深埋软硬互层隧道围岩开挖稳定性研究

王仁鹏

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 概述

随着我国交通事业的迅猛发展，基础设施向着自然条件更恶略、地质条件更复杂的西部地区拓展，致使其在穿越自然条件复杂的山区时，遇到了大量不同倾斜角度的层状结构体。特别是拟建某隧道，隧道线路走向大部分与地层分界线、地质主构造线大致平行，导致顺层产生的深埋隧道围岩变形问题突出、集中，处理不慎可能给隧道的施工及运营带来较大风险。因此，分析不同岩层倾角地质构造稳定性是地下结构修建前的重要工作[1]。为此国内外学者对层状岩体隧道开挖展开研究并取得了众多成果。汪杰等[2-3]、刘攀等[4]、李小帅等[5]基于不同试验及数值模拟手段，对不同倾角节理岩体本构损伤、破坏特性做了研究分析；董志明等[6]、贾蓬[7]基于不同的假定条件，结合不同的计算理论，研究了软弱结构面影响下隧道围岩破坏特性；邓祥辉等[8]、谭鑫等[9]通过室内物理模型试验和数值计算的方法对不同岩层倾角隧道的变形特征及稳定性等进行了研究。

目前国内外学者对不同倾角节理岩体本构损伤、软弱结构面影响下隧道围岩破坏特性及不同岩层倾角隧道的变形特征及稳定性作了研究分析，且以浅层为主，关于因岩体倾斜且岩体之间节理、层理面等地质构造作用影响的深埋顺层隧道研究却鲜有报道。本文以拟建某隧道为例，就硬软互层隧道围岩开挖稳定性开展有限元计算研究，重点对不同岩层倾角隧道开挖围岩的稳定性和破坏模式进行分析评价。本项研究对促进该隧道的顺利建设有着显著的理论意义和重大的工程价值。

2 工程概况

拟建某隧道全长约1815m，最大埋深约400m。隧道浅埋段埋深为15～50m。根据区域地质资料图及隧道工点资料，该隧道深埋顺层区间地层岩性以三叠系砂岩、泥岩及互层为主，泥岩紫红色，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落；砂岩多为长石石英砂岩，浅灰、紫红色，中-细粒结构，泥质胶结，中厚-厚层状，质稍硬。

根据现场大量基岩露头结构面产状测量统计：隧道围岩岩层产状为 N30°～48°E/SE39°～50°，与线路夹角处于0°～30°之间；主要优势节理面两组（取平均值）：（1）N52°W/NE75°，（2）N42°W/SW81°，面理平整，闭合，无填充物，发育间距与层理厚度相当。

3 数值模拟计算

3.1 模型建立

本模型宽度为120m、高度为100m。有限元模型取边界条件为：（1）模型底部施加法向约束；（2）模型顶部施予上覆土压力的约束；（3）模型的左、右两侧，施加实测最大水平主应力。计算模型采用的是三节点的三角形单元，对模型进行有限元离散，并对有限元隧道模型断面附近的岩体作加密网格处理。隧道模型开挖时，按照全断面开挖考虑。计算模型如图1所示。

图1 数值计算模型

3.2 模型参数

本文地层主要包含了三种材料：（1）硬质岩；（2）软质岩；（3）结构面。本模型隧道围岩采用的是内置实体单元进行模拟，模型材料服从摩尔-库伦理想弹塑性本构关系[10]；模型结构面运用软件内置的GOODMAN接触单元进行模拟。模型的岩层参数主要是参考《工程地质手册》和有关单位提供的地勘报告里面的建议值，节理面参数参考的是室内土工试验测试得到的推荐取值以及同类计算得到的经验值统一选取，物理力学参数如表1所示。

3.3 模型工况

3.3.1 稳定安全系数分析

采用有限元强度折减法计算各隧道的稳定安全系数，表2给出了倾角变化时隧道的稳定安全系数。

由表2分析可知：

（1）隧道安全系数随着岩层倾角增大表现为先增大后减小的趋势。当倾角为10°时，其稳定安全系数为2.82，随着倾角增大，稳定安全系数逐渐增加，倾角为40°时达到峰值3.07，之后稳定安全系数又逐渐减小，75°时降至2.57。

（2）岩层倾角存在界限值，硬-软互层组合隧道为40°，小于或大于该值稳定安全系数均减小，10°～75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达16%。

3.3.2 变形破坏模式

在前述稳定性计算的基础上，本文给出了强度折减至极限状态时隧道的变形破坏模式，如图2所示。

由图2分析可得出：

（1）倾角的大小对隧道破坏模式影响很大。当倾角较小（≤30°）时，垂直于层面方向的位移量和破坏范围大，隧道围岩以弯曲折断破坏模式为主，即岩层向洞内弯曲折断，层面法向开裂；当倾角较大（>60°）时，顺层面方向变形范围占优势，但最大位移量表现于垂直层面方向，表明隧道围岩破坏模式在顺层滑移破坏的基础上，垂直层面方向折断破坏最先启动的可能性较大，即岩层先弯曲折断，后引发较大范围的滑移；当倾角在30°至60°之间时，变形范围由垂直层面为主逐渐向顺层面为主转变，但顺层面向位移量大，表明滑移破坏最先启动，后引发折断和滑移的共同破坏。

（2）无论哪种倾角，弯曲折断和顺层滑移都是存在的，只不过程度不一样，当倾角为40°，两种破坏模式的规模基本相当，此时得到的围岩稳定安全系数接近峰值。

表1 围岩物理力学参数

表2 某隧道稳定安全系数

图2 强度折减至极限平衡时破坏模式图

4 结论

本文以拟建某隧道为例，就硬软互层层理和共轭节理共同作用下隧道围岩开挖稳定性开展数值模拟研究，主要对不同岩层倾角隧道开挖围岩的稳定性和破坏模式进行分析评价。得到如下结论：

（1）岩层倾角存在界限值，硬-软互层组合隧道为40°，小于或大于该值稳定安全系数均减小，10°～75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达16%。

（2）强度折减条件下，围岩破坏模式随着倾角变化略有不同，主要破坏模式为滑移引发条件下的滑移与层裂共同破坏。

当倾角≤30°时，隧道围岩以弯曲折断破坏模式为主；当倾角>60°时，隧道围岩破坏模式在顺层滑移破坏的基础上，垂直层面方向折断破坏最先启动的可能性较大；当倾角介于30°～60°之间时，变形范围由垂直层面为主逐渐向顺层面为主转变，但顺层面向位移量大，表明滑移破坏最先启动，后引发折断和滑移的共同破坏。