隧道含软弱夹层围岩分级及稳定性影响研究

何知思

(重庆建设工程质量监督检测中心有限公司， 重庆 401336)

0 引言

软弱夹层是隧道岩体中的软弱结构面，与周围岩体相比，软弱夹层具有高压缩性和低强度的特性，其分布特征及夹层填充物种类的变化对围岩稳定性的影响各异[1]。杨海锋[2]利用数值分析着重研究了软弱夹层的厚度、倾角、与开挖轮廓线之间的距离、分布位置对围岩稳定性的影响。龙帅[3]通过数值模拟分析陡倾岩层中软弱夹层的分布对车站围岩稳定性的影响。张志强等[4]利用有限元分析系统研究了软弱夹层分布部位对地下洞室围岩稳定性以及喷锚支护结构受力性状的影响。王勇[5]运用有限元方法对软弱夹层在角度、长度和宽度特定，而相对于隧道的位置不同时的几种情况进行了数值模拟，具体分析了围岩的位移、主应力以及支护结构受力等的变化规律。可见，关于含软弱夹层围岩的研究很多，但对软弱夹层进行详细分类的研究较少。

本文通过分析某高铁隧道揭示的掌子面软弱夹层，结合已有针对隧道软弱夹层的研究成果，对软弱夹层按填充物种类、厚度、含水量、分布部位及倾角进行详细分类。本文在考虑岩体软弱夹层的分布特征及夹层介质的前提下，提出了隧道含软弱夹层围岩的分级方法，通过该分级方法在某高铁隧道施工过程中的应用，验证了该方法在施工时支护结构变更设计中的准确性。

1 软弱夹层分类指标

根据对已有研究成果的分析可知，影响软弱夹层性质的主要因素有：夹层填充物、夹层厚度、夹层倾角、夹层部位及夹层含水情况。因此，可根据隧道实际揭示的掌子面软弱夹层进行以下分类。

1.1 按软弱夹层成分分类

软弱夹层填充物的种类对夹层的工程性质有较大的影响，按软弱夹层填充物的种类可分为软岩夹层、破碎夹层以及泥化夹层，现场揭示相应的夹层如图1所示。

(a) 软岩夹层

1.2 按软弱夹层厚度分类

通过某高铁隧道揭示的软弱夹层可知，软弱夹层厚度为10 cm～5 m，体现了较大的离散性。对于薄层夹层，夹层的存在导致岩体的抗剪强度降低，岩体破坏的主要方式是沿着软弱夹层发生滑动。对于中厚层夹层，其破坏方式除了沿夹层面发生滑动外，软弱夹层富水时，夹层岩体常以塑流状态被挤出，易发生掌子面溜塌事故。为分析夹层厚度对围岩稳定性影响，将软弱夹层按厚度分为厚层夹层、中厚层夹层及薄层夹层。

1.3 按软弱夹层倾角分类

倾角是软弱夹层的产状之一，倾角变化对开挖洞室的稳定性有着重要影响，随着夹层倾角的改变，开挖后隧道相应部位的位移会因夹软弱层倾角而改变，从而影响掌子面岩体的自稳性。直观地来说，软弱夹层倾角越大，夹层越靠近拱顶部位，开挖后越容易发生掉块，甚至在夹层厚度较大时会发生坍塌。通过对文献进行总结，并结合某高铁隧道开挖后的掌子面典型断面，将软弱夹层按与水平面的夹角分为水平夹层、缓倾角夹层和陡倾角夹层。

1.4 按软弱夹层分布位置分类

软弱夹层相对于隧道断面的分布部位对围岩稳定性也有一定影响。由于地下岩层结构的复杂性，开挖后软弱夹层可能分布于隧道的各个位置，根据现有研究成果和某高铁隧道揭示的掌子面软弱夹层分布位置，可将软弱夹层分为拱部夹层、中部夹层及底部夹层。

1.5 按软弱夹层含水情况分类

岩体中软弱夹层随着含水量的增加，内摩擦角和黏聚力会随之减小。当含水量增加到一定值时，抗剪强度达到最小值，软弱夹层会以塑性状态被挤出。可根据软弱夹层的状态(硬塑、软塑和流塑状态)，将其分为弱富水夹层、中富水夹层及富水夹层。

2 含软弱夹层围岩分级及应用

2.1 分级指标体系建立

含软弱夹层围岩分级采用的基本指标为夹层厚度、倾角、填充物种类、分布位置以及含水量，其定性值和定量值获取方法见表1。

表1 含软弱夹层围岩分级指标

2.2 软弱夹层对围岩稳定性的影响

本文采用大型有限元软件Midas-GTS对已有工况进行数值模拟，通过分析数值计算结果来研究各因素对隧道围岩稳定性的影响程度。

计算时，岩土材料按各项同性平面材料处理，围岩材料采用Drucker-Prager屈服准则。

2.2.1 软弱夹层厚度对围岩稳定性的影响

选择水平且分布在隧道边墙部位的软弱夹层进行分析。夹层厚度分别选取0、0.2、0.6、1.0、1.6和2 m。

计算时选取的参数如表2所示。

表2 围岩和支护材料力学参数选取

计算结果如表3所示。

表3 不同厚度工况计算结果

分析表3可知，随着软弱夹层厚度的增加，隧道拱顶沉降值和边墙收敛值呈正比变化，底部隆起的值变化不大。软弱夹层厚度为2 m时，隧道拱顶沉降值约为不含夹层工况时的1.5倍，隧道边墙收敛值约为不含夹层工况时的8.5倍，说明软弱夹层分布部位的变形值相对于不含夹层时变化较大，在实际工程中，应加强洞壁软弱夹层分布部位的支护。

2.2.2 软弱夹层倾角对围岩稳定性的影响

选取无夹层及与水平方向夹角为0°、15°、30°、45°和60°的软弱夹层，计算结果如表4所示。

表4 不同倾角工况计算结果

分析表4可知，当夹层倾角为0°～60°时，随着倾角的增加，隧道开挖后拱顶沉降值逐渐增大，隧道底部隆起和周边收敛值的变化不明显。

2.2.3 软弱夹层位置对围岩稳定性的影响

设H为隧道开挖高度,选取水平且与底部距离0.2H、0.4H、0.6H、0.8H及H的软弱夹层和无夹层6种情况进行分析，结果如表5所示。

表5 不同位置工况计算结果

分析表5可知，随着软弱夹层出现位置高度的增加，隧道拱顶沉降值逐渐减小，但是减小的幅度较小，隧道底部隆起和周边收敛值的变化不明显。

2.2.4 软弱夹层填充物对围岩稳定性的影响

选取3种软弱夹层工况以及硬质夹层进行对比分析，不同夹层填充物及围岩计算参数如表6所示。

表6 不同夹层填充物参数[6]

计算结果如表7所示。

表7 不同夹层填充物工况计算结果

分析表7可知，当软弱夹层为泥化夹层时，隧道拱顶沉降值约为不含夹层时工况的2.5倍，说明泥化夹层对于隧道掌子面的稳定极为不利；软岩夹层工况和破碎夹层工况相对于无夹层工况关键点的位移值均有一定程度的增加，在施工过程中对软弱夹层分布的区域应加强支护。

2.3 含软弱夹层围岩分级

通过前文的计算，将夹层厚度、倾角、位置、填充物及含水量对围岩影响相同的划分为一段，得到表8。

表8 分级指标分段情况

本文提出的含软弱夹层围岩的分级方法由掌子面开挖后和初期支护完成的施工灾害共同决定，按可能发生的风险分为A～D(A为高施工风险；B为中等施工风险；C为一般施工风险；D为低施工风险)4个等级，如表9所示。

表9 分级等级与破坏关系对应表

指标组合后的围岩分类方法如表10所示。

表10 含软弱夹层围岩分级表

2.4 含软弱夹层围岩分级方法的应用实例

以某高铁隧道为例，对含软弱夹层的围岩进行分级，以说明该分级方法的实用性和准确性，如表11所示。

表11 含软弱夹层围岩分级应用实例

表11(续)

由表11可知，针对含软弱夹层围岩的分级可基本确定软弱夹层对隧道开挖后掌子面及支护结构稳定性的影响，便于在掌子面揭示相关夹层后，提前预判后续开挖及支护过程中可能出现的施工风险。

3 结论

本文对软弱夹层对隧道围岩稳定性的影响及软弱夹层围岩分级进行研究，结合数值模拟及已有成果分析，通过工程类比提出含软弱夹层围岩的分级方法，主要结论如下：

1)含软弱夹层围岩稳定性的基本影响因素为夹层分布位置、厚度、倾角、填充物种类和含水情况。

2)数值模拟及国内已有研究成果表明，软弱夹层的厚度和填充物的种类是影响隧道围岩稳定性的主要因素，软弱夹层倾角和分布位置对围岩稳定性的影响相对较小，软弱夹层含水时，若夹层填充物为遇水软化膨胀岩体，对围岩稳定性的影响较大。

3)基于围岩分级的思路，按照软弱夹层施工风险，按掌子面可能发生的施工风险，将含软弱夹层围岩分为A、B、C和D 4个等级，并给出不同指标组合。根据某高铁隧道多个实际施工断面的地质条件对软弱夹层按以上方法进行分级，通过分析开挖后掌子面灾害及初期支护的破坏情况验证了该分级方法的可行性。