生的塑性區(qū)分別分布在反傾側(cè)拱頂—邊墻及順傾側(cè)邊墻—拱底的位置。但需注意的是，圖5僅為結(jié)構(gòu)面剪切破壞產(chǎn)生的塑性區(qū)，實(shí)際洞周還有可能存在由于巖體破壞產(chǎn)生的塑性區(qū)。

圖5 結(jié)構(gòu)面剪切破壞塑性區(qū)(cj=0)

2.2 數(shù)值分析

本次計(jì)算采用平面應(yīng)變模型，隧道跨度B為13.7 m，左、右及下邊界到隧道輪廓的距離為3B，上邊界至拱頂?shù)木嚯x為50 m，即隧道埋深為50 m，結(jié)構(gòu)面間距0.5 m，傾角40°，如圖6所示。側(cè)壓力系數(shù)λ=1，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)面分布

圖7為隧道開挖后的洞周塑性區(qū)、水平位移、豎向位移及結(jié)構(gòu)面滑移位移的分布情況。從圖7中可看出，隧道開挖后，反傾側(cè)拱腰及順傾側(cè)拱腳位置的塑性區(qū)范圍、水平位移、豎向位移及結(jié)構(gòu)面滑移位移最大，故這兩個(gè)位置為洞周最不穩(wěn)定區(qū)域。

根據(jù)圖7(a)，繪制塑性區(qū)分布輪廓圖(圖8)。對(duì)比分析圖5和圖8可知，圖5中由于結(jié)構(gòu)面剪裂破壞產(chǎn)生的4個(gè)塑性區(qū)在圖8中對(duì)應(yīng)2～5號(hào)塑性區(qū)，而1，6和7，8號(hào)塑性區(qū)的形成機(jī)理與2～5號(hào)塑性區(qū)不同。1，6號(hào)塑性區(qū)分別位于隧道反傾側(cè)拱腰和順傾側(cè)拱腳，正好處于最大主應(yīng)力(切向應(yīng)力)與結(jié)構(gòu)面平行的位置，該位置巖體由于結(jié)構(gòu)面的存在，層狀巖層之間不存在或存在較小的法向黏結(jié)力，且由于隧道周邊徑向應(yīng)力較小，故當(dāng)以切向應(yīng)力為主導(dǎo)的地應(yīng)力相對(duì)水平作用于薄至中厚層狀巖體時(shí)，巖體將產(chǎn)生較大的彎曲變形趨勢(shì)或變形，引起巖體沿結(jié)構(gòu)面的滑移甚至錯(cuò)動(dòng)，從而引起巖體撓曲變形產(chǎn)生垂直層面的拉應(yīng)力導(dǎo)致巖層破裂甚至斷裂(圖9)。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖7 塑性區(qū)及位移場(chǎng)分布

圖8 塑性區(qū)分布輪廓圖

圖9 巖層拉裂破壞示意圖

而7，8號(hào)塑性區(qū)位于圍巖切向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面方向垂直的位置，巖體在切向應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，此時(shí)結(jié)構(gòu)面不會(huì)產(chǎn)生滑移。

綜上所述，順層偏壓隧道附近巖體存在3種破壞模式，根據(jù)圍巖切向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面夾角的不同將分別發(fā)生巖層拉裂破壞、結(jié)構(gòu)面剪切破壞及巖體自身破壞，并以巖層拉裂破壞和結(jié)構(gòu)面剪切破壞為主。

3 深埋順層隧道破壞規(guī)律分析

3.1 計(jì)算工況

這里主要研究結(jié)構(gòu)面摩擦角與結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)隧道塑性區(qū)及位移場(chǎng)的影響規(guī)律，從而探明不同摩擦角及結(jié)構(gòu)面傾角下的破壞特征。研究方法采用數(shù)值模擬，計(jì)算模型如圖6所示，圍巖參數(shù)如表1所示，計(jì)算工況如表2所示。其中，工況1中結(jié)構(gòu)面傾角為40°，工況2中結(jié)構(gòu)面摩擦角為25°，間距均為1 m。

表2 計(jì)算工況

3.2 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)結(jié)構(gòu)面摩擦角的不同，將計(jì)算工況分為9種。限于篇幅，文中只給出了結(jié)構(gòu)面摩擦角為20°和60°時(shí)洞周圍巖塑性區(qū)及圍巖位移分布圖(圖10)。

圖10 不同結(jié)構(gòu)面摩擦角的塑性區(qū)和位移場(chǎng)分布

從圖10中可看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)面摩擦角為20°時(shí)，隧道周邊的塑性區(qū)及位移場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的偏壓特征，反傾側(cè)拱腰及順傾側(cè)拱腳位置的塑性區(qū)范圍及各位移值均大于其他位置；當(dāng)結(jié)構(gòu)面摩擦角增大至60°，此時(shí)偏壓特征基本消失，塑性區(qū)及位移場(chǎng)分布規(guī)律與均勻地層接近。由此可知，隨著結(jié)構(gòu)面摩擦角的增大，偏壓特征將逐漸消失。

圖11為洞周圍巖塑性區(qū)范圍、豎向位移、水平位移及結(jié)構(gòu)面位移與結(jié)構(gòu)面摩擦角的關(guān)系曲線。從圖11中可看出，洞周圍巖塑性區(qū)范圍、豎向位移、水平位移及結(jié)構(gòu)面滑移位移均隨著結(jié)構(gòu)面摩擦角的增大而降低，且降低趨勢(shì)逐漸放緩，當(dāng)結(jié)構(gòu)面摩擦角超過45°(圍巖摩擦角)后，繼續(xù)降低的趨勢(shì)不明顯。由此可知，采用層間注漿等方式增大結(jié)構(gòu)面摩擦角可以有效提高洞周圍巖穩(wěn)定性。

圖11 各指標(biāo)與結(jié)構(gòu)面摩擦角的關(guān)系曲線

3.3 結(jié)構(gòu)面傾角

圖12是結(jié)構(gòu)面傾角為0°和40°時(shí)洞周圍巖塑性區(qū)及位移的分布。從圖12中可看出，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的變化，洞周圍巖塑性區(qū)、豎向位移、水平位移及結(jié)構(gòu)面滑移位移始終保持偏壓特征，最大塑性區(qū)范圍及最大位移均位于洞周切向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面平行的位置。由此可知，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的變化，洞周圍巖塑性區(qū)及位移場(chǎng)的偏壓分布特征隨之整體旋轉(zhuǎn)。

圖12 不同結(jié)構(gòu)面傾角的塑性區(qū)及位移場(chǎng)分布

圖13為各指標(biāo)與結(jié)構(gòu)面傾角的關(guān)系曲線。從圖13中可看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°或40°時(shí)，圍巖塑性區(qū)范圍及位移比其他傾角大。具體而言，當(dāng)結(jié)構(gòu)面水平時(shí)，塑性區(qū)范圍、隧底最大上拱量及結(jié)構(gòu)面最大滑移位移均達(dá)到最大；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為40°時(shí)，洞周最大豎向位移及水平位移達(dá)到最大。

圖13 各指標(biāo)與結(jié)構(gòu)面傾角的關(guān)系曲線

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證以上分析的合理性，課題組選取順層段典型斷面測(cè)量圍巖壓力。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，所有監(jiān)測(cè)斷面的圍巖壓力分布規(guī)律基本一致。限于篇幅，僅以里程D1K508+297斷面為代表說明現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

該斷面圍巖以中厚層頁巖為主，屬Ⅳ級(jí)圍巖，巖層傾角約為40°。沿?cái)嗝姝h(huán)向布置10個(gè)圍巖壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖14)。對(duì)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了長時(shí)間監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壓力變化趨勢(shì)如圖15所示。從圖15可以看出，斷面各位置的圍巖壓力在70 d之后基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的圍巖壓力環(huán)向分布如圖16所示。

圖14 測(cè)點(diǎn)分布

圖15 D1K508+297圍巖壓力變化曲線

圖16 里程D1K508+297斷面圍巖壓力分布

從圖15、圖16可以看出，反傾側(cè)拱腰附近的圍巖壓明顯大于其他位置，最大達(dá)到了580 kPa，這說明反傾側(cè)拱腰位置的變形趨勢(shì)最大，圍巖最不穩(wěn)定。其他監(jiān)測(cè)斷面的規(guī)律基本一致，即反傾側(cè)拱腰位置圍巖壓力明顯大于其他位置，這與數(shù)值計(jì)算結(jié)論吻合。此外，文獻(xiàn)[7]實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的偏壓規(guī)律也與本文結(jié)論一致。

5 結(jié)論

(1)順層偏壓隧道洞周圍巖主要存在三種破壞模式，根據(jù)圍巖切向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面夾角的不同將分別發(fā)生巖層拉裂破壞、結(jié)構(gòu)面剪切破壞及巖體自身破壞，并以巖層拉裂破壞和結(jié)構(gòu)面剪切破壞為主。

(2)圍巖切向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面平行位置以拉裂破壞為主，切向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面垂直位置以巖體自身破壞為主，其余位置以結(jié)構(gòu)面剪切破壞為主，其中拉裂破壞和結(jié)構(gòu)面剪切破壞形成的塑性區(qū)范圍較廣。

(3)隨著結(jié)構(gòu)面摩擦角的增大，隧道偏壓特征將逐漸消失。塑性區(qū)范圍、圍巖豎向位移、水平位移以及結(jié)構(gòu)面滑移位移均隨著結(jié)構(gòu)面摩擦角的增大而降低，且降低趨勢(shì)逐漸放緩，當(dāng)結(jié)構(gòu)面摩擦角超過45°(圍巖摩擦角)后，繼續(xù)降低的趨勢(shì)不明顯。

(4)隨著結(jié)構(gòu)面傾角的變化，洞周圍巖塑性區(qū)及位移場(chǎng)始終保持偏壓特征，偏壓特征隨結(jié)構(gòu)面傾角的變化而整體旋轉(zhuǎn)。對(duì)于隧道底部而言，最不利傾角為0°，此時(shí)隧底最大上拱量達(dá)到最大值；對(duì)于隧道拱部而言，最不利傾角為40°，此時(shí)拱部最大收斂值達(dá)到最大，最不利位置位于反傾側(cè)拱腰。