缓倾岩层隧道变形机理及支护手段研究*

畅 燚

(中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401121)

0 引言

层状岩体广泛存在于地球上，沉积岩经变质作用后产生的变质岩普遍具有层状结构特征[1]，自然界中的大多数岩层都是倾斜的，工程地质学将岩层与水平面夹角为α的岩层称为倾斜岩层，当倾角α<30°时，称为缓倾岩层。

缓倾岩层隧道工程实例较多，东兴场隧道穿越水平岩层或近似水平的缓倾岩层，围岩因岩层节理切割在隧道拱肩和拱顶处形成不完整岩块，产生掉块等病害。何军等[2]使用离散元UDEC软件对东兴场隧道进行离散元数值模拟，研究岩层厚度和隧道埋深对围岩的影响，发现层厚越大、埋深越深，围岩稳定性越好。王睿等[3]同样采用UDEC进行离散元数值模拟，发现岩层倾角为0°时，围岩松动圈出现在隧道拱顶1.6～2.6m。岩层倾角为30°，45°，60°，75°时，隧道存在偏压现象，围岩松动圈不对称。若倾角为0°，90°，松动圈沿隧道轴线呈对称分布。李烁等[4]针对栗木山隧道，施工监测隧道围岩为缓倾层状岩层，层厚0.3～0.6m，采用ANSYS对层状围岩隧道开挖后围岩和支护结构的形变与应力分布特征进行研究，发现倾斜岩层的隧道围岩与衬砌位移存在明显非对称性，非对称性随倾角增大先增大后减小，最大竖向位移出现在隧道拱顶，最大竖向位移随岩层厚度增大而减小，存在临界厚度0.6m。新窑沟隧道为缓倾岩层隧道且围岩胶结差、强度低，开挖过程中的变形破坏十分复杂。张乐中[5]对新窑沟隧道进行分析研究，提出碎裂松动、膨胀内鼓、挤压破坏、滑动破坏和地下水破坏等是缓倾岩层隧道的主要破坏模式。

尽管在缓倾岩层地层中修建隧道的工程实例较丰富，然而理论研究仍有不足。首先，对缓倾岩层隧道开挖后的常见病害和破坏模式研究总结较多[6-7]，但缓倾岩层隧道开挖后的变形机理问题研究不足。此外，对缓倾岩层隧道开挖后的支护手段研究较少，且在JTG D70—2014《公路隧道设计规范》中没有对缓倾岩层隧道修建做出说明，TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中仅提到缓倾岩层地段隧道开挖后可能存在的剥落或局部坍塌情况，可使用超前锚杆对围岩进行支护。根据调研工程修建实例可以发现，在设计和施工类似缓倾岩层隧道时，如不充分根据倾岩层开挖后的破坏特点，及时进行相应支护，施工中往往出现安全问题。

针对缓倾岩层隧道变形机理及支护手段，依托包茂高速湖南段某隧道，采用MIDAS GTS NX进行建模计算，分析缓倾岩层隧道开挖后应力和位移的变化情况，探究缓倾岩层隧道变形机理，并在此基础上研究缓倾岩层隧道开挖后进行喷锚支护的效果。

1 工程概况

隧道位于包头至茂名高速公路(包茂高速)，为分离式单洞双线隧道，隧道双洞总长870m，设计时速80km/h。吉怀高速公路大部分穿越湘西沅麻盆地，隧道所处地貌属构造剥蚀作用形成的低山地貌，地形地质情况复杂。隧道围岩主要为水平状薄～中厚层泥质粉砂岩、粉(细)红砂岩地层，围岩级别多为Ⅲ～Ⅴ级。隧道所处岩层较缓倾水平，岩体较为破碎，层间结合差，节理裂隙发育，裂隙渗水严重，施工风险较大，开挖后易坍塌，开挖控制难度较大，具有较高的施工风险。

2 缓倾岩层隧道变形机理探究

岩层倾角及厚度会对缓倾岩层隧道变形产生一定影响[8]。为研究缓倾岩层倾角和厚度对开挖后围岩变形的影响，选取5种工况建立不同倾角和岩层厚度的有限元模型进行分析，所选取工况如表1所示。

表1 计算工况

采用MIDAS GTS NX进行建模和计算，隧道断面尺寸为12m×10m，计算边界为80m×80m，取距隧道边界3～4倍洞径，模型取均匀分布节理。根据所研究问题的特点，计算模型采用平面应变模型，岩层采用莫尔-库仑屈服准则。为研究开挖后缓倾岩层的变形机理，只研究毛洞开挖，不涉及支护结构，计算参数如下：①围岩 重度为22.1kN/m3，弹性模量6.5GPa，泊松比0.28，内摩擦角35°，黏聚力0.4MPa；②界面的法向刚度为29GPa，切向刚度20GPa，抗拉强度2MPa，内摩擦角35°，黏聚力0.4MPa。

2.1 开挖后位移分析

为研究开挖后缓倾岩层隧道的变形规律，分别分析研究不同工况下的水平和竖向位移云图。最大拱顶沉降及仰拱隆起变化曲线如图1所示。

图1 最大拱顶沉降及仰拱隆起变化

缓倾岩层角度开始增大时，仰拱隆起和拱顶沉降明显增大，倾角超过15°后，增大趋势明显趋缓，倾角超过10°后，缓倾岩层倾角的增大不能使变形继续增大，反而有减小趋势，而厚度的减小会加剧变形。

岩层倾角和厚度变化对最大拱顶沉降和仰拱隆起的影响曲线如图2所示。

图2 左右边墙变形值变化

缓倾岩层的存在会造成左右边墙的不对称收敛变形，缓倾岩层倾角增大使该不对称性继续增大，厚度减小会缩小左右变形不对称差异。

由于缓倾岩层层间存在较弱黏结力，在缓倾岩层中开挖隧道会增大洞周收敛，由于层间界面强度低于岩体，因此岩层越薄，围岩承载力越低，洞周变形越大。倾角越大，岩层越易沿界面发生滑移，使边墙处的水平位移出现非对称分布。

2.2 开挖后应力分析

为研究开挖后缓倾岩层隧道的应力变化规律，分别对不同工况下的最大、最小主应力进行分析研究。岩层倾角和厚度对最大主应力的影响曲线如图3所示。通过最大主应力云图可知，拱顶与拱脚处出现集中的最大主应力，通过最小主应力云图可知，在边墙处出现集中的最小主应力。

图3 最大主应力变化

缓倾岩层隧道拱顶和仰拱位置产生最大主应力，缓倾岩层显著增大最大主应力，缓倾岩层倾角增大对最大主应力的增大没有明显相关性；而厚度减小对最大主应力的增大有显著效果。存在缓倾岩层后，仰拱最大主应力明显大于拱顶，仰拱更易发生破坏。

最小主应力随倾角和厚度的变化曲线如图4所示。最小主应力出现在边墙处，缓倾岩层明显增大最小主应力，缓倾岩层倾角的增大对最小主应力增大没有明显相关性；由于最小主应力为负值，由最小主应力随厚度变化曲线可知，厚度减小可小幅度增大最小主应力的绝对值。存在缓倾岩层后，最小主应力更多出现在拱脚处。

图4 最小主应力变化

由于缓倾岩层较弱的承载能力，开挖后拱顶和仰拱处产生较大的拉应力，且层状岩层的层间界面抗拉强度较低，极易因为过大的拉应力出现仰拱隆起破坏，且厚度越小，围岩承载力越低越易被破坏。

2.3 开挖后剪切应变分析

岩层倾角和厚度对最大剪切应变的影响如图5所示。通过最大剪切应变云图可知，最大剪切应变出现在边墙处，结合图5,缓倾岩层明显增大最大剪切应变，缓倾岩层倾角的增大会造成最大剪切应变集中在边墙处的岩层层间位置。且倾角增大，剪切应变呈增大趋势；厚度的改变对最大剪切应变的影响不显著。倾角的存在使最大剪切应变增大，通过最大剪切应变图可知，由于层间的弱黏结作用，层间最易发生剪切变形，导致倾角越大，最大剪切应变集中在岩层层间位置，使岩层层间易发生剪切滑移破坏。

图5 最大剪切应变变化

3 缓倾岩层隧道变形控制方案

通过分析缓倾岩层隧道开挖过程中的应力和变形特征可知，缓倾岩层的软弱结构面，使隧道易发生变形破坏，因此在缓倾岩层隧道施工过程中需控制变形。基于对缓倾岩层变形机理的研究结合现场工程情况，将锚杆支护优化方案作为后续施工的指导方案。

施工过程中初期支护破坏较严重，影响施工效率和效益，结合现场监控量测及数值模拟结果，取消原有隧道下部锚杆，调整隧道上部左侧锚杆打入角度，使其与岩层倾角相互垂直，保持其他支护参数不变。

针对缓倾岩层隧道施工过程中产生的应力分布非对称问题，采用三台阶加临时仰拱施工，横断面施工工序如图6所示。具体开挖步骤如下。

图6 施工工序

1)爆破开挖并施作①附近的初期支护，架设钢筋网，喷射混凝土，立钢拱架，打径向锚杆，复喷混凝土至规定厚度。

2)爆破开挖并施作位置②1附近的初期支护，架设钢筋网，喷射混凝土，立钢拱架，打径向锚杆，复喷混凝土至规定厚度。施作②1临时仰拱，设置临时支撑及钢筋网，喷射混凝土进行封闭。

3)与②1处类似，对位置②2进行施工。

4)爆破开挖并施作③1附近的边墙初期支护，包括架设钢筋网，喷射混凝土，立钢拱架，打径向锚杆，复喷混凝土至规定厚度。

5)与③1处类似，对位置③2进行施工。

6)爆破开挖并施作④附近的仰拱初期支护，包括架设钢筋网，喷射混凝土，立钢拱架，复喷混凝土至规定厚度。

7)施作仰拱和边墙基础，仰拱混凝土初凝后，填充仰拱至设计高度。

8)视现场监控量测的实际情况，判断二砌支护时间，拆除临时仰拱，浇筑成型。

通过数值计算，验证该施工方案对隧道变形位移的控制效果。采用二维平面应变模型，在每层岩体间设置界面实现各向异性，以对缓倾岩层层理处的各向异性进行模拟。模型采用长3.5mφ 25mm的中空锚杆，初期支护选用0.2m厚C20喷射混凝土模拟。选取2m厚、倾角10°的缓倾岩层进行支护模拟，计算参数如表2所示。

表2 喷锚支护计算参数

支护前后的拱顶、仰拱、左边墙、右边墙变化如表3所示。支护前后的围岩水平变形对比如图7所示。

图7 支护前后的围岩水平变形对比

从支护前后的变形程度来看，由于喷锚支护通过锚杆加强层与层间黏结，起组合梁作用，限制剪切滑移。因此边墙处的收敛控制效果明显。

喷锚支护是柔性支护，具有支护及时性及与围岩贴合紧密等优点，可有效提高围岩的自承能力，同时控制围岩变形。此前已广泛应用于我国隧道工程中，通过本次研究，结合现场实施及数值模拟验证，证明三台阶临时仰拱加喷锚支护在缓倾岩层隧道开挖过程中控制变形的有效性。

4 结语

1)缓倾岩层易出现问题的原因在于岩层间的界面对岩体整体性造成一定程度的损害。围岩承载力降低，使较完整的岩体更易发生破坏。

2)隧道开挖导致边墙位置产生应力重分布，进而由于挤压作用使临空面发生变形，岩层界面处受剪切破坏，使岩体沿层面滑移掉块。较薄岩层在较大拉应力作用下，仰拱和拱顶处易发生断裂，造成塌方及拱底上拱。

3)由于喷锚支护通过锚杆加强层与层间黏结，起组合梁作用，很好限制剪切滑移，因此边墙处的收敛控制效果明显。

4)缓倾岩层隧道施工时，应减少扰动围岩并及时进行支护，根据变形机理，三台阶临时仰拱加喷锚支护手段可很好控制变形，增加层间摩阻力，提高岩层间整体性。