层理面倾角对隧道穿越层状地层区域围岩稳定性的影响分析

摘要：文章开展室内试验并建立层状岩体ABAQUS数值模拟模型，分析了层理面的倾角对围岩稳定性的影响。结果表明：不同层理面倾角导致不同岩体破坏模式，分别是张拉劈裂破坏、剪切滑移破坏、穿过层理面的剪切破坏、沿层理面劈裂破坏；岩体的力学性质因层理面的存在而受到弱化，导致围岩的稳定性降低，除0°和90°以外的其他倾角使得围岩的变形呈现出不均匀、非对称分布特征；围岩拱顶和拱底位移大于拱脚，拱脚和拱腰更易产生应力集中。研究成果对今后设计和建造类似层状岩层隧道具有一定的参考借鉴价值。

关键词：隧道；围岩；数值模拟；稳定性；层理面倾角

中图分类号：U452.2+7" " " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.040

文章编号：1673-4874（2024）11-0133-03

0引言

随着“十四五”规划及“一带一路”倡议等国家战略的实施，我国基础设施建设突飞猛进。隧道修建过程中常需要穿越更为复杂的地质环境，而层状岩体分布广泛，许多地下工程都建造在这种类型的岩体中，因层状软弱岩体流变参数的各向异性特征，产生非对称型形变，会严重影响围岩的稳定性，对隧道的施工安全、长期稳定性以及维护成本产生重要影响。因此亟须对隧道穿越层状地层区域围岩稳定性影响因素进行分析。

近年来，各研究学者对隧道围岩稳定性进行了大量的研究，有对隧道埋藏深度、侧压系数和层理面倾角等物理力学参数及隧道直径、衬砌形式、衬砌结构等工程参数的研究［1］。有学者使用节理组数、剪切及体积模量等参数确定围岩的亚级和稳定跨度，用自稳跨度相对比例曲线确定BQ值亚级数值的范围［2-3］。有学者从围岩分级、应力应变分析、监控量测结合力学反演分析隧道围岩特性及失稳敏感因子，预测评估围岩变形及受力情况，综合评价围岩稳定性［4-5］。此外，有学者利用实际工程项目中的断裂带山体围岩，构建了一个双连拱隧道穿越断裂带的三维模型，通过对隧道施工过程中破碎带围岩的变形和应力进行三维非线性计算分析，评估围岩的稳定性并据此采取相应的支护措施［6］。Gatelier等［7］通过试验研究试样的力学性质与倾角的影响关系，试验结果也得出围压对试样各向异性特征存在明显影响。

本文通过文献调研、室内试验、ABAQUS数值模拟分析，对层状地层区域页岩各向异性力学特性进行研究，分析不同层理面倾角对层状岩体围岩稳定性的影响。

1工程背景

本文以某市机场线南延伸线盾构隧道施工为研究对象，该隧道里程桩号为K347+190～K349+245，长度为2 055 m。隧道开挖断面最大宽度为14.5 m，净高H=10.6 m。该隧道所穿越地层主要以页岩为主，地质剖面图见图1。

2层状岩层围岩隧道失稳机制

当隧道穿越层状岩层时，隧道周围的围岩失去了原有的支撑条件，导致临空面的岩体开始发生位移。由于层状岩层中的层间节理粘结力较弱，这些节理在受到外部应力时容易张开并破裂。随着节理的破裂，各层层状岩层之间的连接变得薄弱，开始分离并各自成为独立的受力单元。这些独立的岩层在受到弯剪作用时，由于抗弯和抗剪强度较低，容易发生剪切断裂。岩层的断面沿着新旧破裂面发生侧向滑移和变形，进一步导致岩体向隧道开挖空间挤压，这种挤压作用使得岩体失去稳定性，最终可能导致隧道的失稳［8］。层状岩层围岩隧道失稳的原因在于岩层在失去有效约束力的条件下，其层理节理遭受破坏，并且岩层的变形不断增大，一旦达到临界状态，就会导致岩体的整体失稳。

3室内试验

本文通过单轴压缩试验对不同层理倾角的岩体的力学特征及破坏形态进行了分析探讨。

3.1制作试样

从隧道现场选取层状岩体试样，所选试样需质地均匀、层理面清晰可见、倾角均匀、表面无裂缝缺口。钻孔取芯了5种不同层理倾角（0°、30°、45°、60°、90°）的试件。按照要求，试样高度与直径之比宜为2.0～2.5，故采用高度为10 cm、直径为5 cm的圆柱形试件。

3.2试验设备及试验方法

压缩试验采用传感器及TAW-2000KN型岩石多功能试验机。试验以0.3 mm/min的速度对试件施加轴向压力，直到试件破坏。在试验过程中，记录试件所受的压力、应变及破坏形态等。

3.3抗压强度试验结果分析

岩石的层理面角度是破坏模式表现出各向异性的重要因素。通过整理试验数据可得不同层理面倾角时的抗压强度变化，见图2。

由图2可知，随层理面倾角的增加，试件抗压强度呈现先减小再增大的趋势，说明层理面的存在降低了岩体的强度。

将单轴压缩试验后试件的破坏形态描绘成图3进行分析。

由图3可知，当层理面倾角为0°时，试件裂缝平行于加载方向，裂纹贯穿试件两端，沿层理面未出现裂纹；当层理面倾角为30°和45°时，试件沿层理面方向产生剪切滑移破坏，部分裂缝贯穿层理且连通；当倾角为60°时，试件裂缝平行于层理面，产生剪切破坏；当倾角为90°时，试件平行于层理面劈裂破坏，且破坏较为严重，岩体表现出脆性特征。由此可得，不同层理面倾角下岩体破坏模式存在差异。当倾角为0°时，岩体产生张拉破坏，随着角度的增加岩体产生沿层理面的剪切滑移破坏，当倾角增大为90°时，岩体产生劈裂张拉破坏。综合前述理论分析与试验结果可得，页岩的层理面是薄弱面［9］，这种特定的层状构造及层理面之间的弱胶结作用是造成其变形特性、破坏模式等各向异性的关键因素。

4有限元计算模型

隧道的开挖改变了原有的围岩应力状态，进而影响到围岩的稳定性。针对层状地层的结构及其基本力学特性，利用ABAQUS软件对隧道穿越层状地层过程中的围岩稳定性进行模拟分析。通过调整不同参数，分析不同工况下隧道开挖、支护后围岩的位移、应力及应变，可反映不同因素对围岩稳定性的影响。

4.1模型建立

本研究采用三维实体模型模拟隧道开挖过程中的应力场和位移场变化，基于弹性力学的圣维南原理，隧道开挖导致的应力重分布主要局限于一定范围内，而在远离隧道开挖的区域，位移和应力的变化相对微弱。因此，在构建有限元模型时，本文将模型尺寸设定为洞径的3倍，以确保模拟区域能够充分涵盖应力重分布的主要影响区，这种设定可有效地预测分析隧道开挖对周围环境的影响。[JP3]模型根据常见的层状岩体力学参数经验值来确定隧道围岩的等效参数，围岩考虑为弹塑性材料，模型施加主动支撑力于开挖后的围岩以提供围岩承载力，利用Drucker-Prager准则模拟围岩的破坏。此外，该模型不考虑地下水和地震作用的影响。数值模拟参数如表1所示。

计算模型在初始平衡阶段，设定位移边界条件，模型前后左右边界受到水平方向的位移约束，底部受到竖直方向的位移约束，顶部为垂直地应力加载面。然后再进行开挖模拟。本次模拟采用台阶法的开挖方式，见图4。采用应力释放来模拟开挖面，每次完成开挖后，均及时进行初期支护，根据开挖工序监测数值模拟中各监测点位移、应力及应变特征，进而对隧道稳定性进行分析，计算模型见图5。

在模拟初期支护时，简化计算模型，采用梁单元并且只考虑受轴力和弯矩的作用。围岩初期支护采用混凝土加钢筋网和型钢支护。采用等效折算的方法将钢筋网及型钢的弹性模量折算到混凝土中，折算后的力学参数表见表2。

4.2不同倾角岩层计算模型

本文分别建立无层理面及不同层理面倾角的模型，研究对隧道开挖稳定性的影响。模型X轴为水平方向，Y轴为隧道轴向，按层倾角分为无层理面、0°、30°、45°、60°和90°六种情况进行计算（图6）。

5数值模拟结果与分析

5.1不同工况下洞周围岩位移变化情况

总位移是各方向位移的矢量和的绝对值，能全面反映围岩的变形情况。不同层理面倾角下围岩的位移值见表3。

由表3可知，无层理面时围岩的位移小于有层理面倾角时的位移，这说明了层理面的存在使围岩的稳定性降低。无层理面及层理面为0°时，围岩的总位移左右对称。而当层理面倾角为30°、45°、60°时，围岩总位移左右非对称。当层理面倾角增大为90°时，围岩的总位移又变为左右对称，说明隧道左右两侧的偏压效应从弱变强再变弱。此外，洞周围岩位移随倾角变化而变化，总位移最大值均出现在拱顶处，拱底的位移较大，部分角度拱腰位移较大，而拱脚位移均较小。因此，在实际隧道工程施工中为确保围岩的稳定，应重点关注对拱顶和拱底处的变形。

5.2不同工况下围岩塑性区变化情况

通过对比分析不同层理面倾角下隧道开挖后的围岩塑性变形情况，可以直观地揭示层理面倾角对围岩应力分布的影响、围岩稳定性的变化。不同工况下塑性区的隧道围岩轮廓线绘制见图7。

结合数值模拟结果和图7可知，当隧道穿越无层理面的岩体时，未出现塑性破坏区，表明其具有较高的稳定性。不同倾角的层状围岩均出现塑性区，说明层理面的存在使围岩的稳定性降低。此外，层理面倾角为0°和90°时塑性区表现出明显的对称性，此时隧道开挖对围岩的影响较为均匀。随着倾角从0°逐渐增大至90°，围岩塑性区的分布面积呈现出先增大后减小的趋势，表明层理面倾角的变化不仅影响塑性区面积还导致塑性区的分布形态变化。分析可得，随着层理面倾角的变化，围岩的塑性区也会相应地偏转一定的角度。在工程实际应用中，可根据层理面倾角预测可能的破坏位置，并据此采取加固措施，可有效地防止围岩失稳和开裂，确保隧道的安全稳定。

5.3初期支护受力分析

上述模型在每次开挖后均进行了支护，将不同位置受到的最大压应力记录整理，得出不同工况下初期支护应力值见表4。

由表4可知，无层理面时支护结构受到的压力小于有层理面倾角时。无层理面及层理面为0°时，支护结构的受力左右对称。而当层理面倾角为30°、45°、60°时，支护结构的受力左右非对称。当层理面倾角增大为90°时，受力又变为左右对称，这种变化趋势与前文的围岩位移变化趋势类似。此外，支护结构受力随倾角变化而变化，受力最大值均出现在拱脚处，实际工程应重点注意拱脚的支护，避免出现应力集中。

6结语

本文针对隧道穿越层状地层时造成的围岩变形失稳问题，研究了不同层理面倾角对围岩变形与破坏特征的影响，得出以下结论：

（1）当层理面倾角在0°时易产生张拉劈裂破坏；当倾角在30°～60°时常产生剪切滑移破坏或穿过层理面的剪切破坏；当层理面倾角逐步增大至90°时，剪切滑移破坏逐渐减小，易产生劈裂破坏。

（2）在层理面倾角从0°增大到90°的过程中，围岩的位移及塑性区均发生变化，且都比无层理面时更大更不利，说明层理面的存在降低了隧道的稳定性。

（3）在各种层理面倾角条件下，围岩的拱顶位移始终最大，这一现象表明隧道开挖过程中塌方和大变形的高风险性。此外，拱脚和拱腰部位所受的巨大压应力导致了明显的应力集中，这进一步增加了施工难度和复杂性。因此，对于这些关键部位，施工团队在施工过程中需特别关注并采取有效的支护和加固措施，为隧道的安全施工和长期运营提供坚实保障。

参考文献：

［1］徐则民，黄润秋，王士天.隧道的埋深划分［J］.中国地质灾害与防治学报，2000，11（4）：5-10.

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［8］周应麟，邱喜华.层状岩层围岩隧道稳定性的探讨［J］.地下空间与工程学报，2006（2）：345-348.

［9］周星.层状软岩隧道稳定性及受力变形特性研究［D］.成都：西南交通大学，2019.

作者简介：甘沛玉（1986—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18