层状软岩隧道稳定性及受力变形特性研究

周 星， 高 杭， 卫亚科， 胡 炜

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031； 2 .中铁十二局集团有限公司，山西太原 030024； 3.中铁二院集团有限责任公司，四川成都 610031)

隧道在穿越层状岩体时，由于岩体倾斜且存在层理、节理等弱结构面，隧道的开挖扰动可能使得围岩产生局部失稳，围岩和衬砌结构可能会承受不对称的偏压荷载[1-3]。对于层状软岩引起的偏压隧道及其围压压力的计算方法研究一般分为模型试验和数值模拟两类。如周晓军[2]对顺层岩体作用于隧道衬砌结构的偏压载荷进行了模型试验，得出了地质顺层偏压隧道围岩压力的分布特点及其与不同顺层倾角之间的变化关系；裴晓彤[4]应用ABAQUS面-面接触分析对地质偏压隧道围岩压力及衬砌结构内力进行非线性接触分析与计算；李晓红等[5]结合共和隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对隧道层状岩体的破坏特征进行了分析；夏彬伟[6]通过数值模拟等手段对深埋隧道层状岩体的围岩变形破坏机理进行了研究。以往的数值模拟大多是将层面和基岩分别模拟再定义接触，将层面视为一种特殊的结构，但这种方法不适用于层厚较薄、分层较多的复杂地质模型[7]。

本文以郑万高铁为工程背景，建立符合围岩体特征的节理材料模型，并结合现场量测结果，研究层状软岩隧道在不同层理面角度下的隧道稳定性及其受力变形特征。

1 工程实例

1.1 隧道概况

在建郑万高铁为设计时速350km/h双线隧道。某隧道进口里程DK500+200，出口里程DK513+980，全长14 574m。以里程DK508+297隧道截面为研究对象，埋深240m，围岩岩性为页岩夹砂岩，多为薄层状，层厚10～20cm，属Ⅳ级围岩，岩层走向与隧道轴线方向一致，倾角大约45°，倾向隧道右侧。断面掌子面围岩情况见图1。

图1 DK508+297掌子面围岩

1.2 现场监测

根据现场实际情况，选取隧道断面上几个典型特征点进行量测，特征点分布如图2所示。在图中所示特征点初期支护背面埋设压力盒，量测围岩压力，并量测记录边墙、拱腰、拱顶五个特征点的围岩位移。

图2 断面典型特征点布置

2 算例模型

2.1 建立模型

应用ABAQUS软件，以隧道断面图为基础建立隧道模型，隧道位于模型中心。围岩和衬砌均采用solid实体单元模拟，衬砌结构与围岩之间的接触采用面—面接触的方式。左右边界约束水平位移，底边约束水平和垂直位移。图3是按深埋隧道建立的计算模型初始竖向应力。

图3 初始竖向应力场(单位：kPa)

2.2 计算参数

结合隧道现场地勘资料、相关文献[8]和教程[9、10]，相关计算参数见表1。衬砌采用线弹性模型，而岩体和层理面采用ABAQUS节理材料模型。

表1 计算参数

2.3 计算假定

本例为模拟实际情况，假设岩层走向与隧道轴线平行，倾向与轴线垂直且以倾角β倾向隧道右侧，此时β取45 °；假设围岩层理面平行均匀分布，层理面间距小，各层理面计算参数相同。

3 结果分析

3.1 围岩的位移

围岩开挖后的总位移云图如图4所示，围岩变形计算结果与量测结果对比如图5所示。计算结果显示：围岩总位移云图呈现明显不对称现象，最大位移出现在拱顶与右拱腰，最大值为5.868cm，边墙变形量最小，仰拱隆起量较大最大可达4cm。现场围岩监测变形显示拱顶出现较大沉降，最大7.4cm，与计算值相差1.2cm。计算结果较实测结果位移偏小但具有相似的规律，最大位移均为拱顶和右拱腰部位，隧道右侧位移普遍大于左侧，较好地模拟了隧道的偏压作用。

图4 开挖后总位移云图(单位：m)

图5 围岩位移计算与实测对比(单位：cm)

3.2 围岩压力

围岩压力计算值与实测值对比如图6所示。计算结果显示：右侧边墙和拱腰压力较大，最大压力246.9kPa，仰拱压力最小，拱脚局部压力较大，如左拱脚150kPa，断面右侧压力整体大于左侧相应位置。实测结果中，拱顶、右侧拱腰边墙压力较大，最大达到390kPa，与计算差值165kPa，左侧和仰拱则较小，实测结果与计算结果具有相似的规律，但偏压效应更显著，围岩两侧压力差值较大。

图6 围岩压力计算与实测对比(单位：kPa)

上述结果还表明，由ABAQUS节理材料模型计算得到的结果与现场量测结果具有较好的统一性。以下将进一步利用其研究层理面倾角对隧道及围岩受力变形的影响。

4 层理面倾角对隧道及围岩受力变形的影响

为更全面地了解层状软岩中围岩及隧道的受力变形规律，以下将进一步计算分析岩层倾角的影响。此时倾角β分别采用0 °、15 °、30 ° 、45 °、60 °、75 ° 、90 °以及无层面八种工况进行计算分析。

4.1 围岩破坏区

图7所示为不同层面倾角时围岩的塑性区。倾角为0 °和90 °时塑性区对称，最大塑性应变均位于仰拱部分，其余角度最大塑性应变分布在边墙和拱腰位置，无层面时围岩无塑性区，说明层面存在对围岩破坏有显著影响。随着层面倾角的增大，隧道右侧塑形区范围从拱顶逐渐向下转移到右拱腰、右边墙，左侧塑性区范围从仰拱向上转移到左拱脚、左边墙。

图7 不同层面倾角下围岩塑性区分布

4.2 围岩位移

不同层面倾角下围岩位移沿拱墙路径距离分布如图8所示。各特征点位移随倾角变化如图9所示。路径距离指以左拱脚为起点，右拱脚为终点，沿着洞壁顺时针向的弧长距离。

图8 围岩位移沿拱墙路径距离分布曲线

图9 各特征点位移变化曲线

从图8、图9可知：

(1)在同一倾角下，围岩位移沿着路径距离先增大后减小，即拱顶和拱腰的位移较两侧拱脚和边墙大；围岩左右两侧对应的特征点位移对比，除倾角为0 °和90 °具有对称性外，其余角度均呈现出不同程度的偏压现象，整体为断面右侧位移大于左侧，值得注意的是，左侧边墙位移均大于右侧。

(2)在不同倾角下，随着层面倾角逐渐增大，围岩位移呈现逐渐增大的趋势，即0 °、15 °时位移最小，75 °、90 °时位移最大，无层面时位移大于0 °和15 °而小于其他角度；左右两侧对应特征点位移差值随倾角增大呈现先增大后减小的趋势，即位移差值在倾角β∈[ 0°，45°]时从零逐渐增大至最大，约1.5cm，在倾角β∈[ 45°，90°]时，两侧位移差值逐渐减小为零。

4.3 衬砌主应力

ABAQUS中默认应力以受拉为正，受压为负，通常采用最大主应力评判受拉状况，采用最小主应力评判受压状况。隧道衬砌受力主要为压应力，因此选取代表性的最小主应力来分析衬砌的应力状况。不同倾角下衬砌最小主应力沿拱墙路径距离分布如图10所示。各特征点最小主应力随倾角变化如图11所示。从图10、图11可知：

(1)同一倾角下，衬砌受力沿着路径距离先减小后增大，即拱顶和拱腰的压应力较小，而两侧拱脚和边墙的所受应力较大；除倾角为0 °和90 °应力具有对称性外，其余角度衬砌结构右侧所受压应力普遍大于左侧对应特征点。

(2)在不同的倾角下，随着层面倾角的增大，应力整体呈现逐渐增大的趋势，其中边墙和拱脚的增幅较大，而拱顶和拱腰则略有减小；当层面倾角β∈[ 0 °，45 °]时，左右两侧应力差从零逐渐增大，在45 °时差值最大达35MPa，当层面倾角β∈[ 45 °，90 °]时，两侧应力差逐渐减小，直至90 °时重新趋于对称状态。以上结果表明，层面倾角从0 °增大到90 °过程中，衬砌结构左右两侧的偏压效应从弱变强再变弱，在倾角45 °时右侧偏压作用最为显著。

图10 最小主应力沿拱墙路径距离分布曲线

图11 特征点最小主应力变化曲线

5 结束语

本文通过现场监测数据结合数值模拟结果对比分析，得出以下结论：

(1)随着倾角的增大，隧道反倾侧塑性破坏区范围从拱顶逐渐向下转移到右拱腰、右边墙，顺倾侧塑性区范围从仰拱向上转移到左拱脚、左边墙。

(2)在岩层倾角一定时，沿着路径距离，围岩位移先增大后减小，衬砌压应力则相反；隧道反倾侧的围岩位移和衬砌受力普遍大于顺倾侧对应位置，体现出层状围岩隧道的偏压效应。

(3)在不同倾角下，随着层面倾角的增大，对应特征点围岩位移和衬砌压应力均呈现逐渐增大的趋势，层状软岩隧道

的偏压作用由弱变强再变弱，倾角45 °时偏压作用最显著。