高地应力水平层状岩体结构特征对隧道底鼓影响分析

郑长青，汤 印，路军富

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

引言

近年来，隧道底鼓病害频发，笔者调研20座发生底鼓病害的高速铁路隧道发现，高地应力和缓倾层状围岩是底鼓隧道的显著特征。层状岩体是隧道工程中常见的一种各向异性岩体，其变形和强度特征较为复杂，工程实践表明，在层状岩体中进行隧道开挖常常会出现围岩大变形和结构破坏等工程问题[1-6]，相关研究也指出，层状软岩在高地应力及其他因素的影响下发生隧道底鼓也较为常见[7-9]。目前，一些学者针对隧道层状围岩及其对隧道的底鼓影响进行了深入研究，提出许多很有价值的研究成果，韩昌瑞[10]建立了深埋隧道层状岩体弹塑性本构模型，并基于C++汇编程序语言进行实现；肖小文等[11]提出高地应力、隧底缓倾互层岩体及仰拱下部存在软弱岩层是导致某无砟轨道隧道底部隆起的主要原因；汪洋等[12]通过数值模拟分析了高地应力软弱围岩隧道在不同埋深和侧压力系数下的结构变形规律；李晓红等[13]通过现场监测结合数值模拟的方法，对深埋层状围岩隧道进行研究，发现地层结构特征对围岩的变形和破坏具有显著影响；杨清洁[14]分析了层状岩体层理面倾角和围岩蠕变对隧道支护结构力学特性的影响；陈洋宏[15-16]等针对高地应力缓倾软硬互层岩体中隧道底鼓问题，采用单一影响因素和多因素耦合方法研究侧压力系数、岩层倾角、围岩厚度、围岩弹性模量、隧道埋深5种影响因素下的隧道底鼓的规律；温建永[17]对层状岩体隧道底鼓病害进行了机理分析，并提出了治理方法与施工控制措施。

以西南地区某铁路隧道为依托，建立三维隧道地层-结构模型，采用有限差分法，考虑高地应力条件，开展隧底缓倾层状岩层在不同分布深度、不同单层厚度、不同变形模量等结构特征以及不同竖向应力等因素对隧道底鼓变形特征及规律的影响分析。

1 工程概况

西南地区某铁路隧道全长7 858 m，隧道围岩等级为Ⅲ级，仰拱底部岩层主要为粉砂质泥岩，呈紫红色，泥质结构，岩层产状缓倾，多为中厚层状构造。隧道运营开通后，由于隧道发生底鼓导致道床板和填充层出现开裂和抬升现象，经地质补勘分析认为，隧址区高地应力和缓倾层状软岩是导致隧道底鼓的主要原因。通过长达5年的底鼓变形监测，发现隧道共有4个段落底鼓较为严重，底鼓最严重处现场监测底鼓三维效果如图1所示，底鼓量最大达64.6 mm，虽然各底鼓段变形程度不一样，但在横断面上的底鼓变形规律一致，即：在横断面上，隧道中线位置底鼓量最大，越靠近墙脚底鼓量越小，墙脚处竖向位移几乎无变化。

图1 仰拱底鼓最严重段落三维效果

2 构建数值模型

2.1 模型建立

以西南某铁路隧道结构和地质条件为依据，选取底鼓最严重段落为研究区段，建立三维地层-结构模型。为减小计算边界效应问题，横断面范围不小于5倍洞径，因此，模型水平方向取140 m(X=-70～70 m)、纵向取10 m(Y=0～10 m)、竖向取120 m(Z=0～120 m)。考虑隧道围岩为缓倾中厚层状岩体，为简化模型，将隧道底部岩体建立为水平层状岩体，岩层之间设置接触面以模拟岩层结构面；模型的底部边界及侧面均采用位移约束，模型顶部边界为自由边界。计算模型如图2所示。

图2 三维计算模型(单位：m)

2.2 模型参数选取

计算地应力条件采用现场地应力实测值，如表1所示。竖向应力场：在模型顶面施加均布荷载并计算自重，以实现隧道实际竖向地应力环境。水平应力场：在垂直和平行隧道方向赋予沿竖向梯度变化的初始应力值，以实现隧道实际水平地应力环境。

表1 现场地应力实测值 MPa

研究区围岩及支护结构物理力学参数如表2所示。

表2 围岩与支护结构物理力学参数

层状岩体层间接触面参数如表3所示。

表3 层间接触面参数

2.3 模型监测点布置

为消除边界效应的影响，选取模型中间断面纵向Y=5 m作为研究断面。并针对隧道仰拱结构最易破坏的位置，选取仰拱7个主要监测点。主要监测点布置如图3所示。

图3 监测点布置示意

3 水平层状岩体结构特征对隧道底鼓变形特征分析

本节采用单因素试验分析方法，分析隧底水平层状岩层分布深度、单层厚度、变形模量等岩层特性，以及地层竖向应力等因素对隧道仰拱变形特征的影响规律。

3.1 隧底层状岩体分布深度影响分析

层状岩体具有明显的各向异性，由于结构面的存在，在垂直结构面方向的变形和受力特征差异尤为明显，因此，层状岩体分布范围对隧道的底鼓有较大影响。故在中厚层状岩体条件下，改变仰拱底部层状岩体的分布深度来研究其对隧道底鼓变形特征的影响规律，共建立8组模型进行分析，具体方案如表4所示。

表4 不同层状岩体分布深度分析方案

根据数值计算结果提取出各组模型研究断面上仰拱各节点竖向位移，绘制出仰拱底鼓变形曲线，如图4所示。

图4 不同层状岩层分布深度下仰拱竖向位移

由图4可知，隧道仰拱的竖向变形以仰拱中线为基准呈左右对称，且仰拱中部的竖向位移最大，并由仰拱中部向两侧逐渐减小。隧底围岩由均质岩体(分布深度为0 m)变化为层状岩体(分布深度为5 m)时，仰拱中部竖向位移增幅较大，共增加12.41 mm，为均质岩体时的2.44倍。当水平层状岩层深度为35 m时，仰拱竖向位移是分布深度为5 m时的1.45倍，增加了18.44 mm。

隧道仰拱各关键位置底鼓规律如图5所示。

图5 各监测点竖向位移变化曲线

由图5可知，随着水平层状岩层分布深度的增大，仰拱的竖向位移也逐渐增大，监测点4(仰拱中心位置)竖向位移和位移增长速率均最大，监测点1(靠近墙角处)竖向位移和位移增长速率均最小。

根据水平层状岩层分布深度与仰拱最大竖向位移之间的规律，拟合出了仰拱最大位移与水平层状岩层分布深度的关系曲线，如图6所示，其关系式如下

图6 仰拱最大竖向位移与层状岩层分布深度拟合曲线

y=11.75h0.34

(1)

式中，y为仰拱最大位移，mm；h为水平层状岩层分布深度，m。

根据式(1)可知，随着水平层状岩层分布深度的增加，隧道底鼓量也不断增加，两者呈非线性关系。在高地应力条件下，隧道仰拱底部水平层状岩层受高水平应力挤压作用，产生了向上的弯曲折断变形，导致隧道底鼓，随着水平层状岩层分布深度的增加，底部围岩的破坏范围越大，仰拱结构所受压应力也越大，因此隧道仰拱底鼓量也越大。

3.2 隧底层状岩体单层厚度影响分析

层状岩体单层厚度越小，岩体承载和抵抗变形能力越差，单层厚度越大岩体性质越接近均质岩体，对隧道结构越有利。故在水平层状岩体分布深度为30 m条件下，改变仰拱下方层状岩体的单层厚度来研究其对隧道底鼓变形特征的影响规律，共建立5组模型进行分析，具体方案如表5所示。

表5 不同层状岩体单层岩层厚度分析方案

根据数值计算结果提取出各组模型研究断面上仰拱各节点竖向位移，绘制出仰拱底鼓变形曲线，如图7所示。

图7 不同层厚下仰拱竖向位移曲线

由图7可知，隧道仰拱的竖向变形以仰拱中线为基准呈左右对称，且仰拱中部的竖向位移最大，并由仰拱中部向两侧逐渐减小。层状岩层单层厚度由0.25 m增至0.5 m时，仰拱中部竖向位移降幅较小，共降低0.77 mm，仅降低了2%。当水平层状岩层单层厚度为1.5 m时，仰拱竖向位移相较于单层厚度0.5 m时降低了22.4%，共降低8.39 mm。

隧道仰拱各关键位置底鼓变形规律如图8所示。

图8 各监测点竖向位移变化曲线

由图8可知，随着水平层状岩层厚度的增大，靠近仰拱中点处，竖向位移减小速率越大，靠近墙角处，岩层由中厚层过渡到厚层时竖向位移出现少量增长趋势，而后趋于平稳。层状岩层由中厚层变为厚层时，其最大竖向位移减小了10.3%；层状岩层由厚层变为巨厚层时，其最大竖向位移减小了10.72%。

故在高地应力下，层状岩层单层厚度对隧道底鼓的影响大小为：薄层>中厚层>厚层>巨厚层，岩体单层厚度越厚，围岩的整体性越好，抵抗变形的能力越强，故隧道仰拱底鼓量越小。

3.3 隧底层状岩体弹性模量影响分析

由室内岩石试验可知，隧址区仰拱底部不同岩层受岩石类型和深度的影响，其弹性模量相差较大，故在水平中厚层状岩体分布深度为30 m条件下，分析Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩层状岩层弹性模量下仰拱结构的变形特征规律，共建立6组模型进行分析，具体方案如表6所示。

表6 不同岩体弹性模量分析方案

根据数值计算结果提取出各组模型研究断面仰拱上各节点竖向位移，绘制仰拱底鼓变形曲线，如图9所示。

图9 不同弹性模量下仰拱竖向位移曲线

由图9可知，隧道仰拱的竖向变形以仰拱中线为基准呈左右对称，且仰拱中部的竖向位移最大，并由仰拱中部向两侧逐渐减小。水平层状岩体弹性模量由2.4 GPa逐渐增加至8.4 GPa期间，仰拱中部竖向位移降幅较大，共降低了40.53 mm，降幅为49.7%。当水平层状岩体弹性模量为25.5 GPa时，仰拱竖向位移相较于弹性模量为8.4 GPa时降低了39.6%，共降低16.67 mm。

隧道仰拱各关键位置底鼓变形规律如图10所示。

图10 各监测点竖向位移变化曲线

由图10可知，随着水平层状岩层弹性模量逐渐增大，仰拱竖向位移逐渐减小，且在弹性模量0～8.4 GPa间降幅较大。在不同弹性模量情况下，监测点4(仰拱中心位置)竖向位移均最大，监测点1(仰拱端部)竖向位移均最小。

根据水平层状岩层弹性模量与仰拱最大竖向位移之间的规律，拟合出仰拱最大位移与水平层状岩层弹性模量的关系曲线，如图11所示，其关系式如下

图11 仰拱最大竖向位移与层状岩层弹性模量拟合曲线

y=130.19E-0.52

(2)

式中，y为仰拱最大位移，mm；E为水平层状岩层弹性模量，GPa。

根据式(2)可知，当隧道底部围岩弹性模量提高时，仰拱底鼓量不断减小，两者呈非线性关系。底部围岩弹性模量增强时，围岩自身承载力也增强，故隧道仰拱底鼓量降低。

3.4 竖向应力影响分析

根据现场对隧道多个测点地应力测试结果可知，该隧道在不同区段其水平构造应力相差不大，而受隧道埋深影响，其竖向应力相差较大。根据现有的实测资料表明，侧压力系数一般在0.5～5.0之间[18]。因此，在模型水平应力不变的条件下，侧压力系数在1.0～4.0之间，建立6组模型进行分析，具体方案如表7所示。

表7 不同竖向应力分析方案

根据数值计算结果提取出各组模型研究断面上仰拱各节点竖向位移，绘制出仰拱底鼓变形曲线，如图12所示。

图12 不同竖向应力下仰拱竖向位移

由图12可知，隧道仰拱的竖向变形以仰拱中线为基准呈左右对称，且仰拱中部的竖向位移最大，并由仰拱中部向两侧逐渐减小。随着地层竖向应力增加，仰拱中部竖向位移量逐渐增加，每增加一级竖向应力，竖向位移增加量基本一致，当地层竖向应力为13.54 MPa时，仰拱中部竖向位移是地层竖向应力为3.43 MPa的4.8倍，共增加35.47 mm。

隧道仰拱各关键位置底鼓变形曲线如图13所示。

图13 各监测点竖向位移变化曲线

由图13可知，在竖向应力在0～13.5 MPa，随着应力的增加，仰拱竖向位移基本呈线性增长，监测点4(仰拱中心位置)竖向位移的增长速率最大，其速率为3.51 mm/MPa，监测点1(仰拱端部)竖向位移的增长速率最小，其速率为0.66 mm/MPa。这也从地层竖向应力的角度，解释了在现场监测过程中不同埋深段隧道底鼓量不同的原因。

4 结论

以西南地区某铁路隧道仰拱底鼓病害为研究对象，依据底鼓最严重区段地质情况，建立了三维地层-结构模型，针对高地应力情况下隧底水平层状岩体分布深度、单层厚度、变形模量以及地层竖向应力对隧道仰拱底鼓变形特征及影响开展研究，得出以下结论。

(1)隧道仰拱底鼓呈仰拱中线位置底鼓量最大，越靠近墙脚底鼓量越小，墙脚处竖向位移几乎无变化，计算结果与隧道实际底鼓形态一致。

(2)在高地应力条件下，水平层状岩层受水平及垂直应力挤压下易发生破坏，随着水平层状岩层分布深度的增加，隧道底鼓量也不断增加，两者呈非线性关系。隧底围岩由均质岩体转变为层状岩体之后底鼓量增幅较大，层状岩体对隧道底鼓的影响较大。

(3)随着水平层状岩体单层厚度增加，围岩的整体性越好，抵抗变形的能力越强，隧道底鼓量逐渐降低。在高地应力情况下，水平层状岩体单层厚度对隧道底鼓量影响为：薄层>中厚层>厚层>巨厚层。

(4)隧道底部围岩弹性模量提高时，隧道仰拱底鼓量不断减小，两者呈非线性关系。围岩弹性模量增强时，围岩自身承载力也增强，可通过控制隧道底部围岩强度来控制隧道底鼓量。

(5)竖向应力对隧道底鼓影响较显著，随着竖向应力的增大底鼓量也随之增大，两者基本呈线性关系。