泥巖夾砂巖順層大跨度隧道力學特征研究

趙東平，季啟航，王國軍

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；3.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023)

0 引言

在山嶺隧道建設過程中常會遇到偏壓的地質情況，在現行TB 1003—2016《鐵路隧道設計規范》[1]中，對于地表傾斜的淺埋地形偏壓隧道已經有較為明確的設計規定。但是，對于穿越軟硬巖層或傾斜順層地質的偏壓隧道，在偏壓判定標準及荷載計算方法等方面均無具體的規定可供參考。近年來，隨著西部鐵路網的大規模建設，鐵路沿線上的大跨度順層隧道逐漸增多，個別線路上的大跨度順層隧道占比幾乎達到100%，順層隧道在施工期間暴露出的問題逐漸引起工程界的關注。

目前，針對地質順層隧道的研究主要集中在隧道力學機制及支護方法2方面。Do等[2]依托煤礦區非圓形巷道，探討了層狀巖層條件下隧道非對稱破壞區域形成的原因，并對巖層傾角、側壓力系數和巖體質量對圍巖位移的影響進行了研究。陳洋宏等[3]采用數值方法對軟硬互層隧道位移影響因素進行分析，得出側壓力系數、巖層傾角、圍巖厚度、圍巖彈性模量、隧道埋深5個因素對隧道各部位位移影響的顯著性排序。韓昌瑞等[4]、李曉紅等[5]依托渝湘高速公路共和隧道，針對砂質頁巖順層隧道偏壓破壞特征進行研究，提出適用于該地質條件的各向異性彈塑性本構關系，并采用現場實測的方法得出圍巖松動圈范圍，印證了地質構造是隧道結構破壞的主要原因。周曉軍等[6]針對頁巖夾灰巖順層單線隧道開展了模型試驗研究，結果表明順層隧道荷載的非對稱性與順層傾角密切相關。鄧祥輝等[7]采用數值方法針對砂巖順層隧道的層厚及傾角對隧道穩定性的影響進行了研究，結果表明順層隧道的偏壓特征隨著巖層厚度的增大而逐漸減小。周應麟等[8]提出了層狀巖層下洞室失穩的4種力學模型，并采用Ⅴ級圍巖參數針對順層隧道巖層傾角對隧道穩定性的影響進行了研究。徐國文等[9]利用離散元有限差分耦合算法，得出層狀巖層下圍巖破壞為層理面先行破壞導致巖體拉裂破壞的相互耦合作用，以及側壓力系數減小導致巖體微裂縫增多，圍巖破壞形態隨著層理間距的增大而逐漸趨近均質地層的結論。吳迪等[10]采用現場量測與數值模擬相結合的方法，得出層狀圍巖隧道中襯砌結構的最不利位置常出現在層理面法線方向。胡煒等[11-12]針對頁巖夾砂巖深埋順層隧道，通過理論分析與數值模擬的方法驗證了順層隧道呈現明顯的偏壓特征，并分析了結構面傾角與摩擦角對隧道偏壓特征的影響，結果表明，結構面摩擦角超過巖層摩擦角后，摩擦角對圍巖穩定性影響較小，隧道拱腰與仰拱的最不利傾角分別為40°與0°。曹興松等[13]、鄧彬[14]提出在順層隧道中可采用非對稱長錨桿、非對稱截面與非對稱配筋襯砌的設計，降低偏壓產生的不利影響。

分析以上有關順層隧道的研究成果可知，既有研究主要針對小跨度隧道開展，部分研究成果針對頁巖夾砂巖地層大跨度順層隧道偏壓特征開展了研究，但是，未見針對泥巖夾砂巖地層大跨度隧道力學特征的報道，此外，既有研究中沒有考慮地下水對順層圍巖的弱化作用?；谏鲜銮闆r，本文依托在建鄭萬高鐵隧道工程，針對泥巖夾砂巖地層大跨度順層隧道，研究順層傾角、順層間距及地下水等主要影響因素對隧道力學特征的影響，以期為類似地質條件下的大跨度隧道設計與施工提供參考。

1 工程概況

鄭萬高鐵重慶段隧道累計長度約174 km，采用單洞雙線設計方案，最大開挖跨度達15 m。根據地質勘察資料可知，鄭萬高鐵重慶段穿越順層段落的隧道累計長度約135 km，順層隧道占隧道線路的比例達77.6%。其中：順層段落巖性以泥巖夾砂巖為主，占比67.2%；少部分隧道順層巖性為灰巖、泥灰巖、白云巖等硬巖，占比10.2%；非順層段落占比22.6%。鄭萬高鐵重慶段隧道順層段落占比情況如圖1所示。

圖1 鄭萬高鐵重慶段隧道順層段落占比情況Fig.1 Proportions of bedding section of Zhengzhou-Wanzhou railway tunnel in Chongqing

施工期間，穿越順層地層的多座隧道局部段落發生了較大變形，這些變形呈現出較為顯著的非對稱特征，如圖2所示。

圖2 某隧道順層段落橫斷面典型位移(單位：cm)Fig.2 Typical displacement of cross-section in bedding section of a tunnel (unit:cm)

部分隧道的初期支護在非對稱圍巖壓力作用下，出現初期支護混凝土剝落、鋼架扭曲等現象，如圖3所示。

已施工段大跨度隧道出現的種種問題表明在泥巖夾砂巖地層條件下，順層隧道偏壓特征較為顯著，順層偏壓問題對隧道施工及運營產生的影響不容忽視。為預防隧道施工及運營過程中可能出現的病害，有必要對泥巖夾砂巖順層隧道的力學特征開展系統性的研究。

圖3 某隧道順層段落初期支護破壞特征Fig.3 Failure characteristic of primary support in bedding section of a tunnel

2 順層隧道現場監測及數值模擬

從隧道掌子面揭示的圍巖巖性及產狀來看，隧道穿越泥巖夾砂巖順層，砂巖巖層厚度相對較薄，巖層走向與隧道軸向基本一致，順層間距在1～4 m非均勻變化，順層傾角在緩傾至陡傾范圍內非均勻變化。個別地段地下水發育，隧道位移量測數據表明，在地下水發育且順層同時存在的區段，隧道收斂位移較普通段顯著增大。施工期間，順層區段隧道圍巖表現的偏壓特征與圍巖巖性、順層間距及順層傾角等參數密切相關。因此，研究上述參數對順層隧道偏壓特征的影響程度，將有助于及時調整設計與施工技術方案，減小或消除偏壓對隧道結構的不利影響。

2.1 現場監測

為了研究隧道初期支護實際承受的圍巖壓力及變形特征，選取鄭萬高鐵小三峽隧道順層區段D1K672+642斷面開展現場試驗，該斷面隧道埋深約250 m，掌子面巖層產狀如圖4(a)所示，屬典型的泥巖夾砂巖順層地層，圍巖等級為Ⅳ級，砂巖層厚度為0.2～0.4 m，層間距為0.3～2.5 m，順層傾角大致接近45°。在噴射混凝土施工前，于隧道周邊安裝YT-200A型振弦式雙膜土壓力計，通過對土壓力計頻率的測量，得出圍巖與初期支護之間接觸壓力分布情況及圍巖壓力隨時間的變化規律，并利用全站儀對隧道開挖前后圍巖的變形情況進行測量。土壓力計布置及儀器現場安裝情況、圍巖位移測點布置分別如圖4(b)和圖4(c)所示?，F場實測的圍巖接觸壓力隨時間的變化關系及接觸壓力穩定后的分布特征如圖5(a)和圖5(b)所示，隧道周邊位移收斂后，各個測點實測位移見圖5(c)。

(a)D1K672+642掌子面巖層產狀

實測結果顯示，隨著時間的推移各測點圍巖壓力逐漸增大，并于80 d后趨于穩定(見圖5(a))。隧道圍巖壓力穩定后，監測斷面圍巖壓力環向分布情況顯示，拱頂圍巖接觸壓力最大，順層法線方向圍巖壓力明顯大于順層方向，隧道呈現出明顯的偏壓特征。由圖5(c)可知，隧道拱頂至右拱腰部位圍巖實測位移明顯大于左側，即順層法線方向位移大于順層方向，隧道變形呈現出較為明顯的非對稱特征。

2.2 數值模擬

實測結果表明，順層隧道存在偏壓現象，但是該結果僅能與特定的順層構造參數(順層間距和傾角等)相對應。為了進一步研究順層地質構造參數及地下水等影響因素對隧道偏壓特征的影響規律，有必要借助數值計算方法?？紤]到巖層走向與隧道軸線平行，可建立二維地層結構模型對泥巖夾砂巖順層隧道開展多工況數值分析。加拿大Rocscience公司開發的Phase2有限元程序中內置的joint單元可以方便地模擬巖層中的不同層理，因此，本文采用Phase2程序建立數值模型，對泥巖夾砂巖順層隧道開展多工況數值分析研究。

(a)圍巖壓力歷時曲線

為了便于與現場實測斷面對比分析，計算模型隧道埋深取250 m。由于模型尺寸的限制，將模型范圍外的上覆巖層重度以荷載的形式施加于模型頂部，并進行地應力平衡，模型尺寸為100 m×100 m。隧道跨度為14.8 m，采用臺階法開挖，上臺階高度為4.7 m，下臺階高度為5.3 m，仰拱高度為2.0 m。根據現場地質條件，砂巖間距取2 m，砂巖傾角為45°，數值計算模型如圖6所示，模型中的地質構造參數與現場試驗斷面基本相符。

由于順層中的砂巖巖層厚度較薄(0.2～0.4 m)且完整性差(見圖4(a))，因此，采用Phase2軟件中joint單元模擬砂巖巖層，采用實體單元模擬泥巖。Phase2程序中推薦了一種基于巖層充填物性質的joint剛度計算方法，將砂巖視為泥巖層中的充填物，此時joint單元的法向剛度kn與剪切剛度ks可通過式(1)和式(2)進行估算。

(1)

(2)

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

圖6 順層隧道數值計算模型(單位：m)Fig.6 Numerical model of bedding tunnel (unit:m)

為了確定數值計算所需的參數，在隧道現場鉆取了泥巖巖樣開展室內試驗，巴東組泥巖巖樣及試驗儀器如圖7所示。由于砂巖層厚度薄且完整性差，現場未取得合適的砂巖層巖樣。最終，根據泥巖試驗結果，并結合張小波[15]、張玉等[16]針對砂巖開展的物理特性試驗研究，以及TB 1003—2016《鐵路隧道設計規范》[1]關于Ⅳ級圍巖物理力學指標的參考值，獲取順層隧道圍巖計算參數，如表1所示。

(a)泥巖巖樣

根據小三峽隧道施工工序，隧道臺階開挖后在臺階周邊施加初期支護，主要包括噴射混凝土與鋼架，其中噴射混凝土采用C25混凝土，鋼架采用I18型工字鋼。根據TB 1003—2016《鐵路隧道設計規范》[1]噴射混凝土及鋼架的物理力學指標，確定支護結構計算參數，如表2所示。

表1 圍巖計算參數Table 1 Calculation parameters of surrounding rock

表2 支護計算參數Table 2 Calculation parameters of tunnel support

由于二維數值模型無法展現隧道施工過程中三維空間的尺寸效應，一種近似的方法是設定圍巖應力釋放率，近似模擬隧道掌子面對圍巖的約束作用。圍巖應力釋放率在開挖階段分別設定為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，計算在不同應力釋放率條件下隧道周邊圍巖的位移值。當計算位移與實測位移基本接近時，則認為設定的應力釋放率是比較合適的，并作為后續分析的參數。不同應力釋放率條件下，隧道周邊特征點圍巖位移計算值如圖8所示。

圖8 順層隧道圍巖位移與應力釋放率的關系Fig.8 Relationship between displacement of surrounding rock and stress release rate of bedding tunnel

由圖8可知，隧道周邊圍巖位移隨著應力釋放率的增長而增大，當圍巖應力釋放率取為0.3時，隧道左拱腰及拱頂實測位移與數值計算較為接近，且能反映出順層隧道的非對稱變形特征，故應力釋放率取為0.3。此時，順層隧道圍巖位移及塑性區范圍如圖9所示(圖9(b)中的圖例表示圍巖進入塑性區的比例)，砂巖順層塑性區范圍如圖10所示。

(a)圍巖位移(單位：m)

圖10 砂巖順層塑性區范圍(單位：m)Fig.10 Sandstone bedding plastic zone of tunnel (unit:m)

由圖10可知，砂巖順層塑性區分布于順層法線方向，砂巖順層塑性破壞引起泥巖沿順層法線方向產生彎曲變形，導致該處圍巖位移與泥巖塑性區范圍增大，引起圍巖位移的不連續分布。因此，泥巖與砂巖順層的破壞相互耦合作用會顯著改變隧道周邊圍巖的位移場，進而影響隧道的力學特征。

3 順層參數對隧道偏壓的影響

為了研究順層參數對隧道力學特征的影響，在隧道開挖輪廓周邊布置8個監測點(如圖11所示)，通過對不同工況下各個測點的位移及沿圍巖深度方向的塑性區范圍進行分析，論證順層構造參數對隧道偏壓的影響程度及規律。

圖11 隧道位移監測點位置Fig.11 Layout of tunnel displacement monitoring points

3.1 順層傾角對隧道偏壓的影響

在控制其余參數不變的情況下，假定順層間距為1 m，當順層傾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時，各監測點圍巖位移變化情況如圖12所示。

圖12 順層隧道圍巖位移與順層傾角的關系Fig.12 Relationship between surrounding rock displacement and bedding dip angle of bedding tunnel

由圖12可知：當順層傾角小于15°或順層傾角為90°時，順層隧道周邊圍巖位移基本對稱，隧道不存在偏壓特征；當順層傾角在15～90°逐漸增大時，順層法線方向圍巖位移呈現先增大后減小的趨勢，順層方向圍巖位移持續減??；當順層傾角為45～75°時，順層法線方向圍巖位移明顯大于順層方向，隧道的偏壓特征較為顯著。

順層傾角不同時隧道塑性區范圍如圖13所示(圖例表示圍巖進入塑性區的比例)。由圖13可知：當順層傾角為0°及90°時，隧道圍巖塑性區基本上對稱分布，不存在偏壓現象；當順層傾角在15～90°逐漸增大時，隧道右側泥巖塑性區范圍開始逐漸大于左側，砂巖順層塑性區沿順層法線方向延伸；當順層傾角為45°時，泥巖塑性區范圍最大，砂巖順層的塑性區沿順層法線方向延伸范圍最大，順層隧道的偏壓現象最為顯著。

3.2 順層間距對隧道偏壓的影響

由3.1節可知，順層隧道的最不利傾角為45°，因此假定順層傾角為45°，在此條件下分析順層間距對隧道偏壓的影響。當順層間距由0.5 m增大至5 m時，隧道周邊圍巖位移計算結果如圖14所示。

由圖14可知：當順層間距較小時，順層法線方向圍巖位移明顯大于順層方向，隧道偏壓特征顯著；隨著順層間距的增大，圍巖的非對稱位移逐漸減小，偏壓特征逐漸減緩；當順層間距超過3 m后，隧道位移基本對稱。

順層隧道圍巖塑性區范圍與順層間距的關系如圖15所示。由圖15可知：順層間距較小時，順層法線方向泥巖塑性區范圍大于順層方向；當順層間距大于2 m時，隨著順層間距的增大，泥巖塑性區范圍變化不明顯。

3.3 地下水對隧道偏壓的影響

泥巖具有抗壓強度低，滲透性差，失水易開裂剝落，遇水易軟化崩解、強度急劇降低的特點[17]。柳萬里等[18]對天然狀態與飽和狀態下巴東組泥巖開展的單軸壓縮試驗表明，飽和試件彈性模量降低22.97%，顆粒摩擦因數降低30%，黏結法向強度與切向強度降低22.86%。根據以上結論調整順層隧道模型參數并考慮地下水的滲流效應，結合施工現場的水文地質條件，設置水位高度距離隧道拱頂200 m，泥巖滲透系數為1×10-7m/s。假定順層間距為0.5 m、順層傾角為45°，分別對有無地下水的2種工況進行計算與分析，計算結果如圖16所示。

由圖16可知，由于地下水對圍巖物理參數的削弱及滲流作用，圍巖位移、泥巖與砂巖塑性區范圍均有所增大，圍巖破壞比例增加，圍巖穩定性下降，其中，隧道拱腰圍巖力學特征變化最為顯著。因此，地下水對泥巖夾砂巖順層隧道產生了明顯的不利影響，該計算結果與施工現場觀察到的現象基本一致。

(a)順層傾角0°

圖14 順層隧道圍巖位移與順層間距的關系Fig.14 Relationship between surrounding rock displacement and bedding spacing of bedding tunnel

圖15 順層隧道圍巖塑性區范圍與順層間距的關系Fig.15 Relationship between plastic zone depth and bedding spacing of bedding tunnel

(a)圍巖位移(單位：cm)

4 結論與討論

本文采用現場試驗和數值模擬的方法，對泥巖夾砂巖順層大跨度隧道力學特征進行了研究，分析了順層主要地質參數及地下水對順層隧道力學特征的影響，得出的主要結論如下。

1)在泥巖夾砂巖地層條件下，順層隧道的力學特征與均質地層存在較大的區別。由于巖體沿順層法線方向彎曲變形，順層法線方向圍巖位移明顯大于順層方向，隧道變形呈現出明顯的不對稱特征；砂巖順層的破壞會引起泥巖塑性區延伸，造成泥巖塑性區的不對稱發育。

2)砂巖順層的間距對隧道力學特征有較大的影響。隨著順層間距的增加，圍巖位移與塑性區范圍逐漸減小，隧道的不對稱變形逐漸減小。當砂巖順層間距超過3 m以后，順層隧道的偏壓特征基本消失。

3)砂巖順層的傾角對隧道力學特征有顯著的影響。砂巖順層的破壞主要發生于順層法線方向，并引起一定范圍內圍巖整體的破壞。隨著順層傾角的增大，圍巖塑性區逐漸向邊墻發展。順層傾角為45°時，砂巖順層塑性區范圍最大，圍巖位移的不對稱特征最為顯著，此時順層構造對圍巖的穩定性最為不利。

4)在含有地下水的順層地質條件下，由于地下水對泥巖力學參數的削弱以及地下水的滲流作用，圍巖位移及塑性區范圍均有所增加，圍巖穩定性降低，此時需重點關注拱腰處的圍巖變形情況。

5)對于順層隧道而言，可通過圍巖巖性、順層間距、順層傾角及地下水等主要參數對其偏壓特征進行判定。對于泥巖夾砂巖大跨度順層隧道而言，當順層間距小于3 m、順層傾角在45～75°時需要考慮隧道的偏壓特征。

本文主要探討了順層巖性、地質構造參數及地下水對泥巖夾砂巖順層大跨度隧道力學特征的影響，但由于數值軟件的局限性及現場試驗數據量有限，并未得出大跨度順層隧道偏壓荷載與地質構造參數的定量化關系，今后將針對上述問題開展進一步的研究。