穿越不同地层位置的隧道围岩稳定性研究

王娜（重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

穿越不同地层位置的隧道围岩稳定性研究

王娜
（重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

为研究隧道穿越不同地层位置时围岩的稳定性，以青海东部隧道的施工为案例，采用三维有限元数值计算方法模拟了隧道在穿越黄土层、黄土层和卵石层夹层、卵石层时围岩的稳定性变化规律，通过3种情况下应力场和位移场的对比发现，隧道穿越砂卵石地层时的变形及应力远远大于穿越黄土层，且在隧道穿越卵石层时拱顶出现拉应力；隧道拱底隆起大于拱顶沉降，特别是隧道穿越黄土层拱底隆起远远大于拱顶沉降.因此，隧道应尽量避免穿越砂卵地层；穿越卵石层和黄土层的隧道也要采取相应措施，避免围岩被破坏.

地层位置；围岩变形；围岩应力；稳定性

隧道开挖往往要穿越不同地层，不同地层之间的性质也不同，研究隧道穿越不同地层时所造成破坏变形规律对隧道工程建设具有积极意义[1-3].在西部地区修建隧道，隧道开挖所揭示的地层差异更大，该区以黄土层与砂卵石地层最为显著，两者都是地质条件很差的围岩，特别是砂卵石地层，其一般由粘性土或砂卵石、粗砂、卵石等组成，偶遇巨石块，大多数砂卵石地层结构松散，分布不均，具有强烈的离散特性；黄土层则具有明显的垂直节理，土质疏松遇到水的侵蚀后极易湿陷等特点.在黄土与卵石土地层建设隧道，施工过程中隧道围岩自稳能力差，容易出现挤出和坍塌、隧道底部隆起、支护结构开裂、衬砌变形和破坏等形式的危害，目前还没有一套完整的解决方案，本文依托青海东部地区南山1号隧道工程，对隧道穿越不同地层的围岩稳定性变化规律进行研究，以期为类似隧道设计、施工提供理论依据.

1 工程概况

青海东部南山1号隧道设计路线为双线，隧道断面为三心圆，初步设计为分离式隧道，根据线路调查，隧道穿越地区为软弱土地层，从上至下分为黄土层和卵石层，按照设计埋深的不同，隧道的可能位置分为黄土层中、黄土层和卵石层夹层中、卵石层中这3大类.由于开挖方式的选取对隧道围岩及支护的稳定性起着重要作用，而黄土层、砂卵石层整体强度低、粘聚力小，为了避免扰动，应该尽量少选双侧壁导坑法、环形预留核心土法等.结合地质、造价、施工速度等因素，本设计采用台阶法开挖隧道.

2 穿越不同地层的隧道开挖模拟

本文采用有限元软件模拟3种工况下的隧道开挖模型，并对隧道围岩的位移场和应力场进行对比分析.假设3种工况：1）隧道穿越卵石地层；2）隧道穿越黄土地层；3）隧道穿越黄土层和卵石层夹层.具体模拟参数及3种工况下的模型如表1、图1所示：

表1 隧道模拟参数表

图1 隧道开挖模型

3 3种工况随开挖面掘进数值结果的变化规律

3.1 隧道围岩位移场分析

隧道洞口的开挖使软弱黄土、砂卵石层围岩受到扰动，势必引起位移变化，甚至会产生塌方.本文首先分析隧道围岩在各个方向上产生的位移大小.

3种工况下，完全开挖后的竖向位移云图如图2所示，可以看出，隧道穿越卵石层拱顶沉降与拱底隆起最大分别为144.89 mm、139.09 mm；隧道穿越黄土层与卵石夹层时次之，其值分别为33.39 mm、132.43 mm；隧道穿越黄土层最小，其值分别为4.50 mm、51.99 mm.主要原因是卵石层结构分布不均、结构松散、强度及凝聚力小[4].

图2 DZ方向隧道开挖位移云图

图3分别为拱顶、拱底、边墙处节点随隧道开挖步的位移变化规律图.由图3-a、图3-b可见：1）第1步开挖以后，由于卸荷作用，拱顶、拱底都出现了不同程度的位移，并且随着隧道不断向前掘进，位移值越来越大，其中隧道穿越砂卵石层的位移比隧道穿越黄土层的位移大很多；2）隧道穿越黄土层时，其拱底隆起比拱顶沉降大，两者相差66.7%，这是由于隧道下面的砂卵石地层要比黄土地层地质条件差很多，使得底部隆起要大于顶部沉降.因此，对于3种情况下隧道的施工特别是穿越黄土地层情况下的隧道，应在隧道底部一定范围内采取注浆加固措施，且及时施作仰拱使支护结构封闭成环[5].

从图3-c可以看出，开挖第1步时，由于卸荷作用，3种情况下的隧道边墙横向位移均为正数，说明隧道边墙向洞内变形，随着开挖步的增多，边墙横向位移不断减少，最终趋于稳定.这是由于隧道拱底、拱顶的位移较大，使得上下产生的压力较大，因此造成封闭成环的初支结构两边向洞外挤压，从而使隧道边墙向洞外变形，这对于隧道边墙的稳定性是有利的[6].

图3 拱顶、拱底、边墙位移随开挖步掘进的变化规律

3.2 隧道围岩应力场分析

3.2.1 隧道围岩横向应力xσ变化规律

由图4可以看出，隧道开挖后，3种情况下最大横向应力均出现在洞壁的墙腰处，且为压应力，而且洞壁四周都为压应力，这对隧道的稳定是有利的.隧道穿越卵石地层（工况1）的最大横向压应力为837.56 kPa，隧道穿越黄土层（工况2）与穿越两者相交地层（工况3）时的最大横向压应力相差不大，分别为524.68 kPa、534.46 kPa，且3种情况下的最大横向压应力约是最小横向压应力的1.6倍，这说明隧道穿越卵石地层时围岩很容易破坏.

图4 隧道穿越3种地层的横向应力云图

3.2.2 隧道围岩剪应力xyτ 变化规律

由图5可以看出，隧道围岩开挖后，最大剪应力发生在隧道拱腰和拱脚处（具体数值见表2），岩土体主要受拉断破坏和剪切破坏，拉断破坏主要由拉应力引起，有时伴随着岩体滑落或张裂；剪切破坏主要沿着岩体结构面发生，如果剪应力过大，在拱腰和拱脚处会发生剪切破坏.因此，隧道穿越有砂卵石地层时，应采取超前支护措施且应加强衬砌.

图5 隧道穿越3种地层的剪应力云图

3.2.3 隧道最大主应力变化规律

表2 3种工况下隧道拱腰和拱脚处的剪应力

图 6 隧道穿越3种不同地层的最大主应力云图

图6为隧道开挖至第6步时的最大主应力云图，从图中可以看出，隧道围岩第一主应力最大值主要发生在拱顶部位，且隧道穿越卵石层与穿越黄土砂卵石夹层时拱顶出现了拉应力（这对砂卵石的地质构造是极其不安全的）.为了避免隧道围岩拉裂破坏，必须采取超前小导管注浆、大管棚等的超前支护措施.

4 结论及建议

本文针对隧道穿越3种不同地层施工过程中的围岩应力、位移运用有限元数值模拟方法进行了分析，得出以下结论及建议：

1）由于砂卵石的强度及粘聚力极低，隧道穿越砂卵石层时地层变形最大，穿越砂卵石层与黄土层夹层次之，穿越黄土层变形最小，因此，隧道应尽量避免穿越砂卵石地层.

2）在隧道穿越砂卵石地层的开挖过程中，由于砂卵石地层的结构松散、分布不均，在自重作用下拱顶出现了拉应力，导致拱顶围岩极易受拉破坏.因此，隧道在穿越卵石地层时，应采取相应的预支护措施改善围岩的受力状态.

3）3种工况下的开挖过程中，隧道拱底隆起都大于拱顶沉降，其中隧道在黄土地层中开挖时，隧道的拱底隆起远远大于拱顶沉降，因此，对于隧道穿越以上任何地层时，都应在拱底一定范围内进行注浆加固，且应及时施作仰拱支护.

[1]宋修元.砂卵石地层下盾构过浅覆土路段施工技术[J].隧道与地下工程，2009(9):106-109.

[2]李源潮.闸上隧道出口软弱地层浅埋段的设计与施工[J].铁道标准设计，2004(4):85-87.

[3]凌荣华，韩贝传，曲永新.大跨度深埋长黄土隧洞的开挖效应研究[J].工程地质学报，1996,4(3):65-70.

[4]巨建明，任小惠.斜穿过砂卵石层地质构造隧道开挖的三维数值模拟分析[J].大连交通大学学报，2013, 34(4):82-83.

[5]肖明.地下洞室施工开挖三维动态施工过程数值模拟分析[J].岩土工程学报，2000,22(4):421-425.

[6]庞小冲.公路隧道穿越卵石地层技术的探讨[J].公路交通科技，2014,12(4):356-357.

[责任编辑：韦 韬]

Research on Stability of Tunnel Surrounding Rocks at Different Stratigraphic Positions

WANG Na
(Hehai College,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

In order to study the stability of tunnel surrounding rocks through different stratigraphic positions,taking the construction of a tunnel in the eastern part of Qinghai as an example,this study using the three-dimensional finite element numerical calculation method simulates the regularity of the stability of surrounding rocks through the layers of loess,loess mixed with gravel,and gravel respectively.A comparative analysis of the stress and displacement fields in the three cases reveals that the deformation and stress of the tunnel through the sandy gravel stratum are far greater than those through the layer of loess and in the gravel layer there arises tensile stress at the arch top;the uplift at the tunnel bottom is greater than the settlement at the tunnel top,especially when the tunnel goes through the loess layer.Therefore,the tunnel should try to avoid crossing the sandy gravel stratum;the tunnel through the gravel layer and the loess layer should also take corresponding measures to avoid the destruction of surrounding rock.

stratigraphic positions;surrounding rock deformation;surrounding rock stress;stability

U459.4

A

1006-7302（2016）03-0044-05

2016-03-16

王娜（1991—），女，江苏徐州人，在读硕士生，研究方向为岩土工程病害机理与控制.