层状地质公路隧道围岩稳定性数值分析

罗海燕 石俊 刘灯凯

摘要：层理作为一种层状构造，其存在影响隧道围岩稳定性。为研究层理与隧道纵断面成不同交角时，其对隧道围岩稳定性的影响，文章基于有限元模拟软件MIDAS GTS，对5种角度层理岩体隧道进行了模拟，结果表明：随着层理角度的增加，围岩稳定性逐渐变好，于45°时，围岩稳定性最好，随后围岩稳定性逐渐变差。

Abstract： As a layered structure， bedding affects the stability of tunnel surrounding rock. In order to study the influence of the bedding on the stability of the tunnel surrounding rock when the bedding and the longitudinal section of the tunnel form different angles， the article simulates five angle bedding rock tunnels based on the finite element simulation software MIDAS GTS. The results show that： with the increase of the bedding angle， the stability of the surrounding rock gradually becomes better， when the angle is 45°， the stability of the surrounding rock is the best， and then the stability of the surrounding rock gradually deteriorates.

关键词：公路隧道;层状地质;围岩稳定性;层理角度;数值模拟

Key words： highway tunnel;layered geology;surrounding rock stability;bedding angle;numerical simulation

中圖分类号：U451                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0096-02

0  引言

影响隧道围岩稳定性的因素繁多，大致可概括为3类：地质因素、工程因素以及施工因素。地质因素包括岩石的物理力学性质、岩体结构与构造、岩块坚硬程度、岩体的完整性程度、结构面的抗剪特性、地下水用、风化作用等;工程因素包括隧道埋深、断面形状、大小、高跨比等;施工因素包括施工方法和手段、支护时间及方式等，其中地质因素是影响隧道围岩稳定性的最主要因素。层理作为岩石沿垂直方向变化所产生的层状构造，其存在影响隧道围岩稳定性，因此，大量学者对含层理岩体隧道围岩稳定性进行研究，为研究二次衬砌内力受蠕变效应影响的效果，张文居、杨清浩[1]以鹧鸪山隧道为依托，利用离散元软件3DEC，建立了当层理面倾角β分别为0°、30°、60°和90°时隧道的数值模型并进行计算;在软岩隧道中，岩石具有一定的蠕变特征，为了确保隧道长期稳定性，汪俊波、孟陆波等[2]对不同层理构造砂岩开展了三轴蠕变试验，分析了层理构造对砂岩力学特性的影响;为了研究层状岩体隧道围岩稳定性问题，吴渤[3]以武汉花山大道隧道工程为背景，通过采用室内模型试验、理论建模、数值模拟、现场监控量测与反演分析等方法，全面系统地研究了层状岩体破损机理、围岩稳定性、锚固机理，并与花山大道隧道工程实际监测数据进行综合对比分析;徐国文[4]采用室内试验、数值模拟、理论分析等方法，对层状千枚岩宏细观各向异性力学特征进行了深入研究。

通过查阅大量文献资料发现，研究层理对隧道围岩稳定性影响的研究点很全面，但就研究层理角度对隧道围岩稳定性影响的文章来说，大多数考虑的是层理与隧道横断面之间的角度关系，鲜有考虑层理与隧道纵断面之间角度关系的文章。因此，本文基于MIDAS GTS数值模拟软件，研究当层理与隧道纵断面成不同交角时，其对隧道围岩稳定性的影响。

1  工程背景

云南省昭通市镇雄县境内的某区段项目土建工程存在4座隧道，共长9265m，占线路总长的82.59%，隧道穿越地层含V级、Ⅳ级以及Ⅲ级围岩。Ⅴ级围岩以强风化白云岩为主，呈碎裂状松散结构为主，岩溶发育，岩土体富水性较强;Ⅳ级围岩以强风化白云岩、中风化白云岩、泥灰岩为主，多为碎裂结构、中厚状结构，局部赋存岩溶空腔，岩体富水性强;Ⅲ级围岩以强风化白云岩、中风化白云岩、钙质泥岩为主。地质结构复杂，围岩地质条件差。对隧道穿越V级围岩段，拟采用预留核心土三台阶分部开挖法（土质段）或三台阶分部开挖法（石质段）开挖;对隧道Ⅳ级围岩及Ⅲ级围岩段，拟采用上下断面台阶法开挖;对隧道Ⅳ级围岩紧急停车带段，拟采用三台阶法开挖，对于隧道穿越煤层段，拟采用全断面法开挖。

在此选取其中一条隧道为研究对象，采用二台阶法开挖，该隧道为一座单幅短隧道，隧道全长215m，其中穿越Ⅳ级围岩段隧道长120m，穿越Ⅴ级围岩段隧道长80m，明洞长15m，隧道最大埋深约为59.94m。隧道横断面图见图1，隧道开挖后及时采用Φ22砂浆锚杆、C25喷射混凝土以及I16型钢拱架进行初期支护，其中锚杆长2.5m，采用梅花形布置，其中环向×纵向=1.0m×0.8m;喷射混凝土厚23cm;型钢拱架梅榀间隔80cm。

2  隧道模型的建立

建立隧道纵断面与层理角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°时隧道三维数值模型，考虑隧道横断面尺寸及该隧道所处地质条件，在建立数值模型时，模型边界至隧道的横向距离取为隧道的3倍跨径，模型底部至隧道的距离取为3倍洞径，隧道埋深取实际隧道最大埋深，即59.94m，层理面至隧道最近距离为1m，层理间间隔2m，共5条层理，模型长×高=83.9m×105m，部分模型具体尺寸见图2。

进行网格划分时，隧道及岩体采用3D实体单元进行模拟，采用三角形网格生成器生成网格;锚杆采用1D植入式桁架单元进行模拟;初支时选用的型钢拱架以及喷射混凝土按照所占面积大小采用等效的壳单元进行模拟，部分网格划分图见图3，模型物理力学参数见表1。

3  结果分析

隧道开挖前，地下岩体处于初始地应力平衡状态，隧道开挖后，初始地應力平衡状态被打破，隧道围岩具有向隧道内运动的趋势，因此，可用从隧道开挖至支护后的隧道拱顶位移来描述隧道围岩稳定性。图4表示隧道纵断面与层理分别呈15°、30°、45°、60°、75°时隧道从开挖至支护完成后拱顶连线上最大位移。从图3可以看出，随着层理角度的增加，隧道拱顶位移先减小后增大，并当层理角度为45°时，隧道拱顶位移最小，说明该层理状态下隧道开挖围岩最为稳定。

图5为隧道纵断面与层理呈不同角度时拱腰处锚杆受力图，隧道围岩位移越大，锚杆受力越大，故通过锚杆受力大小亦可反映隧道围岩稳定情况。从图6可知，随着层理逐渐增大，锚杆受力先减小后增大，且在45°层理下锚杆受力最小，故可知，当隧道纵断面与层理呈45°时，隧道围岩稳定性较好。

4  结论

基于数值模拟软件MIDAS GTS，对层理与隧道纵断面成不同角度时围岩稳定性进行研究，得出主要结论如下：①随着层理角度的增加，隧道拱顶位移先减小后增大，并当层理角度为45°时，隧道拱顶位移最小;②随着层理逐渐增大，锚杆受力先减小后增大，且在45°层理下锚杆受力最小;③当层理角度小于45°时，随着层理角度的增大，隧道围岩稳定情况越好，当层理角度大于45°时，随着层理角度的增大，隧道围岩越不稳定，当隧道纵断面与层理成45°时隧道围岩最为稳定。

参考文献：

[1]张文居，杨清浩.层理面倾角对围岩蠕变及支护结构力学特性的影响研究[J].施工技术，2019，48（11）：73-78.

[2]汪俊波，孟陆波，刘天毅，等.砂岩层理构造对力学特性影响分析[J].铁道标准设计，2020，64（04）：130-135.

[3]吴渤.层状岩体隧道围岩扰动区演化与锚固机理研究[D].徐州：中国地质大学，2016.

[4]徐国文.层状千枚岩地层隧道稳定性分析[D].成都：西南交通大学，2017.