深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例

胡 炜，谭信荣，蒋 尧，毛坚强

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大学，四川 成都 610031)

偏压隧道包括地形偏压隧道和地质偏压隧道。对于地形倾斜而引起的地形偏压，隧道的围岩压力可根据《铁路隧道设计规范》(TB 1003—2016)[1]，采用沿用多年且经过工程验证的标准计算方法。但对于由软硬岩层、倾斜顺层岩体等引起的地质偏压，目前尚无成熟的设计理论和方法，通常根据监控量测数据并结合设计经验，采取加固围岩和加强支护的方式来保证围岩及支护结构的安全。但由于隧道所处地层岩性复杂多变，岩层产状、结构面参数、岩体参数离散型较大，故仅依靠经验设计具有一定的片面性，在某些地层中可能由于经验认知不足导致顺层隧道在完成初期支护后发生偏压变形，引起初支局部开裂、钢架扭曲等现象，甚至可能导致隧道后期运营期间的二次衬砌破坏[2-6]。国内学者对顺层隧道相关问题已进行了一定的研究。夏彬伟等[7-8]通过现场实测的方式，研究了顺层偏压隧道的围岩压力分布特征及稳定性评价，认为顺层隧道的反倾侧拱腰为最危险的区域，且根据数值模拟及现场实测数据反演出共和隧道的岩体地应力；张发明等[9]采用块体理论提出了层状岩体开挖洞室围岩块体稳定分析及锚固方法；孙伟亮[10-11]研究了顺层隧道的施工力学行为及技术，认为结构面倾角较小时，不易产生顺层滑动，当结构面倾角增大时，隧道拱部的偏压程度将随倾角的增大而增大；赵景彭[12]研究了节理倾角对围岩稳定性的影响规律，认为节理倾角较小时，不易产生顺层滑动，倾角增大时岩层顺弱势节理面滑动趋势增大，洞周破坏只受节理面强度的影响。此外，也有学者在顺层隧道围岩塑性区、锚杆支护方式等方面进行了相关研究[13-15]。

根据调研，目前研究多采用数值分析和现场实测的方式对顺层隧道的力学特征、围岩稳定性等进行研究，而对顺层隧道发生偏压现象及产生破坏原因的研究较少，一般认为顺层隧道的破坏及偏压现象是由岩层沿结构面滑移产生，未从岩层受力特征上理论地阐述该类隧道不同围岩区域的破坏机制。同时结构面抗剪强度参数及结构面倾角与隧道围岩塑性区、位移场分布规律及围岩稳定性的关系也有待进一步研究。本文以郑万线某在建隧道为例，采用理论分析和数值模拟分析了深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及破坏规律，以期为顺层偏压隧道的设计、施工提供参考。

1 工程背景

郑万线某在建隧道进口里程DK500+200，出口里程DK513+980，全长约14.58 km，为时速350 km/h的客运专线双线隧道，采用了“2横洞+1斜井+2平导”的辅助坑道设计方案，如图1所示。在隧道施工过程中，斜井工区D1K509+400～D1K509+640段隧道在初期支护完成后出现了不同程度的偏压变形，出现了单侧喷射混凝土破裂、钢架扭曲的情况。

图1 隧道平面图

本段地层为页岩夹砂岩，岩层产状主要为N45°～55°E/30°～45°S，与线路夹角30°～45°，掌子面左侧为顺倾侧，右侧为反倾侧，层间综合摩擦角大约为20°。根据现场监测情况，该段破坏及变形特征主要表现为反倾侧拱腰—边墙附近喷射混凝土破裂，且变形相对顺倾侧较大，严重者导致钢架局部扭曲。为了探明顺层偏压隧道的破坏特征及规律，从而提出针对性的支护方案，本文采用理论分析和数值模拟的方法，对顺层偏压隧道的围岩破坏机理及规律进行了系统性研究。

2 深埋顺层隧道破坏机理分析

2.1 理论分析

假设某试件内存在一贯通结构面，该结构面外法线与最大主应力夹角为β(图2)。试件在外力作用下可能产生2种不同的破坏方式，即产生完整岩石的剪切破坏和沿结构面发生剪切滑移破坏。2种剪切破坏均满足莫尔-库伦理论，如式(1)和式(2)：

τ=c+σtanφ

(1)

τ=cj+σtanφj

(2)

其中：c，φ——岩体黏聚力和内摩擦角；

cj，φj——结构面黏聚力和内摩擦角。

图2 结构面岩体单元模型

图3 结构面破坏分析

岩体试件发生何种破坏取决于结构面的外法线与最大主应力夹角β的大小。根据莫尔-库伦准则可知，若试件发生完整的岩石剪切破坏，破裂面与最大主应力作用面夹角为常数45°+φ/2；而当结构面角度β满足条件2β1<2β<2β2，即β1<β<β2时，试件只沿结构面发生破坏(图3)，此时结构面强度应满足式(3)～(5)：

τA=σAtanφj+cj

(3)

(4)

(5)

根据隧道力学相关知识，对于处于均匀地层中的深埋圆形隧道，塑性区内的径向应力与侧压力系数λ=1条件下纯弹性状态下的径向应力非常接近，因此假设处于倾斜岩层中的深埋圆形隧道的塑性区径向应力与纯弹性状态下的径向应力相同[16]，即：

(6)

式中：σrp——塑性区径向应力；

p0——初始应力；

ra——隧道半径；

r——计算点距隧道中心的距离。

另外，假设塑性区内的切向应力受结构面强度控制，即塑性区内的抗剪强度均满足公式(3)，则根据式(3)～(6)，可得塑性区内的切向应力为：

(7)

式中：β——节理与单元体径向线的夹角(图4)。

图4 顺层隧道计算模型

弹性区的径向应力和切向应力与均匀地层中的深埋圆形隧道相同[16]，即：

(8)

塑性区边界上的应力与弹性应力相同，即当r=rp时，σθp=σθe，σrp=σre，则根据式(6)～(8)及边界条件可得塑性区半径为：

(9)

当rp>ra时，隧道周边产生塑性区，故根据式(9)可得塑性区起始角为：

(10)

当sin(2β-φj)=1时，最大剪裂区半径为：

(11)

最大剪裂区半径对应的角度：

(12)

根据式(9)～(12)，可确定塑性区范围及大小。当黏聚力cj=0时，深埋层状岩体隧道塑性区分布如图5所示。由图5可看出，对于深埋顺层隧道，由于结构面剪切破坏产生的塑性区分别分布在反倾侧拱顶—边墙及顺倾侧边墙—拱底的位置。但需注意的是，图5仅为结构面剪切破坏产生的塑性区，实际洞周还有可能存在由于岩体破坏产生的塑性区。

图5 结构面剪切破坏塑性区(cj=0)

2.2 数值分析

本次计算采用平面应变模型，隧道跨度B为13.7 m，左、右及下边界到隧道轮廓的距离为3B，上边界至拱顶的距离为50 m，即隧道埋深为50 m，结构面间距0.5 m，倾角40°，如图6所示。侧压力系数λ=1，强度准则采用莫尔-库伦准则，计算参数如表1所示。

图6 数值计算模型及结构面分布

图7为隧道开挖后的洞周塑性区、水平位移、竖向位移及结构面滑移位移的分布情况。从图7中可看出，隧道开挖后，反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置的塑性区范围、水平位移、竖向位移及结构面滑移位移最大，故这两个位置为洞周最不稳定区域。

根据图7(a)，绘制塑性区分布轮廓图(图8)。对比分析图5和图8可知，图5中由于结构面剪裂破坏产生的4个塑性区在图8中对应2～5号塑性区，而1，6和7，8号塑性区的形成机理与2～5号塑性区不同。1，6号塑性区分别位于隧道反倾侧拱腰和顺倾侧拱脚，正好处于最大主应力(切向应力)与结构面平行的位置，该位置岩体由于结构面的存在，层状岩层之间不存在或存在较小的法向黏结力，且由于隧道周边径向应力较小，故当以切向应力为主导的地应力相对水平作用于薄至中厚层状岩体时，岩体将产生较大的弯曲变形趋势或变形，引起岩体沿结构面的滑移甚至错动，从而引起岩体挠曲变形产生垂直层面的拉应力导致岩层破裂甚至断裂(图9)。

表1 计算参数

图7 塑性区及位移场分布

图8 塑性区分布轮廓图

图9 岩层拉裂破坏示意图

而7，8号塑性区位于围岩切向应力与结构面方向垂直的位置，岩体在切向应力作用下发生破坏，此时结构面不会产生滑移。

综上所述，顺层偏压隧道附近岩体存在3种破坏模式，根据围岩切向应力与结构面夹角的不同将分别发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏，并以岩层拉裂破坏和结构面剪切破坏为主。

3 深埋顺层隧道破坏规律分析

3.1 计算工况

这里主要研究结构面摩擦角与结构面倾角对隧道塑性区及位移场的影响规律，从而探明不同摩擦角及结构面倾角下的破坏特征。研究方法采用数值模拟，计算模型如图6所示，围岩参数如表1所示，计算工况如表2所示。其中，工况1中结构面倾角为40°，工况2中结构面摩擦角为25°，间距均为1 m。

表2 计算工况

3.2 结构面强度参数

根据结构面摩擦角的不同，将计算工况分为9种。限于篇幅，文中只给出了结构面摩擦角为20°和60°时洞周围岩塑性区及围岩位移分布图(图10)。

图10 不同结构面摩擦角的塑性区和位移场分布

从图10中可看出，当结构面摩擦角为20°时，隧道周边的塑性区及位移场表现出明显的偏压特征，反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置的塑性区范围及各位移值均大于其他位置；当结构面摩擦角增大至60°，此时偏压特征基本消失，塑性区及位移场分布规律与均匀地层接近。由此可知，随着结构面摩擦角的增大，偏压特征将逐渐消失。

图11为洞周围岩塑性区范围、竖向位移、水平位移及结构面位移与结构面摩擦角的关系曲线。从图11中可看出，洞周围岩塑性区范围、竖向位移、水平位移及结构面滑移位移均随着结构面摩擦角的增大而降低，且降低趋势逐渐放缓，当结构面摩擦角超过45°(围岩摩擦角)后，继续降低的趋势不明显。由此可知，采用层间注浆等方式增大结构面摩擦角可以有效提高洞周围岩稳定性。

图11 各指标与结构面摩擦角的关系曲线

3.3 结构面倾角

图12是结构面倾角为0°和40°时洞周围岩塑性区及位移的分布。从图12中可看出，随着结构面倾角的变化，洞周围岩塑性区、竖向位移、水平位移及结构面滑移位移始终保持偏压特征，最大塑性区范围及最大位移均位于洞周切向应力与结构面平行的位置。由此可知，随着结构面倾角的变化，洞周围岩塑性区及位移场的偏压分布特征随之整体旋转。

图12 不同结构面倾角的塑性区及位移场分布

图13为各指标与结构面倾角的关系曲线。从图13中可看出，当结构面倾角为0°或40°时，围岩塑性区范围及位移比其他倾角大。具体而言，当结构面水平时，塑性区范围、隧底最大上拱量及结构面最大滑移位移均达到最大；当结构面倾角为40°时，洞周最大竖向位移及水平位移达到最大。

图13 各指标与结构面倾角的关系曲线

4 监测数据分析

为验证以上分析的合理性，课题组选取顺层段典型断面测量围岩压力。测量数据显示，所有监测断面的围岩压力分布规律基本一致。限于篇幅，仅以里程D1K508+297断面为代表说明现场监测结果。

该断面围岩以中厚层页岩为主，属Ⅳ级围岩，岩层倾角约为40°。沿断面环向布置10个围岩压力监测点(图14)。对10个监测点进行了长时间监测，监测点土压力变化趋势如图15所示。从图15可以看出，断面各位置的围岩压力在70 d之后基本稳定，稳定后的围岩压力环向分布如图16所示。

图14 测点分布

图15 D1K508+297围岩压力变化曲线

图16 里程D1K508+297断面围岩压力分布

从图15、图16可以看出，反倾侧拱腰附近的围岩压明显大于其他位置，最大达到了580 kPa，这说明反倾侧拱腰位置的变形趋势最大，围岩最不稳定。其他监测断面的规律基本一致，即反倾侧拱腰位置围岩压力明显大于其他位置，这与数值计算结论吻合。此外，文献[7]实测数据所表现出的偏压规律也与本文结论一致。

5 结论

(1)顺层偏压隧道洞周围岩主要存在三种破坏模式，根据围岩切向应力与结构面夹角的不同将分别发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏，并以岩层拉裂破坏和结构面剪切破坏为主。

(2)围岩切向应力与结构面平行位置以拉裂破坏为主，切向应力与结构面垂直位置以岩体自身破坏为主，其余位置以结构面剪切破坏为主，其中拉裂破坏和结构面剪切破坏形成的塑性区范围较广。

(3)随着结构面摩擦角的增大，隧道偏压特征将逐渐消失。塑性区范围、围岩竖向位移、水平位移以及结构面滑移位移均随着结构面摩擦角的增大而降低，且降低趋势逐渐放缓，当结构面摩擦角超过45°(围岩摩擦角)后，继续降低的趋势不明显。

(4)随着结构面倾角的变化，洞周围岩塑性区及位移场始终保持偏压特征，偏压特征随结构面倾角的变化而整体旋转。对于隧道底部而言，最不利倾角为0°，此时隧底最大上拱量达到最大值；对于隧道拱部而言，最不利倾角为40°，此时拱部最大收敛值达到最大，最不利位置位于反倾侧拱腰。