不同倾角节理隧道衬砌受力特性研究及应对措施

路 辉

(1.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300；2.中铁建重庆投资集团有限公司 重庆 400700)

1 引言

我国的隧道建设面临日益复杂的工程难题，如高应力、断层破碎带、节理岩体以及围岩大变形等。如何保障隧道安全快速地贯通并维护隧道运营期内的稳定已成为当前隧道工程亟待解决的重点问题[1-2]。我国大体量隧道工程建设不可避免会穿越富含倾斜节理的岩层，该类破碎岩土体中往往存在着诸多贯通或非贯通结构面，将岩体分割为不连续的非均质体，使岩体强度降低、变形增大，更易发生开裂、滑移和相对运动[3]。倘若未及时采用相应加固措施，极易引发隧道塌方、衬砌开裂等工程灾害，严重威胁交通运输安全。

衬砌作为保护围岩稳定性的永久性支护结构，其重要性不言而喻。隧道在运营期内衬砌纵、斜向裂缝发育，渗漏水严重[4]，或是因穿越高地应力大变形岩层、围岩应力不均而导致二次衬砌出现变形、破损甚至开裂渗水[5-6]，严重拖慢施工进程。刘金松[7]调查发现倾斜层状节理的偏压影响加上岩层沿节理面下滑的挤压作用是导致衬砌产生裂纹的一大原因；张郁[8]通过理论分析、数值模拟等方法，从围岩种类、隧道埋深、地下水分布、地层偏压等角度着手，发现隧道埋深差距是导致偏压产生的直接原因，密集节理是使偏压效应增大的原因之一。可见在倾斜节理岩层中，隧道衬砌开裂非常普遍。因此，不同倾角倾斜节理对围岩和衬砌的影响值得深入研究。

本研究依托绍兴市杭绍台高速铁路林盘山隧道工程，考虑倾斜节理岩层倾角的变化，采用Midas GTS/NX对不同节理倾角下的隧道围岩、衬砌变形演化规律进行模拟与分析，总结隧道围岩与衬砌的受力特征；同时，结合分析结果和现场实际条件，对隧道综合施工措施进行优化，以期有效防止节理地层中隧道围岩的大变形和衬砌开裂。

2 工程背景

2.1 工程地质

林盘山隧道工程位于浙江省绍兴嵊州市。隧道全长8.61 km，最大埋深约444 m，为单洞双线隧道，洞跨14.1 m，洞高10.4 m，截面面积113 m2，属大断面暗挖隧道。隧道位置及1＃斜井概况见图1，隧址区地质剖面见图2。

2.2 问题段隧道概况

本研究以林盘山隧道1＃斜井区段(DK58＋000～DK62＋000)为背景。该区段隧道围岩为Ⅱ级凝灰岩，隧道采用曲墙带底板的多心圆复合式衬砌，开挖方法为全断面爆破法。

3 衬砌开裂影响因素数值分析

采用Midas GTS/NX针对不同节理倾角下的隧道围岩与衬砌结构稳定性进行数值模拟分析[9]。

3.1 模型参数

根据地勘报告及室内试验结果得到隧道节理围岩体和非节理围岩体力学参数以及支护结构材料参数，见表1。

表1 围岩力学及支护结构材料参数

3.2 数值模型

基于林盘山隧道工程岩土勘察报告和相关规范，建立尺寸为120×80 m的二维岩土模型，如图3所示。隧道衬砌结构采取直墙拱形简化模型，岩土本构选用Mohr-Coulomb模型；节理厚0.3 m，倾角为55°，以10°为间隔建立15°～75°的倾斜节理岩层模型和无节理岩层模型。隧道施工工序为:隧道开挖→初期支护施作→二次衬砌施作。

3.3 数值结果分析

3.3.1 围岩位移结果分析

8种不同节理倾角下围岩在隧道开挖后的水平及竖向位移见图4。

(1)隧道开挖后，无节理条件下各处水平位移几乎为0，符合Ⅱ级围岩条件良好特征；当含倾斜节理时，各处的水平及竖向位移均有所增长，且水平位移增长更甚，可见倾斜节理会影响隧道的稳定性。

(2)对比隧道左右两侧拱腰的水平位移，在节理倾角为15°～35°时，左侧拱腰水平位移大于右侧拱腰，且均逐渐增大；当节理倾角在45°～75°时，右侧拱腰水平位移大于左侧；二者最大差值在节理倾角为45°时，相差0.5 mm；随节理倾角增大，两侧拱腰水平位移值有所降低，总体上右侧大于左侧。

(3)对比隧道左右两侧拱脚水平位移情况，在节理倾斜角度为15°～55°时，左侧拱脚水平位移大于右侧；节理倾角为55°时，拱脚的水平位移最大，且两侧差值也最大，为1.0 mm；在节理倾角为65°～75°时，右侧拱脚的水平位移大于左侧。

(4)相较于无节理围岩，含倾斜节理的围岩墙底竖向位移显著增大，但左右两侧的位移差值不大；在节理倾角为55°时，左右墙底水平位移差值最大，为0.7 mm；含倾斜节理的围岩拱顶、拱底的位移相较于无节理增大了1.4 mm，但各角度下拱顶、拱底位移基本一致，说明节理倾角的大小对围岩位移基本无影响。

3.3.2 初支内力结果分析

图5为无节理及节理倾角为25°围岩条件下的初支受力云图。不同倾角节理围岩条件下初支内力最值统计结果见表2。

表2 不同倾角节理围岩条件下初支内力最值

(1)当围岩不含节理时，初支剪力及弯矩图呈对称分布，最大剪力值出现在拱脚处，为169 kN，最大弯矩值则出现在拱腰处，为12.6 kN·m。

(2)当围岩中含倾斜节理时，初支剪力和弯矩明显减小，剪力与弯矩均呈不对称分布，左侧受力明显大于右侧，呈现偏压特征。

3.3.3 二衬应力结果分析

图6为无节理及节理倾角为15°、55°围岩条件下的二衬应力云图，不同节理倾角下二衬应力统计结果见表3。

表3 二衬应力统计 kN/m2

(1)含有倾斜节理围岩相较于无节理围岩，衬砌各部位的应力峰值均有所下降，节理倾角为15°时，拱脚两侧应力差最大，为9.32 kN/m2。

(2)节理倾角为35°时，拱脚两侧应力差最大，为3.11 kN/m2，在左右拱底处有部分应力集中现象。

4 衬砌开裂控制效果分析

由3.3节可知，节理层厚0.3 m时，倾角为55°的岩层中隧道衬砌受力情况最为不利。本章对此开展隧道衬砌开裂病变控制措施数值分析，措施包括:(1)改变仰拱厚度，改善衬砌受力状态；(2)增设不同长度的锚杆，提高节理岩体整体性以达到控制围岩变形的目的。

4.1 改变仰拱厚度及其结果分析

针对隧道左右两侧边墙沉降不均匀、拱底存在应力集中的现象，本节探究不同仰拱深度(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m)下隧道底部沉降变化情况，以寻找最优仰拱结构形式，达到均衡衬砌应力分布、减少拱底不均匀沉降的目的。

不同仰拱深度下，拱底围岩竖向位移统计结果见表4。当仰拱深度为2.0 m时，拱底围岩竖向位移最小，为2.76 mm，较不含仰拱的开挖断面拱底围岩竖向位移减小21.10%；当仰拱深度为1.8 m时，开挖断面底部左右沉降差最小，为0.19 mm。分析数值结果发现，在仰拱深度为1.4 m时，应力降幅最大，最大程度改善了衬砌受力状态。

表4 不同仰拱深度下拱底围岩竖向位移 mm

4.2 增设不同长度锚杆及其结果分析

针对隧道左右两侧衬砌位移、应力分布不均匀的问题，本节以节理岩层厚度0.3 m为基准，分别模拟分析 1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0 m 长度的锚杆加固隧道二衬受力变形情况，寻找最优的锚杆长度。不同锚杆长度下二衬位移变化曲线见图7。

无锚杆支护时，二衬拱腰、拱脚、墙底的最大竖向位移分别为2.92 mm、1.25 mm、0.26 mm，最大水平位移为0.37 mm、1.46 mm、0.90 mm。由图7可知，在增设锚杆支护后，拱腰及拱脚两侧竖向位移减小0.1～0.2 mm，左右两侧位移差减小0.1 mm；当锚杆长度达到2.1 m时，衬砌竖向位移和水平位移不再变化，两侧水平位移基本一致。因此，长度为2.1 m(即7倍于节理岩层厚度)的锚杆支护效果最好，此时隧道两侧拱脚水平位移减少且两侧位移基本一致，有利于衬砌更合理地发挥其支护能力。

5 衬砌裂缝的治理

隧道衬砌出现裂隙是隧道工程常见病害，其治理成为隧道工程领域的热点难题[10-13]。要想彻底解决衬砌裂缝问题，不仅要做好地质勘察工作，对隧道所穿越地层的地质情况有全面详细的认识，还要针对不同裂缝成因采取合适的方法进行治理。预防衬砌开裂可采取增设仰拱法、锚喷加固法、锚固注浆法。当衬砌出现裂缝时，其治理应依据“以防为主，综合治理，防治结合，简单经济”的原则，具体可采用直接涂抹法、凿槽嵌补法、套衬补强法等方法进行修补，以求最大限度地减轻衬砌开裂所带来的潜在危害。

6 结束语

(1)含倾斜节理的岩层相较于无节理围岩，隧道开挖后断面各处位移明显增加，呈不对称分布，尤其表现在拱底与拱脚的不均匀沉降上，在节理倾角为55°时衬砌受力情况于施工最为不利。

(2)当增设仰拱时，深度2.0 m的仰拱衬砌拱底竖向位移最小，深度1.4 m的仰拱衬砌拱底左右沉降差基本消除，且衬砌两侧应力最小。

(3)当增设锚杆时，长度为2.1 m(7倍于节理岩层厚度)的锚杆支护效果最好，能有效均衡隧道拱底两侧水平位移。

(4)依据对衬砌已经产生裂缝产状的调查，提出采用直接涂抹法、凿槽嵌补法、套衬补强法进行处理。