阮小勇，张 佳

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 611134）

引言

隧道工程在建设中难免会遇到顺层偏压问题，开挖过程中若遇倾斜岩层结构面之间发生顺层滑动，则会损害施工安全和结构安全。对于此类问题，已有许多学者做出过研究，田国伟[1]和刘天长[2]等人分别依托实际工程，对隧道顺层偏压区的控制措施、治理办法等做了较为详细的研究。刘远[3]基于监测数据的分析，发现顺层偏压段变形速率过快，通过数值模拟的方法，对开挖结构的参数进行了优化。杨晓辉[4]基于离散元数值模拟，提出非对称锚杆支护方案，有效的节约了钢筋等工程材料的用料。王路[5]针对软弱围岩顺层隧道，对洞口段加固以及施工管理体系做了相应的研究。掌握隧道在顺层偏压区发生破坏的原理、机制，以及相应的控制措施是很有必要的。

1 工程概况

施家山隧道洞身段围岩为砂岩加页岩和煤层，该段洞身地表测得岩层产状N25～70°W/45～55°SW，围岩岩层走向与线路呈7°～15°夹角，岩层倾向于线路左侧，岩层倾角在43°～55°之间，顺层偏压作用于隧道右侧。隧址区存在沟水和坡面流水等地表水系，流量受季节变化较大。

2 顺层偏压原理分析

围岩体在长期的地壳运动和地应力共同作用影响下，岩层之间会形成具有极低或没有抗拉强度的不连续面。隧道开挖时若遇到具有结构面的围岩地层，在隧道开挖后引起的应力重分布的作用下，围岩可能会因为结构面破坏的发生而发生掌子面变形、失稳，甚至导致隧道坍塌等灾害事故[6]。图1 为理论计算模型。针对圆形隧道，可以通过弹塑性理论[7]推导计算隧道在倾斜地层中开挖发生剪切破坏而产生的塑性区半径，如式1 所示。

图1 理论计算模型

塑性区起始角β1如式（2）所示：

最大剪裂塑性区半径rpmax如式（3）所示：

最大剪裂塑性区半径对应的角度β2如式（4）所示：

式(1)～(4)中：c- 岩层间粘聚力（MPa）；φ- 围岩内摩擦角（°）；cj-岩层间粘聚力（MPa）；φj-岩层间内摩擦角（°）；p0-初始地应力（MPa）；ra-圆形隧道半径（m）；rp-塑性区破坏半径（m）；rpmax-塑性区破坏最大半径（m）；β-节理与岩体径向线的夹角（°）；β1- 塑性区范围起始角（°）；β2-最大半径相对应角度（°）。

当粘聚力cj=0 时，通过式（1）～（4），可绘出破坏塑性区破坏分布示意图，如图2 所示。

图2 塑性区分布示意

3 倾斜岩层变形机理数值模拟

本研究基于Midas gts nx 针对施家山隧道右侧顺层偏压段的地质特征，进行开挖倾斜岩层变形机理的数值模拟。模型整体尺寸为100 m×120 m，本次数值模拟关注顺层岩层倾角、岩层厚度、层间粘聚力对开挖变形受力的影响，只研究毛洞开挖，不涉及支护结构，共设置6 组工况，工况1 为无倾斜岩层，2 与6 分别都为1 m 厚岩层倾角40°，粘聚力前者取100 MPa，后者取200 MPa，工况3～5 分别为40°、50°、60°倾角下的2 m 厚岩层。

模型采用二维平面应变模型进行分析，地层采用Mohr-Coulomb 单元，为模拟倾斜岩层层间的各向异性，在每一层岩体间均设置界面。根据设计资料确定围岩和界面的材料取值参数，详见表1。

表1 围岩及界面计算参数

3.1 不同岩层属性对初始地应力的影响

研究对比不同工况的初始地应力场云图（见图3），在没有倾斜岩层存在时，地应力的分布呈现连续且均匀的分布，同一埋深处的应力相同。而随着倾斜岩层的出现，地应力呈现层间的不连续性，对比工况3～5 可知随着倾斜岩层倾角的增大，这种不连续性越明显，且随着厚度的减小，不连续性越明显。由于此时还未进行开挖，岩层间不发生结构面的滑移，所以对比工况3 与6，层间粘聚力对初始地应力场的影响不明显。

图3 不同工况初始地应力场云图

3.2 不同岩层倾角及厚度对变形应力的影响

整合6 个工况在开挖过程中的变形受力数据，包括拱顶沉降及仰拱隆起、左右边墙变形、最大主应力及最小主应力。分析变形受力与岩层倾角和厚度之间的影响规律，如表2 所示。

表2 开挖后变形受力随不同岩层倾角的规律

为了更好的呈现规律变化的趋势，在每一组监测数据中，以最大值为参考，其它数据关于最大值的比值做比较，绘制影响规律变化趋势如图4、图5 所示。

图4 变形受力随岩层倾角的规律

图5 变形受力随岩层层厚的规律

倾斜岩层的存在为岩层滑动创造了条件。角度越大，滑动的趋势越大。倾斜岩层的存在显着增加拱顶的沉降，倾斜岩层越缓、沉降越小，但层厚越小、变形越大，另外层间的抗滑能力，即层间粘聚力降低也会使沉降变大。左右侧壁的不对称变形是倾斜岩层存在的一大特征，倾斜地层的侧壁受岩层的影响强烈，岩层越陡、变形越大，而厚度减小不会对左右侧壁的不均匀变形分布造成影响, 但会使水平收敛变形显著增大。

倾斜岩层的存在会显著的增大最大及最小主应力，并且主应力随着岩层倾角的增大而明显正相关，较小的岩层厚度将会产生较大的主应力。

4 隧道顺层偏压段控制措施

图6 为预留核心土法示意图。

图6 预留核心土法示意

顺层偏压段采用循环开挖和预留核心土的方法，具体施工过程及施工顺序：依次上环形导坑开挖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ→施作上环形导坑初期支护①→边墙交错开挖V、VI→边墙初期支护②、③→核心土开挖IV→跳槽开挖下断面Ⅵ→仰拱施工④→仰拱回填施工⑤→二次衬砌施工⑥。

5 结论

本研究针对施家山隧道面对的长段顺层偏压问题，在破坏原理、岩层属性、相关控制措施上进行了研究，得到结论如下：

（1） 顺层偏压区围岩体的破坏受开挖和地应力共同作用影响。

（2） 倾斜岩层的存在显着增加拱顶的沉降，倾斜岩层越缓、沉降越小，但层厚越小、变形越大。左右侧壁的不对称变形是倾斜岩层存在的一大特征，倾斜地层的侧壁受岩层的影响强烈。

（3） 主应力随着岩层倾角的增大而明显正相关，较小的岩层厚度将会产生较大的主应力。