摘要： 針對(duì)陡傾巖層的隧洞巖層可能會(huì)發(fā)生滑移等破壞， 并產(chǎn)生大量的松動(dòng)壓力， 導(dǎo)致圍巖掉塊或坍塌的情況，結(jié)合新疆某水利隧洞工程， 通過理論分析研究陡傾巖層隧洞變形機(jī)理， 結(jié)合數(shù)值模擬探討巖層不同傾角對(duì)圍巖變形和塑性區(qū)體積造成的影響， 研究結(jié)果表明， 巖層傾角幾乎與最大變形方向垂直， 這表示隧洞的垂直變形受到巖層傾角的嚴(yán)重影響; 而巖層的傾角對(duì)隧洞的平行變形影響較?。?隨著巖層傾角的不斷增大， 圍巖塑性區(qū)主要以剪切破壞為主， 抗拉破壞影響很小， 該研究成果可為隧洞類似工程案例提供參考．

關(guān)鍵詞： 陡傾巖層; 隧洞變形; 數(shù)值模擬; 影響研究

中圖分類號(hào)： U ４ ５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Deformation Influence of Tunnels in Steep Rock Strata

LI Peng

（Sinohydro Bureau 6 Co.，Ltd.， Shenyang 110170，China）

Abstract：In response to the possibility of sliding and other damage to tunnel rock layers in steeply inclined rock layers， as well as the generation of a large amount of loosening pressure， leading to the falling or collapse of surrounding rocks， combined with a water conservancy tunnel project in Xinjiang， the deformation mechanism of steeply inclined rock layer tunnels is studied through theoretical analysis， and the influence of different rock dip angles on surrounding rock deformation and plastic zone volume is explored through numerical simulation.The research results show that the rock dip angle is almost perpendicular to the maximum deformation direction， which indicates that the vertical deformation of the tunnel is not only severely affected by the inclination angle of the rock layers， but also in a relatively large area affected， the inclination angle of the rock layer has a relatively small impact on the parallel deformation of the tunnel， and the range of influence is relatively small. As the dip angle of the rock layer continues to increase， the plastic zone of the surrounding rock is mainly dominated by shear failure， and the impact of tensile failure is minimal. This research result can provide reference for similar engineering cases in tunnels.

Key words： steep dipping rock layer; tunnel deformation; numerical simulation; impact re-search

0 引言

陡傾巖層的定義一直以來沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)．通常情況下， 根據(jù)巖層面與水平面的夾角進(jìn)行劃分， 可以將巖層分為水平、 傾斜和垂直３類． 一些學(xué)者則將傾斜巖層單獨(dú)研究， 并進(jìn)一步細(xì)分為緩傾巖層、 陡傾巖層和陡立巖層． 判斷的主要依據(jù)是夾角， 緩傾巖層的夾角小于２ ０ ° ， 陡立巖層的夾角在７ ０ ° 以上， 夾角介于緩傾巖層和陡立巖層之間的則稱為陡傾巖層[ １]． 在開挖陡傾巖層中的隧洞時(shí)， 圍巖和結(jié)構(gòu)所承受的力與非陡傾巖體隧洞有很大的不同． 陡傾巖層可能會(huì)出現(xiàn)滑移等破壞， 并產(chǎn)生大量的松動(dòng)壓力， 導(dǎo)致圍巖發(fā)生掉塊或坍塌[ ２]．

在國內(nèi)， 陡傾巖層對(duì)隧洞（ 隧道） 變形機(jī)理的影響受到了廣大學(xué)者的關(guān)注． 以四川省某陡傾千枚巖隧洞為例， 張寧等[ ３]通過現(xiàn)場監(jiān)測、 數(shù)值模擬等方法分析了該隧道初期支護(hù)的變形規(guī)律和力學(xué)機(jī)制， 確定了第二層鋼架的合理支護(hù)時(shí)機(jī)． 彭濤等[ ４]對(duì)重慶某高速公路隧道工程進(jìn)行了研究， 詳細(xì)分析了地層傾角、 巖層厚度、 巖性和界面參數(shù)等因素． 代坤[ ５]通過數(shù)值模擬和施工試驗(yàn)段的監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)分析， 確定了近距離超大斷面隧洞在地質(zhì)偏壓狀態(tài)下的合理凈距． 劉強(qiáng)等[ ６]對(duì)重慶地區(qū)典型的陡傾巖層邊坡實(shí)例進(jìn)行分析， 根據(jù)邊坡的工程特征進(jìn)行分類， 以研究其穩(wěn)定性影響因素， 并揭示其破壞模式． 劉建偉等[ ７]對(duì)陡傾巖層下地下洞室開挖的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性分析， 確定了隧洞合理的支護(hù)參數(shù)和施工步驟． 根據(jù)分析結(jié)果， 建議左、 右洞的一次拆撐長度分別不超過６m和９m．李磊等[ ８]提出相應(yīng)的大變形控制技術(shù)， 通過理論分析等方法研究了影響隧洞大變形的因素、 圍巖變形規(guī)律以及支護(hù)受力特征． 他們發(fā)現(xiàn)， 高構(gòu)造應(yīng)力等多個(gè)因素的耦合作用導(dǎo)致了該隧洞的大變形．

本文依托某隧洞陡傾巖層區(qū)段施工工程， 結(jié)合巖層不同傾角對(duì)圍巖位移、 塑性區(qū)體積展開研究， 探討不同巖層傾角對(duì)隧洞變形機(jī)理的影響， 可為類似陡傾巖層下隧洞變形提供參考．

1 工程概述

1.1 工程簡介

新疆某水利隧洞為無壓洞， 總長９ ２． ３ ５k m，縱坡１ / ５０ ０ ０， 隧洞最大埋深２ ９ ５m， 隧洞前部圍巖條件較好， 隧洞進(jìn)口及１＃支洞洞段均采用鉆爆法施工．

水利隧洞進(jìn)口鉆爆法施工段里程為S D ０＋０ ０ ０～S D ０＋４ ０ ０， 該段洞長０． ４k m， 沿線地形平緩， 洞頂上覆巖體厚１ ４～８ ０m．

1.2 工程地質(zhì)條件

１． ２． １ 地形地貌

本標(biāo)段地處低山區(qū)內(nèi)， 基巖基本裸露， 沿線地面海拔高程最高處為１０ ０ ０m， 最低７ ７ ５m， 地形起伏不是很大， 局部最大高差達(dá)５ ５m， 平均相對(duì)高差為２ ５m， 總地勢呈東高西低． 本標(biāo)段隧洞近東西向（ 方位角８ ９． ２ ° ） 直線布置， 隧洞埋深范圍在６ ５m～３ ０ ０m．

１． ２． ２ 地層巖性

１． ２． ２ 按照地面地質(zhì)測繪和沿線鉆孔分析， 本標(biāo)段隧洞依次經(jīng)過石炭系（ C） 、 泥盆系（ D） 以及華力西期三大地層． 石炭系地層（ C） 主要分布在隧洞的兩端， 總長達(dá) ７． ６ ９k m， 占該標(biāo)段隧洞全長的２ ３.４％．

１． ２． ３ 地質(zhì)構(gòu)造

隧洞穿越的大斷裂層（ F １ ４） 從樁號(hào)S D ２ １＋３ ２ １附近斜穿而過， F １ ４斷層破碎帶及其附近洞段采取鉆爆法施工． 斷層為壓性或壓扭性斷層， 延伸長度大于１k m， 產(chǎn)狀３ １ ０ ° ～３ ５ ０ ° SW∠６ ９ ° ～８ ５ °或３ ０ ０ ° ～３ ５ ４ ° NE∠７ ５ ° ～８ ２ ° ， 破碎帶寬在１ ０～４ ０m， 以碎裂巖和斷層角礫巖為主． 另據(jù)沿線鉆孔揭露， 本標(biāo)段還零星發(fā)育破碎帶寬１～４m 的小型斷層和一系列節(jié)理裂隙．

．本論文研究的隧洞進(jìn)口段洞全長０． ７ １k m，沿線地形比較平緩， 洞頂上覆巖體厚度范圍在１ ４～５ ６m， 巖性為中石炭統(tǒng)（ C b） 安山巖夾凝灰質(zhì)砂巖， 巖體多呈塊狀， 巖石性脆， 屬中硬～堅(jiān)硬巖， 節(jié)理裂紋較發(fā)育， 巖石中石英含量一般在１％～５％． 另在隧洞進(jìn)口（ 樁號(hào)S D ０＋０ ０ ０） 發(fā)育一破碎帶寬３～５m 的小斷層， 斷層產(chǎn)狀５ ０ °～６ ０ ° NW/４ ０ ° ～４ ５ ° ， 破碎帶以碎裂巖和斷層角礫巖為主， 對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行勘測發(fā)現(xiàn)， 隧洞中段和斷層幾乎平行， 有較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力． 地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 圍巖非常松散、 破碎． 巖層方向與直線的夾角不超過１ ０ ° ， 巖層傾斜角范圍在６ ５ °～８ ５ ° ． 部分地區(qū)巖層受構(gòu)造因素扭曲嚴(yán)重， 傾斜角度小于５ ０ ° ; 此外， 地層中還含有一些弱夾層． 該隧洞主要處于弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖體內(nèi)， 洞身局部可能會(huì)出現(xiàn)滲水、 滴水現(xiàn)象， 初步估算該隧洞段總涌水量約４ ５m３． 該段為Ⅲ、 Ⅳ類圍巖． 其中Ⅲ類圍巖長約０ . ３ ８ ９km， 占該洞段的５ ４． ８ ２％， Ⅳ類圍巖長約０ . ３ ２ １k m， 占該洞段的４ ５． １ ８％． 建議隧洞采用普通水泥噴護(hù)襯砌．

在隧洞施工過程中， 軟巖受壓變形較大， 具體表現(xiàn)為： ①隧洞拱頂初支出現(xiàn)縱向裂縫， 向后延伸約３ ０m; ②左側(cè)墻面出現(xiàn)橫向小裂縫， 寬度約２mm; ③仰拱發(fā)生嚴(yán)重裂縫， 主裂縫位于仰拱中部， 與隧洞軸線平行， 并向兩側(cè)延伸數(shù)十米， 最大寬度達(dá)３c m． 此外， I V級(jí)圍巖部分初始支撐鋼拱架也遭到嚴(yán)重破壞， 具體情況如圖１所示．

2 陡傾巖層隧洞變形機(jī)理

2.1 變形模式

陡傾巖層隧洞圍巖破壞變形除了具有一般隧洞圍巖變形破壞的特征外， 還由于圍巖之間存在結(jié)構(gòu)面或夾層， 使得圍巖體的變形破壞模式更加復(fù)雜． 而圍巖發(fā)生變形破壞不僅受到巖層傾角、 強(qiáng)度等因素影響， 同時(shí)也受到隧洞開挖的跨度、 形狀和走向等影響． 因此陡傾巖層隧洞的變形模式分為兩類： 一類是順層滑移破壞， 另一類是彎曲破壞．

順層滑移破壞是指在陡傾巖層隧洞中， 由于開挖臨空面與層面、 節(jié)理等切割作用， 導(dǎo)致不穩(wěn)定塊體的產(chǎn)生． 受到自重作用的影響， 剪切滑移或掉塊破壞會(huì)在結(jié)構(gòu)面上呈現(xiàn)． 順層滑移破壞形式主要包括兩種， 首先是巖體在層面上發(fā)生剪切破壞其次是由層面和其他不利結(jié)構(gòu)面組合而成的巖體沿層面表面向隧洞洞室滑動(dòng)． 尤其是在隧洞頂拱部位， 巖體順層滑移后的損傷程度最為顯著．

隧洞挖掘后， 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)彎曲的空間面， 在圍巖受到二次應(yīng)力持續(xù)循環(huán)作用下， 導(dǎo)致陡傾巖層靠近開挖面的一側(cè)出現(xiàn)受拉． 由于巖體的抗拉強(qiáng)度通常會(huì)遠(yuǎn)小于圍巖抗壓強(qiáng)度， 當(dāng)圍巖承受外界荷載遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)， 就會(huì)發(fā)生彎曲破壞． 而彎曲破壞的產(chǎn)生原因主要有兩種， 即隧洞開挖卸荷后巖層回彈引起的破壞和開挖巖層處應(yīng)力集中

引起的破壞． 卸荷回彈造成的破壞主要發(fā)生在高地應(yīng)力的巖體內(nèi)， 如隧洞埋深較大或水平應(yīng)力較大． 隧洞挖掘后， 當(dāng)薄狀巖層與初始應(yīng)力垂直時(shí)，巖層會(huì)因回彈壓力發(fā)生彎曲等變形破壞， 并最終導(dǎo)致隧洞崩塌． 由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的變形破壞主要發(fā)生在隧洞墻腳等拐角較大處或與巖體內(nèi)最大初始主應(yīng)力平行的洞壁， 當(dāng)切向壓力超過層狀巖體的強(qiáng)度極限時(shí)， 圍巖會(huì)發(fā)生彎曲和內(nèi)部破壞．

2.2 變形機(jī)理

鑒于陡傾圍巖層的薄層狀特點(diǎn)， 圍巖在不同角度下的變形存在差異， 并呈現(xiàn)出各向異性． 本研究主要從隧洞開挖后圍巖的位移和塑性區(qū)域的體積兩個(gè)角度分析層狀圍巖的變形機(jī)理， 并研究在不同巖層傾角下隧洞開挖的變形特征．

（ １） 應(yīng)力狀況分析

首先， 采用卡斯特納方程對(duì)隧洞開挖后的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析． 隧洞開挖范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力與初始地應(yīng)力緊密相關(guān)， 但是與隧洞開挖范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力無關(guān)， 也不受角度影響， 所以不存在方向性差異． 然而， 該觀點(diǎn)無法解釋陡傾巖層圍巖隧洞開挖引起的方向差異． 因此， 在陡傾巖層中， 結(jié)構(gòu)變形是影響隧洞開挖變形的主要因素， 對(duì)于結(jié)構(gòu)變形的分析只需考慮彈性應(yīng)力狀態(tài)．

通過側(cè)壓力系數(shù)為２的試驗(yàn)結(jié)果， 得到隧洞拱頂和邊墻處的徑向應(yīng)力及切向應(yīng)力分布情況如圖２所示． 從圖中可以看出， 隧洞開挖后邊墻處的淺層圍巖切向應(yīng)力較大， 而徑向應(yīng)力較小． 隨著圍巖與洞壁的距離增加， 切向應(yīng)力逐漸減小， 而徑向應(yīng)力則逐漸增大． 特別是在拱頂位置， 切向應(yīng)力的增加非常顯著， 而徑向應(yīng)力則從最初的０逐漸增長， 最終達(dá)到初始豎向應(yīng)力的大?。?/p>

（ ２） 圍巖各向異性分析

巖石變形破壞可分為剪切和拉力兩種機(jī)制．就剪切破壞而言， 其中包含塑性流動(dòng)（ 如圖３所示） ， 能夠?qū)r石的破壞形式分為 X形共軛邊坡剪切破壞和單一邊坡剪切破壞兩種類型． 這些失效模式是由失效表面上的剪切應(yīng)力超過極限強(qiáng)度引起的． 就拉破壞而言， 當(dāng)巖石受到軸向壓力時(shí)，當(dāng)橫向拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞．

2.3 變形規(guī)律

隧洞開挖后， 對(duì)圍巖層應(yīng)力狀態(tài)及變形特征分析表明， 巖層垂直方向圍巖層受力狀況最為不利， 主要原因是切向力和徑向力相互間的差異造成巖層中的應(yīng)力不相等． 在隧洞與巖層的切點(diǎn)處結(jié)構(gòu)面的端部受到壓縮變形， 而薄層的端部則受到壓縮并向自由面彎曲， 這種張力情況將造成巖石周圍隧洞的收斂變形． 當(dāng)相同材料發(fā)生變形時(shí)結(jié)構(gòu)變形引起的層狀巖體隧洞開挖變形表現(xiàn)出各向異性． 其中， 垂直巖層變形最為顯著， 而平行巖層變形相對(duì)較小．

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算參數(shù)及模型

通過使用有限差分軟件F LAC ３ D對(duì)隧洞進(jìn)行建模、 分析和計(jì)算． 根據(jù)隧洞的埋深、 開挖跨度以及施工工序等因素建立三維數(shù)值模型． 由圣維南原理可知， 為了消除邊界效應(yīng)對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的影響模型邊界遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于５倍開挖直徑， 模型長度為２ ０ ０m， 高度為３ ２ ４m， 隧洞埋深為８ ０m， 隧洞斷面尺寸為７． １m×７． １ ５m， 模型如圖４所示．模型的力學(xué)邊界采用位移邊界條件， 其中左右邊界面的水平位移被固定， 前、 后邊界面的法向位移被固定， 底部邊界則固定了豎向位移． 初始應(yīng)力場通過應(yīng)力初始化并求解平衡得到． 鑒于隧洞圍巖的分層結(jié)構(gòu)， 采用F L A C ３ D中的U b i q u i t o u s Ｇ j o i n t模型進(jìn)行建模． 為了初支和二襯， 本文使用了實(shí)體單元和彈性模型． 側(cè)壓力系數(shù)被假定為１． ５， 具體計(jì)算參數(shù)如表１所列．

隧洞初期支護(hù)采用C ３ ０噴射混凝土， 襯砌采用C ３ ５鋼筋模筑混凝土， 具體的隧洞結(jié)構(gòu)參數(shù)見表２所列．

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為了計(jì)算圍巖整體變形， 采用了不同巖層傾角α進(jìn)行分析． 這里選擇α為４ ０ ° 、 ５ ０ ° 、 ６ ０ ° 和７ ０ °４種工況． 圍巖整體變形的情況如圖５所示．由圖５可知在α＝４ ０ °時(shí)， 單側(cè)的最大位移為８ ６mm; 在α＝５ ０ ° 時(shí)， 單側(cè)的最大位移為８ ７mm;在α＝６ ０ °時(shí)， 單側(cè)的最大位移為８ ７mm; 在α＝７ ０ ° 時(shí)， 單側(cè)的最大位移為８ ８mm． 根據(jù)圖５可得，巖層傾角與隧洞垂直方向的變形嚴(yán)重且范圍廣，而與隧洞平行方向的變形較輕且范圍?。?/p>

根據(jù)塑性區(qū)云圖顯示結(jié)果得到圍巖的塑性區(qū)

由圖６可以觀察到， 剪切和受拉破壞區(qū)域呈現(xiàn)出一定的方向性， 這些區(qū)域主要出現(xiàn)在垂直巖層的方向上． 觀察隧洞周圍細(xì)微變形發(fā)現(xiàn)， 隨著巖層傾角的增加， 圍巖的塑性區(qū)域破壞程度也逐漸增加． 因此， 在掌握層狀圍巖變形狀況的基礎(chǔ)上選取適當(dāng)?shù)耐诰蚱拭孀呦蝻@得極為關(guān)鍵．

通過對(duì)圍巖塑性區(qū)體積提取， 得到不同巖層傾角下圍巖塑性區(qū)體積大小， 具體數(shù)值如表３所列．

根據(jù)上表塑性區(qū)體積可以看出： ①當(dāng)傾角大小為４ ０ ° ～５ ０ ° 時(shí)， 塑性區(qū)體積最大， 隨著傾角的不斷增大， 塑性區(qū)體積呈現(xiàn)先大后小再增大的趨勢;②圍巖塑性變形主要以剪切破壞為主， 抗拉破壞造成的塑性區(qū)體積很小; ③抗拉破壞區(qū)隨著巖層傾角的增大在不斷減小． 在４ ０ ° ～６ ０ ° 變化很小， 大于６ ０ ° 時(shí)， 急劇減小， 說明傾角為６ ０ ° 時(shí)， 可認(rèn)為是抗拉破壞臨界角度．

4 結(jié)語

本文依托某隧洞陡傾巖層區(qū)段施工工程， 結(jié)合巖層不同傾角對(duì)圍巖位移、 塑性區(qū)體積進(jìn)行分析， 得到以下結(jié)論．

（ １） 在給定條件下， 隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大， 隧洞周圍的應(yīng)力分布非對(duì)稱性逐漸增強(qiáng)， 導(dǎo)致破壞模式的非對(duì)稱性也增加， 同時(shí)圍巖位移不斷增大．

（ ２） 從隧洞開挖后圍巖變形特征分析可得知，層狀圍巖的最大變形發(fā)生在垂直巖層傾角的一側(cè)， 同時(shí)拱底和拱頂?shù)淖冃纬尸F(xiàn)出一定的趨勢．

（ ３） 隨著巖層傾角的不斷增大， 圍巖塑性區(qū)主要以剪切破壞為主， 抗拉破壞影響很小， 幾乎可以忽略．

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