泥岩夹砂岩顺层大跨度隧道力学特征研究

赵东平，季启航，王国军

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；3.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023)

0 引言

在山岭隧道建设过程中常会遇到偏压的地质情况，在现行TB 1003—2016《铁路隧道设计规范》[1]中，对于地表倾斜的浅埋地形偏压隧道已经有较为明确的设计规定。但是，对于穿越软硬岩层或倾斜顺层地质的偏压隧道，在偏压判定标准及荷载计算方法等方面均无具体的规定可供参考。近年来，随着西部铁路网的大规模建设，铁路沿线上的大跨度顺层隧道逐渐增多，个别线路上的大跨度顺层隧道占比几乎达到100%，顺层隧道在施工期间暴露出的问题逐渐引起工程界的关注。

目前，针对地质顺层隧道的研究主要集中在隧道力学机制及支护方法2方面。Do等[2]依托煤矿区非圆形巷道，探讨了层状岩层条件下隧道非对称破坏区域形成的原因，并对岩层倾角、侧压力系数和岩体质量对围岩位移的影响进行了研究。陈洋宏等[3]采用数值方法对软硬互层隧道位移影响因素进行分析，得出侧压力系数、岩层倾角、围岩厚度、围岩弹性模量、隧道埋深5个因素对隧道各部位位移影响的显著性排序。韩昌瑞等[4]、李晓红等[5]依托渝湘高速公路共和隧道，针对砂质页岩顺层隧道偏压破坏特征进行研究，提出适用于该地质条件的各向异性弹塑性本构关系，并采用现场实测的方法得出围岩松动圈范围，印证了地质构造是隧道结构破坏的主要原因。周晓军等[6]针对页岩夹灰岩顺层单线隧道开展了模型试验研究，结果表明顺层隧道荷载的非对称性与顺层倾角密切相关。邓祥辉等[7]采用数值方法针对砂岩顺层隧道的层厚及倾角对隧道稳定性的影响进行了研究，结果表明顺层隧道的偏压特征随着岩层厚度的增大而逐渐减小。周应麟等[8]提出了层状岩层下洞室失稳的4种力学模型，并采用Ⅴ级围岩参数针对顺层隧道岩层倾角对隧道稳定性的影响进行了研究。徐国文等[9]利用离散元有限差分耦合算法，得出层状岩层下围岩破坏为层理面先行破坏导致岩体拉裂破坏的相互耦合作用，以及侧压力系数减小导致岩体微裂缝增多，围岩破坏形态随着层理间距的增大而逐渐趋近均质地层的结论。吴迪等[10]采用现场量测与数值模拟相结合的方法，得出层状围岩隧道中衬砌结构的最不利位置常出现在层理面法线方向。胡炜等[11-12]针对页岩夹砂岩深埋顺层隧道，通过理论分析与数值模拟的方法验证了顺层隧道呈现明显的偏压特征，并分析了结构面倾角与摩擦角对隧道偏压特征的影响，结果表明，结构面摩擦角超过岩层摩擦角后，摩擦角对围岩稳定性影响较小，隧道拱腰与仰拱的最不利倾角分别为40°与0°。曹兴松等[13]、邓彬[14]提出在顺层隧道中可采用非对称长锚杆、非对称截面与非对称配筋衬砌的设计，降低偏压产生的不利影响。

分析以上有关顺层隧道的研究成果可知，既有研究主要针对小跨度隧道开展，部分研究成果针对页岩夹砂岩地层大跨度顺层隧道偏压特征开展了研究，但是，未见针对泥岩夹砂岩地层大跨度隧道力学特征的报道，此外，既有研究中没有考虑地下水对顺层围岩的弱化作用。基于上述情况，本文依托在建郑万高铁隧道工程，针对泥岩夹砂岩地层大跨度顺层隧道，研究顺层倾角、顺层间距及地下水等主要影响因素对隧道力学特征的影响，以期为类似地质条件下的大跨度隧道设计与施工提供参考。

1 工程概况

郑万高铁重庆段隧道累计长度约174 km，采用单洞双线设计方案，最大开挖跨度达15 m。根据地质勘察资料可知，郑万高铁重庆段穿越顺层段落的隧道累计长度约135 km，顺层隧道占隧道线路的比例达77.6%。其中：顺层段落岩性以泥岩夹砂岩为主，占比67.2%；少部分隧道顺层岩性为灰岩、泥灰岩、白云岩等硬岩，占比10.2%；非顺层段落占比22.6%。郑万高铁重庆段隧道顺层段落占比情况如图1所示。

图1 郑万高铁重庆段隧道顺层段落占比情况Fig.1 Proportions of bedding section of Zhengzhou-Wanzhou railway tunnel in Chongqing

施工期间，穿越顺层地层的多座隧道局部段落发生了较大变形，这些变形呈现出较为显著的非对称特征，如图2所示。

图2 某隧道顺层段落横断面典型位移(单位：cm)Fig.2 Typical displacement of cross-section in bedding section of a tunnel (unit:cm)

部分隧道的初期支护在非对称围岩压力作用下，出现初期支护混凝土剥落、钢架扭曲等现象，如图3所示。

已施工段大跨度隧道出现的种种问题表明在泥岩夹砂岩地层条件下，顺层隧道偏压特征较为显著，顺层偏压问题对隧道施工及运营产生的影响不容忽视。为预防隧道施工及运营过程中可能出现的病害，有必要对泥岩夹砂岩顺层隧道的力学特征开展系统性的研究。

图3 某隧道顺层段落初期支护破坏特征Fig.3 Failure characteristic of primary support in bedding section of a tunnel

2 顺层隧道现场监测及数值模拟

从隧道掌子面揭示的围岩岩性及产状来看，隧道穿越泥岩夹砂岩顺层，砂岩岩层厚度相对较薄，岩层走向与隧道轴向基本一致，顺层间距在1～4 m非均匀变化，顺层倾角在缓倾至陡倾范围内非均匀变化。个别地段地下水发育，隧道位移量测数据表明，在地下水发育且顺层同时存在的区段，隧道收敛位移较普通段显著增大。施工期间，顺层区段隧道围岩表现的偏压特征与围岩岩性、顺层间距及顺层倾角等参数密切相关。因此，研究上述参数对顺层隧道偏压特征的影响程度，将有助于及时调整设计与施工技术方案，减小或消除偏压对隧道结构的不利影响。

2.1 现场监测

为了研究隧道初期支护实际承受的围岩压力及变形特征，选取郑万高铁小三峡隧道顺层区段D1K672+642断面开展现场试验，该断面隧道埋深约250 m，掌子面岩层产状如图4(a)所示，属典型的泥岩夹砂岩顺层地层，围岩等级为Ⅳ级，砂岩层厚度为0.2～0.4 m，层间距为0.3～2.5 m，顺层倾角大致接近45°。在喷射混凝土施工前，于隧道周边安装YT-200A型振弦式双膜土压力计，通过对土压力计频率的测量，得出围岩与初期支护之间接触压力分布情况及围岩压力随时间的变化规律，并利用全站仪对隧道开挖前后围岩的变形情况进行测量。土压力计布置及仪器现场安装情况、围岩位移测点布置分别如图4(b)和图4(c)所示。现场实测的围岩接触压力随时间的变化关系及接触压力稳定后的分布特征如图5(a)和图5(b)所示，隧道周边位移收敛后，各个测点实测位移见图5(c)。

(a)D1K672+642掌子面岩层产状

实测结果显示，随着时间的推移各测点围岩压力逐渐增大，并于80 d后趋于稳定(见图5(a))。隧道围岩压力稳定后，监测断面围岩压力环向分布情况显示，拱顶围岩接触压力最大，顺层法线方向围岩压力明显大于顺层方向，隧道呈现出明显的偏压特征。由图5(c)可知，隧道拱顶至右拱腰部位围岩实测位移明显大于左侧，即顺层法线方向位移大于顺层方向，隧道变形呈现出较为明显的非对称特征。

2.2 数值模拟

实测结果表明，顺层隧道存在偏压现象，但是该结果仅能与特定的顺层构造参数(顺层间距和倾角等)相对应。为了进一步研究顺层地质构造参数及地下水等影响因素对隧道偏压特征的影响规律，有必要借助数值计算方法。考虑到岩层走向与隧道轴线平行，可建立二维地层结构模型对泥岩夹砂岩顺层隧道开展多工况数值分析。加拿大Rocscience公司开发的Phase2有限元程序中内置的joint单元可以方便地模拟岩层中的不同层理，因此，本文采用Phase2程序建立数值模型，对泥岩夹砂岩顺层隧道开展多工况数值分析研究。

(a)围岩压力历时曲线

为了便于与现场实测断面对比分析，计算模型隧道埋深取250 m。由于模型尺寸的限制，将模型范围外的上覆岩层重度以荷载的形式施加于模型顶部，并进行地应力平衡，模型尺寸为100 m×100 m。隧道跨度为14.8 m，采用台阶法开挖，上台阶高度为4.7 m，下台阶高度为5.3 m，仰拱高度为2.0 m。根据现场地质条件，砂岩间距取2 m，砂岩倾角为45°，数值计算模型如图6所示，模型中的地质构造参数与现场试验断面基本相符。

由于顺层中的砂岩岩层厚度较薄(0.2～0.4 m)且完整性差(见图4(a))，因此，采用Phase2软件中joint单元模拟砂岩岩层，采用实体单元模拟泥岩。Phase2程序中推荐了一种基于岩层充填物性质的joint刚度计算方法，将砂岩视为泥岩层中的充填物，此时joint单元的法向刚度kn与剪切刚度ks可通过式(1)和式(2)进行估算。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：E0为充填物弹性模量，GPa；G0为充填物剪切模量，GPa；h为充填物厚度，m。

图6 顺层隧道数值计算模型(单位：m)Fig.6 Numerical model of bedding tunnel (unit:m)

为了确定数值计算所需的参数，在隧道现场钻取了泥岩岩样开展室内试验，巴东组泥岩岩样及试验仪器如图7所示。由于砂岩层厚度薄且完整性差，现场未取得合适的砂岩层岩样。最终，根据泥岩试验结果，并结合张小波[15]、张玉等[16]针对砂岩开展的物理特性试验研究，以及TB 1003—2016《铁路隧道设计规范》[1]关于Ⅳ级围岩物理力学指标的参考值，获取顺层隧道围岩计算参数，如表1所示。

(a)泥岩岩样

根据小三峡隧道施工工序，隧道台阶开挖后在台阶周边施加初期支护，主要包括喷射混凝土与钢架，其中喷射混凝土采用C25混凝土，钢架采用I18型工字钢。根据TB 1003—2016《铁路隧道设计规范》[1]喷射混凝土及钢架的物理力学指标，确定支护结构计算参数，如表2所示。

表1 围岩计算参数Table 1 Calculation parameters of surrounding rock

表2 支护计算参数Table 2 Calculation parameters of tunnel support

由于二维数值模型无法展现隧道施工过程中三维空间的尺寸效应，一种近似的方法是设定围岩应力释放率，近似模拟隧道掌子面对围岩的约束作用。围岩应力释放率在开挖阶段分别设定为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，计算在不同应力释放率条件下隧道周边围岩的位移值。当计算位移与实测位移基本接近时，则认为设定的应力释放率是比较合适的，并作为后续分析的参数。不同应力释放率条件下，隧道周边特征点围岩位移计算值如图8所示。

图8 顺层隧道围岩位移与应力释放率的关系Fig.8 Relationship between displacement of surrounding rock and stress release rate of bedding tunnel

由图8可知，隧道周边围岩位移随着应力释放率的增长而增大，当围岩应力释放率取为0.3时，隧道左拱腰及拱顶实测位移与数值计算较为接近，且能反映出顺层隧道的非对称变形特征，故应力释放率取为0.3。此时，顺层隧道围岩位移及塑性区范围如图9所示(图9(b)中的图例表示围岩进入塑性区的比例)，砂岩顺层塑性区范围如图10所示。

(a)围岩位移(单位：m)

图10 砂岩顺层塑性区范围(单位：m)Fig.10 Sandstone bedding plastic zone of tunnel (unit:m)

由图10可知，砂岩顺层塑性区分布于顺层法线方向，砂岩顺层塑性破坏引起泥岩沿顺层法线方向产生弯曲变形，导致该处围岩位移与泥岩塑性区范围增大，引起围岩位移的不连续分布。因此，泥岩与砂岩顺层的破坏相互耦合作用会显著改变隧道周边围岩的位移场，进而影响隧道的力学特征。

3 顺层参数对隧道偏压的影响

为了研究顺层参数对隧道力学特征的影响，在隧道开挖轮廓周边布置8个监测点(如图11所示)，通过对不同工况下各个测点的位移及沿围岩深度方向的塑性区范围进行分析，论证顺层构造参数对隧道偏压的影响程度及规律。

图11 隧道位移监测点位置Fig.11 Layout of tunnel displacement monitoring points

3.1 顺层倾角对隧道偏压的影响

在控制其余参数不变的情况下，假定顺层间距为1 m，当顺层倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时，各监测点围岩位移变化情况如图12所示。

图12 顺层隧道围岩位移与顺层倾角的关系Fig.12 Relationship between surrounding rock displacement and bedding dip angle of bedding tunnel

由图12可知：当顺层倾角小于15°或顺层倾角为90°时，顺层隧道周边围岩位移基本对称，隧道不存在偏压特征；当顺层倾角在15～90°逐渐增大时，顺层法线方向围岩位移呈现先增大后减小的趋势，顺层方向围岩位移持续减小；当顺层倾角为45～75°时，顺层法线方向围岩位移明显大于顺层方向，隧道的偏压特征较为显著。

顺层倾角不同时隧道塑性区范围如图13所示(图例表示围岩进入塑性区的比例)。由图13可知：当顺层倾角为0°及90°时，隧道围岩塑性区基本上对称分布，不存在偏压现象；当顺层倾角在15～90°逐渐增大时，隧道右侧泥岩塑性区范围开始逐渐大于左侧，砂岩顺层塑性区沿顺层法线方向延伸；当顺层倾角为45°时，泥岩塑性区范围最大，砂岩顺层的塑性区沿顺层法线方向延伸范围最大，顺层隧道的偏压现象最为显著。

3.2 顺层间距对隧道偏压的影响

由3.1节可知，顺层隧道的最不利倾角为45°，因此假定顺层倾角为45°，在此条件下分析顺层间距对隧道偏压的影响。当顺层间距由0.5 m增大至5 m时，隧道周边围岩位移计算结果如图14所示。

由图14可知：当顺层间距较小时，顺层法线方向围岩位移明显大于顺层方向，隧道偏压特征显著；随着顺层间距的增大，围岩的非对称位移逐渐减小，偏压特征逐渐减缓；当顺层间距超过3 m后，隧道位移基本对称。

顺层隧道围岩塑性区范围与顺层间距的关系如图15所示。由图15可知：顺层间距较小时，顺层法线方向泥岩塑性区范围大于顺层方向；当顺层间距大于2 m时，随着顺层间距的增大，泥岩塑性区范围变化不明显。

3.3 地下水对隧道偏压的影响

泥岩具有抗压强度低，渗透性差，失水易开裂剥落，遇水易软化崩解、强度急剧降低的特点[17]。柳万里等[18]对天然状态与饱和状态下巴东组泥岩开展的单轴压缩试验表明，饱和试件弹性模量降低22.97%，颗粒摩擦因数降低30%，黏结法向强度与切向强度降低22.86%。根据以上结论调整顺层隧道模型参数并考虑地下水的渗流效应，结合施工现场的水文地质条件，设置水位高度距离隧道拱顶200 m，泥岩渗透系数为1×10-7m/s。假定顺层间距为0.5 m、顺层倾角为45°，分别对有无地下水的2种工况进行计算与分析，计算结果如图16所示。

由图16可知，由于地下水对围岩物理参数的削弱及渗流作用，围岩位移、泥岩与砂岩塑性区范围均有所增大，围岩破坏比例增加，围岩稳定性下降，其中，隧道拱腰围岩力学特征变化最为显著。因此，地下水对泥岩夹砂岩顺层隧道产生了明显的不利影响，该计算结果与施工现场观察到的现象基本一致。

(a)顺层倾角0°

图14 顺层隧道围岩位移与顺层间距的关系Fig.14 Relationship between surrounding rock displacement and bedding spacing of bedding tunnel

图15 顺层隧道围岩塑性区范围与顺层间距的关系Fig.15 Relationship between plastic zone depth and bedding spacing of bedding tunnel

(a)围岩位移(单位：cm)

4 结论与讨论

本文采用现场试验和数值模拟的方法，对泥岩夹砂岩顺层大跨度隧道力学特征进行了研究，分析了顺层主要地质参数及地下水对顺层隧道力学特征的影响，得出的主要结论如下。

1)在泥岩夹砂岩地层条件下，顺层隧道的力学特征与均质地层存在较大的区别。由于岩体沿顺层法线方向弯曲变形，顺层法线方向围岩位移明显大于顺层方向，隧道变形呈现出明显的不对称特征；砂岩顺层的破坏会引起泥岩塑性区延伸，造成泥岩塑性区的不对称发育。

2)砂岩顺层的间距对隧道力学特征有较大的影响。随着顺层间距的增加，围岩位移与塑性区范围逐渐减小，隧道的不对称变形逐渐减小。当砂岩顺层间距超过3 m以后，顺层隧道的偏压特征基本消失。

3)砂岩顺层的倾角对隧道力学特征有显著的影响。砂岩顺层的破坏主要发生于顺层法线方向，并引起一定范围内围岩整体的破坏。随着顺层倾角的增大，围岩塑性区逐渐向边墙发展。顺层倾角为45°时，砂岩顺层塑性区范围最大，围岩位移的不对称特征最为显著，此时顺层构造对围岩的稳定性最为不利。

4)在含有地下水的顺层地质条件下，由于地下水对泥岩力学参数的削弱以及地下水的渗流作用，围岩位移及塑性区范围均有所增加，围岩稳定性降低，此时需重点关注拱腰处的围岩变形情况。

5)对于顺层隧道而言，可通过围岩岩性、顺层间距、顺层倾角及地下水等主要参数对其偏压特征进行判定。对于泥岩夹砂岩大跨度顺层隧道而言，当顺层间距小于3 m、顺层倾角在45～75°时需要考虑隧道的偏压特征。

本文主要探讨了顺层岩性、地质构造参数及地下水对泥岩夹砂岩顺层大跨度隧道力学特征的影响，但由于数值软件的局限性及现场试验数据量有限，并未得出大跨度顺层隧道偏压荷载与地质构造参数的定量化关系，今后将针对上述问题开展进一步的研究。