层状岩体不同倾角对高地应力隧道稳定性影响分析

柳厚祥，郑智雄，胡勇军，赵明纲

岩体在形成的过程中，要经受各种复杂的地质作用。各种断层、节理及裂隙等结构面发育使得岩体的物理力学性质十分复杂。其中，层状岩体的变形和强度性质具有明显的各向异性，岩体的破坏机理和方式也明显不同于其他岩体。许多学者针对完整或定向节理裂隙岩石材料强度和变形各向异性的特征进行了大量的室内试验。龚书贤［1］从层状岩体的结构特征入手，研究了层状岩体的各向异性特征，并对层状岩体的强度特性和层状围岩的破坏特征及其影响因素进行了探讨；王贵君［2］等人运用 UDEC对节理岩体大断面隧道围岩和支护施工全过程进行数值分析。

由于中国幅员辽阔，地质构造条件极其复杂，特别是随着中国高速公路建设重心逐步向中西部地区转移、隧道工程数量的不断增多，高地应力隧道将不断涌现，且在实际的工程建设过程中，将会遇到大量的层状岩体围岩。对比国内、外文献［3－8］，针对高地应力条件下层状岩体倾角对隧道稳定性影响的研究较少，且对构造应力影响的研究较少，作者拟研究层状岩体的不同倾角对高地应力隧道稳定性的影响。

1 工程概况

某公路隧道为双洞单向隧道，左线长2 695m，右线长2 705m，左、右线间距2.78～32.8m，进口端为连拱隧道，出口端为分离式隧道。隧道所处地貌属于岩溶中低山地貌，隧道沿线地形起伏较大，最大埋深达795m，地面高程在420.25～1 336.92m之间。隧道处于高地应力区，地应力水平达10～30MPa。隧道洞轴与地层走向接近平行，岩层倾向山体（倾向左侧），倾角在25°～40°之间，加上节理裂隙的存在导致围岩较不稳定。本隧道围岩在奥陶系地层中，为瘤状灰岩：灰色、青灰色，中薄层状构造，层厚1.2～3.5m，岩质较坚硬，岩芯多呈柱状，破坏形式以掉块为主。局部岩溶发育，围岩稳定性较差，可能发生小的坍塌，并受地下水影响较明显，开挖时可考虑在局部采用辅助工程措施。

隧道区地下水为灰岩中的裂隙潜水，水量较小，未见明显地表水系，地下水类型主要为孔隙水、岩溶地下水，开挖时可能形成点滴状出水，局部呈现淋雨状出水。其中孔隙水主要赋存于零星分布的第四系土层内，其水量贫乏，难形成稳定的地下水面，对隧道的影响较小。

2 数值计算模型及参数选取

2.1 计算模型及边界条件

隧道开挖仅对一定范围内的围岩有明显影响。为降低边界条件效应，数值分析模型的计算尺寸取：100m×100m，左、右边界固定水平方向位移，底面边界固定竖向的位移，上面施加800m高度围岩的自重应力。计算模型如图1所示，锚杆长度3.5m，环向间距1.5m。

在深埋高地应力条件下，构造应力对隧道稳定性的影响远远大于竖向自重应力的影响，故在模拟时，要考虑构造应力影响，其与自重应力比值取k＝1.2。

2.2 模型参数

根据本隧道现场勘查报告及现行《公路隧道设计规范》（JTG D70－2004），隧道围岩与支护结构力学参数见表1。为简化计算模型，将钢拱架和钢筋网的弹性模量折算入混凝土的弹性模量。具体的折算方法［9］为：

式中：E为混凝土复合弹性模量，GPa；E0为原混凝土弹性模量，GPa；Ag为初期支护钢拱架截面面积，m2；Eg为初期支护钢拱架弹性模量，GPa；Ac为混凝土截面面积，m2。

图1 岩层倾角为45°计算模型Fig.1 Numerical simulation model of 45°rocks dip

表1 围岩与支护结构力学参数Table 1 Parameters of rock and support structures

2.3 模型计算

根据本隧道的实际围岩情况，为了分析岩层特性对层状围岩隧道支护体系力学行为的影响，分别取层状围岩倾角 5°，15°，25°，35°，45°，55°，65°，75°及85°，共计9种情况，进行计算分析。

3 数值模拟分析

3.1 锚杆支护受力分析

考虑隧道围岩岩层倾向，隧道左部的拱腰、拱脚的锚杆轴力明显要大于右部相应部位的锚杆轴力，故现只考虑隧道拱顶、左边拱腰和左边拱脚的锚杆轴力与岩层倾角的关系。

埋深为100m，无构造应力影响的情况下，隧道关键部位的锚杆轴力与岩层倾角的关系曲线如图2所示。高地应力条件下，隧道关键部位的锚杆轴力与岩层倾角的关系曲线如图3所示。

图2 普通地应力条件下，锚杆轴力与岩层倾角的关系曲线Fig.2 The change of anchor’s axial force with rocks dip under normal geostress

图3 高地应力条件下，锚杆轴力与岩层倾角的关系曲线Fig.3 The change of anchor’s axial force with rocks dip under high geostress

由图2和图3对比可知，高地应力条件下锚杆受力明显大于普通应力条件下的锚杆受力，例如：岩层倾角为55°时，左部拱腰处高地应力条件下的锚杆受力为普通应力条件下的8倍。可见，高地应力环境下，隧道支护结构所要承受的荷载更大，与普通地应力隧道明显不同。因此，有必要将高地应力条件下层状岩体不同倾角对隧道稳定性的影响进行深入研究。

从图3中可以看出，在高地应力条件下，5°～65°岩层倾角范围内，锚杆轴力随岩层倾角的增大而增大。这表明隧道围岩沿着层间软弱夹层滑动的趋势随着岩层倾角的增大而增大，特别是在25°～65°范围内，锚杆轴力随岩层倾角增大的趋势明显。故在设计与施工阶段，应将岩层倾角对隧道稳定性的影响进行深入研究与分析，制定可行性的支护方案，防止围岩发生顺层滑动，保证隧道围岩的相对稳定。

3.2 锚杆支护优化

对比不同倾角岩层的主应力分布形式以及对应的锚杆受力，发现有部分锚杆的受力很小。例如：1、2号锚杆只分布于一层岩体中，没有起到将各层岩体串连起来的“销钉”作用，如图4（a）所示。故需要将锚杆支护形式进行优化，如图4（b）所示。尽量将锚杆与层状岩体大角度相交，且将多层岩层串连起来，起到“销钉”的作用，形成组合梁的效果，增大层间阻力，降低主应力集中程度，减小层间剪切错动的可能性，增强隧道围岩的稳定性。即相当于增强节理层的剪切刚度，抑制层状围岩的剪切滑移，增强隧道的稳定性，并适当地减小衬砌受力。

在具体实施时，可根据工程施工方法和工程地质及围岩的具体情况对锚杆进行优化，比如：增大锚杆长度等。在保证锚杆与岩层大角度相交的同时，要保证方案的可操作与实施的可能性，使锚杆真正起到“销钉”的作用。

图4 45°倾角岩层锚杆支护Fig.4 Anchor support of 45°rocks dip

3.3 支护结构受力分析

为了解高地应力隧道的支护结构受力随层状岩体倾角的变化情况，选取断面的关键部位进行分析。

埋深为100m，无构造应力影响的情况下（普通地应力条件下），支护结构关键部位应力与岩层倾角关系曲线如图5所示。高地应力条件下，锚杆优化前的支护结构关键部位应力与岩层倾角关系曲线如图6所示。高地应力条件下，锚杆优化后的支护结构关键部位应力曲线如图7所示。

图5 普通地应力条件下，支护结构应力与岩层倾角关系曲线Fig.5 The change of support structrue’s stress with rocks dip under normal geostress

图6 高地应力条件下，支护结构应力与岩层倾角关系曲线（锚杆优化前）Fig.6 The change of support structrue’s stress with rocks dip under high geostress（before anchor optimization）

分析数值模拟结果，对比图5和图6可知：高地应力条件下，隧道支护结构的受力明显大于普通地应力条件下支护结构的受力。在倾角为55°时，高地应力情况下左拱脚处的应力为普通地应力情况下的8.4倍，最小的情况也达到了4倍。可见，相对于普通地应力隧道，高地应力隧道支护结构承受的荷载更大，隧道更易因为支护结构的不合理而出现塌方等事故。因此，对高地应力隧道的支护结构进行优化，有益于保证隧道的施工安全与支护结构的质量。

从图6和图7中可以看出，支护结构拱顶应力随着岩层倾角增大得不多；5°～45°倾角范围内，左拱腰应力的变化不大，45°～85°倾角范围内，应力随岩层倾角的增大小幅增大；5°～65°倾角范围内，左拱脚应力随倾角增大而增大，65°～85°倾角范围内，应力小幅减小；仰拱，右半断面的拱腰、拱脚应力随岩层倾角增大得不明显。对比左、右拱腰和拱脚的应力发现，左半断面支护结构受力普遍大于右半断面的。这说明在隧道开挖过程中会引起偏压，且在岩层倾角为45°～65°范围内时，偏压最严重。

对比分析图6和图7可知：在锚杆优化后，虽然锚杆应力有所增加，但支护结构受力明显减小。拱顶、左拱腰部分支护结构应力减小了1／4，左拱脚部分应力减小幅度达到1／2。由此可知，锚杆优化后，锚杆将多层岩层串联在了一起，从而间接增大了岩层层间阻力，减小了层间剪切错动的可能性。从而减小了支护结构承受的荷载，使锚杆起到了销钉作用，使岩层与锚杆形成了组合梁的效果，进而增强了隧道围岩的稳定性。

4 结论

结合本隧道的实际情况，研究高地应力条件下，不同岩层倾角的围岩稳定性，对支护结构进行受力分析，并对锚杆支护进行优化，得出的结论为：

1）高地应力条件下，隧道支护结构的受力明显大于普通地应力条件下的支护结构受力。在倾角为55°时，高地应力情况下左拱脚处的应力为普通地应力情况下的8.4倍；高地应力情况下左部拱腰处锚杆轴力为普通地应力情况下的8倍。因此，相对于普通地应力隧道，高地应力隧道支护结构承受的荷载更大，隧道的稳定性问题更加突出。

2）在5°～65°岩层倾角范围内，锚杆轴力随岩层倾角的增大而增大，特别是在25°～65°范围内，锚杆轴力随岩层倾角增大而增大的趋势明显。这表明隧道围岩沿着层间软弱夹层滑动的可能性随着岩层倾角的增大有增大的趋势。

3）在高地应力隧道施工过程中，层状围岩的软弱夹层极大地削弱了层状岩体的力学性质及其稳定性，是层状岩体破坏的主要部位。若隧道支护结构不合理，将会出现顺层滑动，引起不对称的偏压荷载，导致隧道支护结构受力不对称，进而导致支护结构破坏。

4）通过对锚杆与岩层相交角度进行优化设计，将锚杆与岩层大角度相交，将多层岩体串联在了一起，间接增大了岩体层间阻力，减小了岩体出现层间剪切错动的可能性。因此，使支护结构承受的荷载得以减小，使锚杆真正的起到了销钉作用，从而让岩层与锚杆一起形成了组合梁的作用，增强了隧道围岩的稳定性。

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）：

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