緩傾層狀圍巖高鐵隧道施工變形特征及控制技術

張鵬ZHANG Peng

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著我國“西部大開發”戰略及“一帶一路”倡議的推進，西部地區逐漸成為高速公路、鐵路建設的活躍區域[1]。我國西部地區的幅員遼闊，地質條件復雜多樣，層狀巖體工程建設也不斷的增多，由于軟弱節理面破裂導致的工程事故也日益凸顯[2]。

隧道工程中遇到的層狀巖體通常為緩傾巖層，巖層傾角通常在0～25°，根據巖體強度又可分為緩傾軟巖和緩傾硬巖。緩傾巖層對工程的主要危害包括拱部易掉塊、塌方，隧底易發生底鼓，而緩傾硬巖對工程的主要危害為施工中拱部易掉塊。針對層狀圍巖隧道的研究方法通常包括數值模擬、模型試驗及現場監測。林崇德[3]通過數值模擬和相似模型試驗，并與實踐相結合，對層狀圍巖巷道的破壞模式進行了研究，得出層狀巖層在橫向壓力下發生了離層和彎曲破壞的結論。邵遠揚[4]針對層狀巖體隧道圍巖變形特征和機理，提出層狀巖體具有順層滑移、彎曲折斷、擠壓外鼓和楔形體破壞4 種典型破壞模式。資曉魚等[5]基于成蘭鐵路楊家坪隧道，建立宏觀層理分布模型，對層狀千枚巖隧道形變破壞規律與支護措施展開了相關研究。張力等[6]依托WYQ1000-Ⅰ型地下工程綜合試驗模擬系統，對深部層狀圍巖巷道展開物理模型試驗，研究了三種支護方式下巷道的變形破壞特征及圍巖的應力演化規律。既有研究指出，層狀巖體中的隧道設計需要尤其關注施工擾動對節理面的影響，隧道開挖后拱頂位置最容易受到破壞，層狀圍巖的多樣性和復雜性使其在空間上的力學響應具有很高的不確定性。

本文依托中鐵十二局集團承建的渝昆高鐵格萊村隧道工程，針對隧道修建中遇到的緩傾巖層問題，展開有限元數值模擬分析和施工對策研究，對現場施工的展開具有指導意義。

1 工程概況

新建渝昆高鐵格萊村隧道位于昆明市尋甸回族彝族自治縣功山鎮，起訖里程DK597+035～DK600+676，全長3641m，最大埋深為178m，最小埋深8.5m，為設計速度350km/h 的雙線高速鐵路隧道，是全線的重點控制工程。經現場增質測繪和鉆探揭示，結合區域地質資料，隧址范圍內主要地層巖性為第四系全新統坡殘積層（Q4dl+el）粉質黏土、細角礫土，下伏二疊系上統玄武巖組（P2β），二疊系下統茅口組（P1m）、棲霞組（P1q）石灰巖。測區位處以沾益山字形構造體系卡竹反射弧構造帶，由一系列向北突出的弧形壓性沖斷層和褶曲組成，這個弧形構造帶寬達20km。在區內尚有新華夏構造體系之車烏～照福鋪斷褶帶，由一系列北東向的壓性沖斷層和褶皺組成，并有張性斷裂與其垂直，扭斷裂與其斜交。

從地質背景資料可以得知，格萊村隧道洞身部分穿越層狀圍巖，巖層走向普遍為0～25°緩傾，巖性多為砂巖、泥巖及灰巖，故將針對其工程特點，利用有限元軟件建模，開展緩傾巖層隧道變形機理及控制對策研究。

2 有限元數值模型

2.1 模型建立

以格萊村隧道某斷面為研究對象，采用有限元軟件建立地層模型分析不同巖層條件下隧道裸洞開挖巖體的承載特征。隧道埋深為60m，跨度和高度分別為14.56m 及12.11m，斷面形狀為仰拱和三心圓。為消除邊界條件影響，考慮圣維南原理，模型邊界取3～5 倍洞徑，模型的縱向長度為1m，橫向長度為150m，隧底距離下邊界取60m。模型底部完全固定，前后左右邊界分別施加法向約束，保證土體在縱向方向有應力而無位移，頂部為自由邊界。

為研究節理面對隧道開挖后破壞特征的影響，使用界面模型模擬在土體中嵌入不同角度的0 厚度界面單元作為土體節理面，節理面的間距為2m，如圖1 所示為不同節理面角度的土體模型。

圖1 不同巖體數值模型圖

圍巖力學行為采用莫爾-庫倫模型進行模擬，節理面采用庫倫摩擦模型模擬，數值模型中的力學參數如表1 及表2 所示。采用混合網格生成器劃分網格。定義初始地應力平衡階段和開挖施工兩個施工步驟，初始地應力場的側壓力系數設置為0.4，并清零初始階段位移，采用鈍化隧道范圍內的土體及節理面單元實現開挖模擬。

表1 圍巖參數

表2 節理面參數

2.2 數值模擬結果

分別獲取隧道開挖后不同巖體條件下的數值模擬結果，分析節理面的破壞特征。

2.2.1 應力計算結果

提取隧道開挖后不同巖體條件下的洞周應力分布云圖進行對比分析。結果如圖2 所示。

圖2 不同圍巖Mises 應力云圖

從Mises 應力分布云圖可以看出，在均質圍巖中，巖土體不存在節理面，因此Mises 應力呈現對稱光滑分布，應力集中主要發生在隧道邊墻位置。從節理巖體的計算結果可以看出，節理面的存在對應力重分布起到了阻礙作用，應力在穿越節理面時出現了非連續分布，應力集中更加受限于層狀巖體內。當節理面角度為0°時，模型整體對稱，因此應力呈左右對稱分布，且與均質圍巖工況應力分布較為接近，這是由于節理走向為0°時，節理面主要受到垂直方向壓縮應力的影響，而拉伸和剪切應力并不明顯。隨著節理走向的角度增大，邊墻位置的應力集中出現偏移，不再呈左右對稱分布，當節理面走向為25°時，應力更加向節理面走向下行的一側集中。因此，節理面對隧道施工穩定性的影響不可忽略。

2.2.2 變形計算結果

提取不同圍巖條件下的總體位移分布云圖及洞周圍巖變形特征圖結果如圖3 所示，為了更加直觀的反應變形特征，將洞周圍巖統一放大1500 倍。

圖3 總體位移云圖及洞周變形特征

從圖3 可以看出，節理面的存在對圍巖的變形有著明顯的影響，均質圍巖工況時，洞周圍巖的位移分布情況較為均勻，在拱頂、仰拱及邊墻都存在著較大的變形。當節理走向為0°時，洞周圍巖有明顯的仰拱隆起和拱頂沉降現象，仰拱和拱頂的變形明顯大于兩側邊墻。隨著節理走向的傾角增大，仰拱隆起和拱頂沉降的影響范圍逐漸減小，圍巖的變形逐漸呈現明顯的順層分布，圍巖的變形主要集中在節理下行的一側，當節理走向為25°時，可以明顯看出，較大的變形集中在仰拱和左側邊墻，符合變形順層分布的趨勢。

3 控制措施分析

由數值模擬分析可知，節理面的存在對隧道開挖的圍巖穩定性有著不可忽略的影響。圍巖的變形總體趨勢與變形程度與節理面的走向有著直接關系，因此在設計和施工中，需要對緩傾層狀圍巖隧道進行重點控制，尤其是隧道邊墻及仰拱部位。

3.1 設計原則

確保緩傾圍巖施工安全的措施通常包括加強鋼架和超前支護。

隧道圍巖緩傾地段加強設置鋼架的具體參數如表3所示，其余特殊地段鋼架設置按需加強。

表3 鋼架措施參數

超前支護一般設置在IV、V 級圍巖一般緩傾巖層。

對于緩傾巖層的仰拱隆起風險，可采取仰拱加深處理的措施，加深深度為45cm，具體參照相應工點的設計圖紙。

在施工中，除了常規的監控量測外，應在緩傾軟巖隧底隆起地段設置專項監測，重點關注仰拱的豎向位移。施工完成后，應重點對存在仰拱隆起風險的段落進行后續監測，測點每25m 設置，監測點的布置、監測頻率應嚴格參照施工圖紙，及時整理匯總并分析，如有異常應及時分析原因，妥善解決。

3.2 施工注意事項

3.2.1 地質預報及超前支護

施工中應加強掌子面的地質素描工作，及時了解前方巖體的節理產狀，識別掉塊風險。對于薄層和中厚層的緩傾巖層地段應做及時的超前支護加強措施，超前支護的打設角度、長度及注漿參數應嚴格參照設計參數。若拱部揭示較大的掉塊風險，必要時應設置拱部超前支護。

3.2.2 施工穩定性保障措施

盡量減小隧道開挖的圍巖擾動，保護圍巖的自承載能力，做好掌子面光面爆破，炮眼殘留率不宜小于80%，嚴格控制超欠挖，開挖后及時排查掉塊風險。

加強初期支護的工序質量管理，掌子面開挖后及時施做初支噴砼，初噴封閉后及時架立處置鋼架，鋼架與噴砼緊貼密實，在鋼架的保護下施做系統錨桿。隧道拱部錨桿打設角度盡量垂直于節理面，必要時邊墻錨桿可調整至隧道拱部，加密拱部錨桿間距。

4 結語

針對渝昆高鐵格萊村隧道緩傾巖層地段的施工穩定性控制難題，采用數值模擬的方法探究了緩傾圍巖隧道的變形特征，確定了不同角度下緩傾巖層隧道容易發生應力集中及較大變形的區域。結合數值模擬結果，提出緩傾巖層隧道設計與施工的重點注意事項，包括拱墻及仰拱部位的加強支護和監控量測，施工中超前支護施做以及施工穩定性的控制要求，為類似的緩傾巖層隧道工程提供參考。