软弱夹层粘聚力对浅埋、顺层软弱围岩隧道群施工围岩及初支受力、变形规律研究

杨琨 张蕉 刘方超 高筠涵 黄翼

【摘 要】 与顺层地质伴生的软弱夹层参数往往缺乏相应实测值，当隧道群洞迎面下穿低缓软弱顺层仰坡进洞时，通常会开挖坡脚和大量挖方，若软弱夹层由于施工扰动、降雨等作用发生参数劣化，易造成施工风险。对此，文章以龙泉山2号隧道为依托，采用数值模拟方法不断劣化软弱夹层粘聚力，研究其对隧道施工产生的具体影响。通过分析得出以下结论，（1）只要软弱夹层存在，不良影响均会出现在软弱夹层所在区域，粘聚力降低会增大不良影响;（2）不良影响虽然随粘聚力减小而增大，但表现出非线性特征，即粘聚力降低越多，速度越快;（3）K线隧道劣化最为严重，大小顺序均为K>D2>D1≈D3，在施工过程中应重点监控K线隧道情况。

【关键词】低缓软弱顺层仰坡; 多洞隧道; 进洞; 数值模拟; 参数劣化

目前国内学者在山岭隧道进洞施工方面进行的研究，主要集中在围岩整体参数较低和各种不利地形地貌环境下的单洞进洞施工技术和变形失稳特征研究[1-5]，而顺层坡与隧道进洞的组合形式研究还相对较少，且大都集中于隧道平行于岩层层面进洞的工况，且还是以研究单洞隧道偏压效应为主[6-8]。

缓倾顺层边坡由于本身坡度低缓（10～20°），在道路设计、施工阶段往往不被重视，然而在隧道垂直下穿缓倾顺层岩质边仰坡时，与互层伴生的软弱夹层的物理力学参数却往往是控制进洞施工的重要因素之一。大量的坡脚和洞内爆破挖方极可能扰动本就因长期地质演化而物理力学性质极差的软弱夹层带，带来边坡失稳滑塌，洞内位移变形过大、塌方“关门”等灾害风险。特别是在雨季施工期间，地表水通过贯穿裂隙渗入夹层劣化参数，使施工风险大大增加。

龙泉山1号、2号隧道群洞作为成都机场高速的控制性工程，具有多洞和大断面两大特点，由此带来了坡脚、洞内开挖面积量大、扰动大两个施工风险因素，而隧道出口段穿越泥岩砂岩互层区，层间结合性差且夹层参数缺乏实测值，但当地层走向本身具有一定倾角且薄弱层参数过低时，下方隧道沿顺层开挖时带来的扰动可能会导致夹层和上层岩层产生沿薄弱层方向发生走滑的趋势，严重威胁到施工人员的生命安全。故此，本文以龙泉山2号四线并行隧道资阳出口段进洞施工为依托，采用数值模拟方法，研究不同软弱夹层粘聚力对浅埋、顺层软弱围岩隧道群施工围岩及初支受力、变形规律的影响，以期为今后类似工程提供参考依据。

1 工程概况

龙泉山2号隧道为双向四洞并行隧道，其中左右两洞为货运两车道隧道，中间两洞为客运三车道隧道，资阳端出口段穿越缓倾顺层坡，斜坡坡角15°，围岩主要以强、中风化Ⅴ级泥岩为主，节理、风化裂隙发育，岩石呈碎裂结构，岩质极软，围岩自稳性差，局部夹细砂岩构成互层地质，岩层产状为135°∠14°（2号隧道），与出口段仰坡坡度基本保持平行，层间含薄层石膏等物质，性状软弱，结合差。坡面基岩大面积裸露，为粉砂质泥岩间夹薄层砂岩，在K22+400以上的坡体上地表出露厚层砂岩岩板，砂岩临沟有顺层拉裂现象。夹层为泥质、薄层石膏填充，性状软弱，层间结合差，四线隧道进洞施工过程类似于开挖顺层边坡坡脚，破坏原有平衡状态，开挖扰动极可能诱发上方坡体局部失稳甚至整体滑移（图1）。

2 施工方案

为防止仰坡顺层滑动和洞内失稳，结合以往经验和相关规范，龙泉山2号隧道设计方案分别对顺层边仰坡和进洞浅埋段采取了相应加固措施，包括在暗洞段设抗滑桩，钢管灌注桩，临时开挖边仰坡的锚喷防护等。

各线隧道开挖前均设置30 m127 mm热轧钢管管棚，设置范围为拱部120°，所有隧道均采用三台阶法开挖，工序上为避免同时施工，相互扰动采取D1、D3线隧道先行动工，开挖至30 m后K线隧道开始施工，K线隧道开挖至30 m后D2线开始施工的施工策略。每次施工进尺与钢拱架间距均控制为0.8 m，各台阶相隔5 m，仰拱滞后下台阶10 m，二衬滞后下台阶20 m，初支、锚杆布设滞后掌子面1 m，随开挖进行超前双层小导管注浆加固，搭接长度1 m，洞内支护结构示意如图2所示。

工程结构杨琨， 张蕉， 刘方超， 等： 软弱夹层粘聚力对浅埋、顺层软弱围岩隧道群施工围岩及初支受力、变形规律研究

3 数值模型与计算参数

3.1 数值模型

模型采用FLAC3D有限差分软件进行计算分析，模型长150 m，宽100 m，群洞由左到右四个隧道组成，分别为D1线、K线、D2线、D3线，其中D1线，D3线为两车道隧道，K线、D2线为三车道隧道，隧道间隔均为16 m。群洞两侧距离边界43.4 m，约为两车道隧道洞径的3倍。D2线、K线洞口断面距离地表2 m，D1线、D3线洞口断面距离地表3.5 m。围岩由上至下分为3层，分别为上层泥岩、中层砂岩和下层泥岩。泥、砂岩层间分别设置一道软弱夹层，共两道，坡面与夹层倾斜角度均为15°。

计算分析时，四周边界施加相应方向的水平约束，下边界施加竖向约束，上边界自由。地层，支护结构均采用三维实体单元模拟，地层采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，支护结构采用线弹性模型。管棚、超前小导管对土体的加固作用采用提高隧道上方相应范围内围岩参数的方式来实现，而软弱夹层采用接触面单元模拟。模型示意和洞外及洞内支护结构示意如图3、图4所示。

3.2 计算参数

表1为围岩及支护结构力学参数，表2为软弱夹层调整方案参数，为保证隧道安全通过互层区域，对设计建议的软弱夹层参数在内的5种粘聚力参数情况下隧道进洞施工的稳定性进行对比分析，粘聚力参数以设计建议参数0.025为基础，按每次0.005 MPa的数值减小，最后减小0.005。

4 計算结果分析

4.1 初支应力分析

由于5种方案下初支位移云图具有相似性，差别主要体现在数值上，为节省篇幅，仅给出开挖完成后c=0.005时下上台阶初支最小主应力云图作为参考，如图5所示。

图中由下到上为隧道前进方向，从图中可以看出，隧道大部分区域应力值均不大，拱顶基本以受拉为主，拱肩基本以受压为主。前大部分区域为应力量值不高的长方形区域且至30 m里程为止，与管棚长度一致，表明管棚起到了很好的支撑作用。而与软弱夹层和初支切割线相对应的各线隧道中部均出现两条“月牙状”应力带，可以确定为软弱夹层穿越隧道拱顶导致，且各线隧道应力带拱顶位置均出现压应力集中现象，大小顺序为K>D2>D1≈D3。当进入隧道后半段无软弱夹层时，上述现象消失，初支压应力值骤减，拱顶轻微受拉，拱肩受压。

可以看到软弱夹层处的应力状况与其他区域截然不同，重点表现为拱顶出现压应力且数值较大，其余区域无论是拱顶还是拱肩，其应力情况均贴合软弱夹层与拱顶切割线且呈轻微受拉状。

图6给出了各方案下压应力最大值随粘聚力c的变化曲线（即K线拱顶）。由图6可知，最大压应力数值随粘聚力减小逐渐升高，从0.025 kPa时的6.19 MPa逐渐升高到0.005 kPa时的9.93 MPa，且升高过程非线性，即粘聚力越小，应力增长越明显。

4.2 拱顶与地表沉降分析

原因与前一致，为节省篇幅仅给出c=0.005开挖完成后各线隧道初期支护和地表的竖向位移云图如图7、图8所示。从图7中可以看出，各线隧道最大竖向位移值均出现在拱顶处，由于管棚的存在，初始进洞段（图中下侧）的竖向沉降不明显，并且在各线隧道中部均出现明显沉降。各方案拱顶位移规律存在共同点，即：拱顶沉降的最大值都出现在K线，且为隧道拱顶与软弱夹层的相交点上，不同方案下各线隧道拱顶最大竖向位移值排序为K>2D>1D≈3D。

而随夹层粘聚力的减小，拱顶沉降表现出增大趋势，数值以c=0.005kPa时最大，为6.41 mm，以c=0.025kPa时最小，为5.74 mm。各条隧道的拱顶沉降数值都在互层处出现了间断，即在管棚支护段与互层薄弱面之间的区段，越靠近薄弱面拱顶沉降值越大，而通过薄弱面后，拱顶沉降数值又急剧减小。

而根据图9也可以看出，不同方案下的相同里程中间3车道隧道正上方地表沉降也均大于两侧2车道隧道，各隧道轴线上方地表沉降的最大值均出现在隧道轮廓与互层相交面拱顶交点正上方附近位置，地表沉降最大值同样皆出现在K线隧道正上方，而随夹层粘聚力的减小，地表沉降同样表现出增大趋势，数值以c=0.005 kPa时最大，为5.09 mm，以c=0.025 kPa时最小，为4.49 mm。各方案下地表最大竖向位移值排序同样为K>D2>D1≈D3。

图9、图10分别为最大拱顶沉降值和地表沉降值随粘聚力c的变化曲线，可以看到，两曲线线性几乎一致，仅在数值上有差别，随粘聚力减小，拱顶和地表依然表现出非线性增大趋势。

5 结论

通过上述数值模拟，对不同薄弱层粘聚力参数下的地表沉降以及初期支护结构受力、变形情况等指标进行了综合分析，得到了以下结论：

（1）存在軟弱夹层的区域，无论粘聚力大小如何变化，均会存在一定不利影响，且影响情况相似，均表现为拱顶、地表位移明显偏大，软弱夹层区域拱顶应力由拉变压，并且明显大于其他各点压力，表现出应力集中现象。

（2）随着薄弱层粘聚力的减小，互层段以外的隧道各项指标均正常，但互层段各线隧道的各种评价指标都有向不利方向发展的趋势，具体表现为互层段的地表沉降、拱顶沉降以及初期支护受力量值均有显著增加。

（3）软弱夹层段劣化程度随粘聚力降低非线性增加，即随参数越发降低，互层段各项指标劣化越明显。

（4）在各参数方案下，对比分析各项指标，危险顺序均为K>D2>D1≈D3，可以看出K线隧道的各项评价指标均劣于其他隧道，故在施工时应重点监控K线隧道上方地表沉降与拱顶位移值，以免在隧道通过互层段时发生安全事故。

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