摘要：文章開展室內(nèi)試驗并建立層狀巖體ABAQUS數(shù)值模擬模型，分析了層理面的傾角對圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：不同層理面傾角導(dǎo)致不同巖體破壞模式，分別是張拉劈裂破壞、剪切滑移破壞、穿過層理面的剪切破壞、沿層理面劈裂破壞；巖體的力學性質(zhì)因?qū)永砻娴拇嬖诙艿饺趸?，?dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性降低，除0°和90°以外的其他傾角使得圍巖的變形呈現(xiàn)出不均勻、非對稱分布特征；圍巖拱頂和拱底位移大于拱腳，拱腳和拱腰更易產(chǎn)生應(yīng)力集中。研究成果對今后設(shè)計和建造類似層狀巖層隧道具有一定的參考借鑒價值。

關(guān)鍵詞：隧道；圍巖；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性；層理面傾角

中圖分類號：U452.2+7" " " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.040

文章編號：1673-4874（2024）11-0133-03

0引言

隨著“十四五”規(guī)劃及“一帶一路”倡議等國家戰(zhàn)略的實施，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進。隧道修建過程中常需要穿越更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，而層狀巖體分布廣泛，許多地下工程都建造在這種類型的巖體中，因?qū)訝钴浫鯉r體流變參數(shù)的各向異性特征，產(chǎn)生非對稱型形變，會嚴重影響圍巖的穩(wěn)定性，對隧道的施工安全、長期穩(wěn)定性以及維護成本產(chǎn)生重要影響。因此亟須對隧道穿越層狀地層區(qū)域圍巖穩(wěn)定性影響因素進行分析。

近年來，各研究學者對隧道圍巖穩(wěn)定性進行了大量的研究，有對隧道埋藏深度、側(cè)壓系數(shù)和層理面傾角等物理力學參數(shù)及隧道直徑、襯砌形式、襯砌結(jié)構(gòu)等工程參數(shù)的研究［1］。有學者使用節(jié)理組數(shù)、剪切及體積模量等參數(shù)確定圍巖的亞級和穩(wěn)定跨度，用自穩(wěn)跨度相對比例曲線確定BQ值亞級數(shù)值的范圍［2-3］。有學者從圍巖分級、應(yīng)力應(yīng)變分析、監(jiān)控量測結(jié)合力學反演分析隧道圍巖特性及失穩(wěn)敏感因子，預(yù)測評估圍巖變形及受力情況，綜合評價圍巖穩(wěn)定性［4-5］。此外，有學者利用實際工程項目中的斷裂帶山體圍巖，構(gòu)建了一個雙連拱隧道穿越斷裂帶的三維模型，通過對隧道施工過程中破碎帶圍巖的變形和應(yīng)力進行三維非線性計算分析，評估圍巖的穩(wěn)定性并據(jù)此采取相應(yīng)的支護措施［6］。Gatelier等［7］通過試驗研究試樣的力學性質(zhì)與傾角的影響關(guān)系，試驗結(jié)果也得出圍壓對試樣各向異性特征存在明顯影響。

本文通過文獻調(diào)研、室內(nèi)試驗、ABAQUS數(shù)值模擬分析，對層狀地層區(qū)域頁巖各向異性力學特性進行研究，分析不同層理面傾角對層狀巖體圍巖穩(wěn)定性的影響。

1工程背景

本文以某市機場線南延伸線盾構(gòu)隧道施工為研究對象，該隧道里程樁號為K347+190～K349+245，長度為2 055 m。隧道開挖斷面最大寬度為14.5 m，凈高H=10.6 m。該隧道所穿越地層主要以頁巖為主，地質(zhì)剖面圖見圖1。

2層狀巖層圍巖隧道失穩(wěn)機制

當隧道穿越層狀巖層時，隧道周圍的圍巖失去了原有的支撐條件，導(dǎo)致臨空面的巖體開始發(fā)生位移。由于層狀巖層中的層間節(jié)理粘結(jié)力較弱，這些節(jié)理在受到外部應(yīng)力時容易張開并破裂。隨著節(jié)理的破裂，各層層狀巖層之間的連接變得薄弱，開始分離并各自成為獨立的受力單元。這些獨立的巖層在受到彎剪作用時，由于抗彎和抗剪強度較低，容易發(fā)生剪切斷裂。巖層的斷面沿著新舊破裂面發(fā)生側(cè)向滑移和變形，進一步導(dǎo)致巖體向隧道開挖空間擠壓，這種擠壓作用使得巖體失去穩(wěn)定性，最終可能導(dǎo)致隧道的失穩(wěn)［8］。層狀巖層圍巖隧道失穩(wěn)的原因在于巖層在失去有效約束力的條件下，其層理節(jié)理遭受破壞，并且?guī)r層的變形不斷增大，一旦達到臨界狀態(tài)，就會導(dǎo)致巖體的整體失穩(wěn)。

3室內(nèi)試驗

本文通過單軸壓縮試驗對不同層理傾角的巖體的力學特征及破壞形態(tài)進行了分析探討。

3.1制作試樣

從隧道現(xiàn)場選取層狀巖體試樣，所選試樣需質(zhì)地均勻、層理面清晰可見、傾角均勻、表面無裂縫缺口。鉆孔取芯了5種不同層理傾角（0°、30°、45°、60°、90°）的試件。按照要求，試樣高度與直徑之比宜為2.0～2.5，故采用高度為10 cm、直徑為5 cm的圓柱形試件。

3.2試驗設(shè)備及試驗方法

壓縮試驗采用傳感器及TAW-2000KN型巖石多功能試驗機。試驗以0.3 mm/min的速度對試件施加軸向壓力，直到試件破壞。在試驗過程中，記錄試件所受的壓力、應(yīng)變及破壞形態(tài)等。

3.3抗壓強度試驗結(jié)果分析

巖石的層理面角度是破壞模式表現(xiàn)出各向異性的重要因素。通過整理試驗數(shù)據(jù)可得不同層理面傾角時的抗壓強度變化，見圖2。

由圖2可知，隨層理面傾角的增加，試件抗壓強度呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，說明層理面的存在降低了巖體的強度。

將單軸壓縮試驗后試件的破壞形態(tài)描繪成圖3進行分析。

由圖3可知，當層理面傾角為0°時，試件裂縫平行于加載方向，裂紋貫穿試件兩端，沿層理面未出現(xiàn)裂紋；當層理面傾角為30°和45°時，試件沿層理面方向產(chǎn)生剪切滑移破壞，部分裂縫貫穿層理且連通；當傾角為60°時，試件裂縫平行于層理面，產(chǎn)生剪切破壞；當傾角為90°時，試件平行于層理面劈裂破壞，且破壞較為嚴重，巖體表現(xiàn)出脆性特征。由此可得，不同層理面傾角下巖體破壞模式存在差異。當傾角為0°時，巖體產(chǎn)生張拉破壞，隨著角度的增加巖體產(chǎn)生沿層理面的剪切滑移破壞，當傾角增大為90°時，巖體產(chǎn)生劈裂張拉破壞。綜合前述理論分析與試驗結(jié)果可得，頁巖的層理面是薄弱面［9］，這種特定的層狀構(gòu)造及層理面之間的弱膠結(jié)作用是造成其變形特性、破壞模式等各向異性的關(guān)鍵因素。

4有限元計算模型

隧道的開挖改變了原有的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，進而影響到圍巖的穩(wěn)定性。針對層狀地層的結(jié)構(gòu)及其基本力學特性，利用ABAQUS軟件對隧道穿越層狀地層過程中的圍巖穩(wěn)定性進行模擬分析。通過調(diào)整不同參數(shù)，分析不同工況下隧道開挖、支護后圍巖的位移、應(yīng)力及應(yīng)變，可反映不同因素對圍巖穩(wěn)定性的影響。

4.1模型建立

本研究采用三維實體模型模擬隧道開挖過程中的應(yīng)力場和位移場變化，基于彈性力學的圣維南原理，隧道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布主要局限于一定范圍內(nèi)，而在遠離隧道開挖的區(qū)域，位移和應(yīng)力的變化相對微弱。因此，在構(gòu)建有限元模型時，本文將模型尺寸設(shè)定為洞徑的3倍，以確保模擬區(qū)域能夠充分涵蓋應(yīng)力重分布的主要影響區(qū)，這種設(shè)定可有效地預(yù)測分析隧道開挖對周圍環(huán)境的影響。[JP3]模型根據(jù)常見的層狀巖體力學參數(shù)經(jīng)驗值來確定隧道圍巖的等效參數(shù)，圍巖考慮為彈塑性材料，模型施加主動支撐力于開挖后的圍巖以提供圍巖承載力，利用Drucker-Prager準則模擬圍巖的破壞。此外，該模型不考慮地下水和地震作用的影響。數(shù)值模擬參數(shù)如表1所示。

計算模型在初始平衡階段，設(shè)定位移邊界條件，模型前后左右邊界受到水平方向的位移約束，底部受到豎直方向的位移約束，頂部為垂直地應(yīng)力加載面。然后再進行開挖模擬。本次模擬采用臺階法的開挖方式，見圖4。采用應(yīng)力釋放來模擬開挖面，每次完成開挖后，均及時進行初期支護，根據(jù)開挖工序監(jiān)測數(shù)值模擬中各監(jiān)測點位移、應(yīng)力及應(yīng)變特征，進而對隧道穩(wěn)定性進行分析，計算模型見圖5。

在模擬初期支護時，簡化計算模型，采用梁單元并且只考慮受軸力和彎矩的作用。圍巖初期支護采用混凝土加鋼筋網(wǎng)和型鋼支護。采用等效折算的方法將鋼筋網(wǎng)及型鋼的彈性模量折算到混凝土中，折算后的力學參數(shù)表見表2。

4.2不同傾角巖層計算模型

本文分別建立無層理面及不同層理面傾角的模型，研究對隧道開挖穩(wěn)定性的影響。模型X軸為水平方向，Y軸為隧道軸向，按層傾角分為無層理面、0°、30°、45°、60°和90°六種情況進行計算（圖6）。

5數(shù)值模擬結(jié)果與分析

5.1不同工況下洞周圍巖位移變化情況

總位移是各方向位移的矢量和的絕對值，能全面反映圍巖的變形情況。不同層理面傾角下圍巖的位移值見表3。

由表3可知，無層理面時圍巖的位移小于有層理面傾角時的位移，這說明了層理面的存在使圍巖的穩(wěn)定性降低。無層理面及層理面為0°時，圍巖的總位移左右對稱。而當層理面傾角為30°、45°、60°時，圍巖總位移左右非對稱。當層理面傾角增大為90°時，圍巖的總位移又變?yōu)樽笥覍ΨQ，說明隧道左右兩側(cè)的偏壓效應(yīng)從弱變強再變?nèi)?。此外，洞周圍巖位移隨傾角變化而變化，總位移最大值均出現(xiàn)在拱頂處，拱底的位移較大，部分角度拱腰位移較大，而拱腳位移均較小。因此，在實際隧道工程施工中為確保圍巖的穩(wěn)定，應(yīng)重點關(guān)注對拱頂和拱底處的變形。

5.2不同工況下圍巖塑性區(qū)變化情況

通過對比分析不同層理面傾角下隧道開挖后的圍巖塑性變形情況，可以直觀地揭示層理面傾角對圍巖應(yīng)力分布的影響、圍巖穩(wěn)定性的變化。不同工況下塑性區(qū)的隧道圍巖輪廓線繪制見圖7。

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和圖7可知，當隧道穿越無層理面的巖體時，未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，表明其具有較高的穩(wěn)定性。不同傾角的層狀圍巖均出現(xiàn)塑性區(qū)，說明層理面的存在使圍巖的穩(wěn)定性降低。此外，層理面傾角為0°和90°時塑性區(qū)表現(xiàn)出明顯的對稱性，此時隧道開挖對圍巖的影響較為均勻。隨著傾角從0°逐漸增大至90°，圍巖塑性區(qū)的分布面積呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，表明層理面傾角的變化不僅影響塑性區(qū)面積還導(dǎo)致塑性區(qū)的分布形態(tài)變化。分析可得，隨著層理面傾角的變化，圍巖的塑性區(qū)也會相應(yīng)地偏轉(zhuǎn)一定的角度。在工程實際應(yīng)用中，可根據(jù)層理面傾角預(yù)測可能的破壞位置，并據(jù)此采取加固措施，可有效地防止圍巖失穩(wěn)和開裂，確保隧道的安全穩(wěn)定。

5.3初期支護受力分析

上述模型在每次開挖后均進行了支護，將不同位置受到的最大壓應(yīng)力記錄整理，得出不同工況下初期支護應(yīng)力值見表4。

由表4可知，無層理面時支護結(jié)構(gòu)受到的壓力小于有層理面傾角時。無層理面及層理面為0°時，支護結(jié)構(gòu)的受力左右對稱。而當層理面傾角為30°、45°、60°時，支護結(jié)構(gòu)的受力左右非對稱。當層理面傾角增大為90°時，受力又變?yōu)樽笥覍ΨQ，這種變化趨勢與前文的圍巖位移變化趨勢類似。此外，支護結(jié)構(gòu)受力隨傾角變化而變化，受力最大值均出現(xiàn)在拱腳處，實際工程應(yīng)重點注意拱腳的支護，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

6結(jié)語

本文針對隧道穿越層狀地層時造成的圍巖變形失穩(wěn)問題，研究了不同層理面傾角對圍巖變形與破壞特征的影響，得出以下結(jié)論：

（1）當層理面傾角在0°時易產(chǎn)生張拉劈裂破壞；當傾角在30°～60°時常產(chǎn)生剪切滑移破壞或穿過層理面的剪切破壞；當層理面傾角逐步增大至90°時，剪切滑移破壞逐漸減小，易產(chǎn)生劈裂破壞。

（2）在層理面傾角從0°增大到90°的過程中，圍巖的位移及塑性區(qū)均發(fā)生變化，且都比無層理面時更大更不利，說明層理面的存在降低了隧道的穩(wěn)定性。

（3）在各種層理面傾角條件下，圍巖的拱頂位移始終最大，這一現(xiàn)象表明隧道開挖過程中塌方和大變形的高風險性。此外，拱腳和拱腰部位所受的巨大壓應(yīng)力導(dǎo)致了明顯的應(yīng)力集中，這進一步增加了施工難度和復(fù)雜性。因此，對于這些關(guān)鍵部位，施工團隊在施工過程中需特別關(guān)注并采取有效的支護和加固措施，為隧道的安全施工和長期運營提供堅實保障。

參考文獻：

［1］徐則民，黃潤秋，王士天.隧道的埋深劃分［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2000，11（4）：5-10.

［2］李寧軍，曹志豪.延安地區(qū)黃土隧道圍巖分級研究［D］.西安：長安大學，2013.

［3］朱素平，周楚良.地下圓形隧道圍巖穩(wěn)定性的粘彈性力學分析［J］.同濟大學學報，1994（3）：330-333.

［4］陸威，得磊.公路隧道圍巖穩(wěn)定性評價軟件研究與開發(fā)［D］.長春：吉林大學，2007.

［5］李寧，羅小黔，張體忠.烏江渡擴機工程地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析評價［D］.西安：西安理工大學，2004.

［6］陳根鎖，隧道穿越破碎山體圍巖穩(wěn)定性研究［J］.鐵道建筑，2007（6）：38-41.

［7］GATELIERN，PELLETF，LORETB.Mechanicaldamageofananisotropicporousrockincyclictriaxialtests［J］.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，2002，39（3）：335-354.

［8］周應(yīng)麟，邱喜華.層狀巖層圍巖隧道穩(wěn)定性的探討［J］.地下空間與工程學報，2006（2）：345-348.

［9］周星.層狀軟巖隧道穩(wěn)定性及受力變形特性研究［D］.成都：西南交通大學，2019.

作者簡介：甘沛玉（1986—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18