陡倾软弱地层条件下隧道变形破坏机理及处治技术研究

高 飞

（山西长兴路桥工程有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

近年来，随着国家交通基础设施建设事业的不断发展，高速公路建设规模不断扩大，且公路网不断完善。在此形势下，高速公路逐步向崇山峻岭的复杂地质区迈进，不可避免地遇到陡倾软弱地层[1]。陡倾地层是地壳剧烈运动遗留下的地层产状，且伴随着软弱破碎带的产生。在此情况下，岩层结构属于板裂构造，其极易产生溃屈破坏和倾倒破坏而导致隧道围岩失稳。目前，学者们针对陡倾地层下隧道工程病害形成机理及相应施工对策开展了大量的研究工作。郭小龙[2]等人依托成兰铁路杨家坪隧道，利用室内试验及数值模拟手段研究了高地应力陡倾地层条件下隧道围岩强度及变形破坏机理。李磊[3]等人综合利用理论分析、数值模拟、现场试验等手段对陡倾地层条件下小净距隧道的变形机理进行深入研究，全面揭示了其变形影响因素、变形规律、支护结构力学特性等，并有针对性地提出中岩柱的保护及加固措施。要美芬[4]等人依托厦深铁路梁山隧道，针对高风化富水陡倾地层条件下隧道排水技术进行深入研究，优化隧道排水系统，并利用现场监测手段全面评价了排水效果。吴培荣[5]针对深埋富水陡倾软弱地层条件下隧道在施工中产生的突泥涌水、洞顶塌陷等地质灾害，提出水平旋喷桩的加固技术体系，并在实际工程中取得了良好的处治效果。然而，上述研究尚未全面揭示陡倾地层隧道变形破坏的机理，未形成系统全面的处治技术。

鉴于此，本文结合某陡倾软弱地层隧道，总结分析其工程特点，利用数值模拟手段研究其隧道破坏机理，有针对性地提出一系列处治技术，为类似工程施工提供技术支撑。

1 工程概况

某高速公路隧道为分离式两车道隧道，设计时速为80 km/h，其建筑限界净宽10.25 m，限高5 m，左右洞长度分别为1 355 m、1 345 m，隧道洞身最大埋深为85.5 m。隧址区处于剥蚀中山地貌区，其分布有数条断裂带，且隧址区地质条件复杂，围岩强度较弱，整体稳定性较差。根据隧道地质勘察资料，隧址区地层从上而下主要有：上至留统-白龙江群下部（S2+3bl1）和上至留统-白龙江群上部（S2+3bl2），其中白龙江群下部岩层主要为千枚岩、片岩、夹板岩构成，其呈片状结构，节理、裂隙及小型褶皱极为发育，风化程度较高，围岩强度极低，呈破碎状，属典型的软弱围岩，是隧道洞身的主要围岩条件；白龙江群上部为中厚层的灰岩、千枚岩、板岩，岩体破碎，属较硬岩，在隧道洞身段分布较少。该隧道掌子面围岩产状如图1所示。

图1 隧道掌子面围岩产状

该隧道右洞在施工至YK9+350时，掌子面产生了大变形，并逐步发展为小型塌方，具体表现为：隧道掌子面后方20 m处初期支护产生严重变形，其裂缝宽度达5 cm，呈明显剪切状裂缝，钢拱架扭曲变形严重。随后掌子面处产生塌方，塌方体体积约500 m3，塌方岩体极为破碎，其现场具体情况如图2、图3所示。

图2 隧道初期支护开裂、扭曲变形

图3 隧道掌子面产生塌方

2 施工力学特性分析

2.1 数值分析模型

为全面分析该隧道施工地质灾害发生的机理，本文选取典型隧道段，利用数值模拟手段建立三维分析模型，分析陡倾及软弱地层条件下隧道支护结构的应力应变特性。在本模型中，首先假设围岩为均质弹塑性体，其应力应变关系符合Drucker-Prager屈服准则，即隧道围岩达到塑性状态后，可利用塑形理论中的增量法进行解析。其次，由于隧道初期支护、衬砌材料与围岩材料相比具有较好的力学性能，可将支护结构材料视为弹性材料，具体情况见表1。

表1 模型材料的力学参数

为减小模型边界对计算结果的影响，计算区域的左右各取3倍隧道净宽，下部取2倍隧道净高，上部取实际地表情况。考虑到该隧道围岩中分布有一软弱夹层，其宽度为1.5～2 m，其产状与水平方向呈55°夹角，本模型采用实体单元构建该夹层，并赋予其物理力学参数，所建模型如图4所示。

图4 隧道数值分析模型图

2.2 数值计算结果分析

在隧道施工过程中，围岩与支护结构相互作用，围岩的物理力学性能直接反映在支护结构的力学特性上。而且，支护结构的应力应变规律直接决定了隧道的稳定性，也是工程师们最为关心的技术问题。因此，本文利用上述模型进行计算后，提取出隧道支护结构竖向位移及剪切应力分布云图，所得具体情况如图5、图6所示。

图5 支护结构竖向位移图

从图5中可以看出，在陡倾软弱地层影响下，隧道支护结构应变分布极不均衡，其拱顶及仰拱处产生较大位移，其中拱顶沉降最大值为0.018 55 m，而仰拱处产生向上位移，即存在底板隆起的趋势，其最大隆起量为0.019 65 m。可见，在该地质条件下隧道支护结构极易发生拱顶下沉、底板隆起等地质灾害，对隧道施工安全造成极为不利的影响。

图6 支护结构剪切应力图

从图6中可以看出，隧道支护结构拱顶、拱肩部位承受较大的剪切应力，其分布范围较大，其最大剪切应力为0.086 55 kN，最大剪切力发生在拱顶部位偏右侧处。对比模型中断层带的位置可以看出，最大剪切力发生的位置正好为断层带穿越隧道处。可见，在陡倾地层、断层带、软弱夹层的共同作用下，隧道应力分布极不均衡，拱顶部位产生较大剪应力，极易因剪切破坏而产生衬砌开裂、渗漏水、剥落等病害，对施工安全极为不利。

3 地质灾害形成机理分析

3.1 围岩各向异性

为准确分析围岩的各向异性，本文在隧道现场取样，配制了不同含水量（5%、10%、15%）的试样，并进行单轴抗压强度试验，主要包括平行层面、垂直层面的加载试验，所得抗压强度峰值如表2所示。

表2 试样抗压强度试验结果 MPa

从表2中可以看出，该隧道围岩各试样的垂直层面抗压强度均大于水平层面抗压强度，以水平层面抗压强度与垂直层面抗压强度比值作为各向异性评价指标，则试样1～试样3的各向异性值分别为0.75、0.69、0.61。可见，在含水量较低时，该隧道围岩表现出较强的各向异性，而随着含水量的增大，围岩各向异性减弱。同时，结合现场观察情况可知，隧道围岩呈现片状、薄层状，其节理裂隙发育明显；其在单轴抗压强度试验下表现出不同的破坏模式，在垂直层面加载状况下，围岩呈现单斜剪切破坏，而在平行层面加载状况下，围岩表现出明显的拉伸破坏。

3.2 软岩破坏机理

隧道开挖后，其围岩应力产生释放，导致隧道围岩应力重新分布，其主要表现为围岩压力分布不均衡，其边墙部位围岩压力往往低于拱顶部位围岩压力。在此压力差的作用下，软弱层状围岩极易产生层面拉伸、层面剪切、岩块剪切等三类破坏形式。对于该隧道具体情况而言，围岩以陡倾产状的千枚岩、板岩为主，岩层产状与隧道走向呈大角度交叉，在隧道开挖后围岩处于二维受力状态，使得隧道边墙承受较大的切向应力，导致围岩承受垂直于层面的拉应力，进而引发隧道围岩产生剪切破坏及拉伸破坏。

4 处治措施

针对该隧道支护结构施工变形特性及地质灾害形成机理，结合该隧道实际情况，考虑处治措施的现场操作及经济性，采取主动加固的处治原则，其具体措施主要从以下两方面进行。

4.1 围岩注浆加固

根据上述隧道地质灾害形成机理分析，可以看出在陡倾地层及软弱围岩共同作用下，隧道围岩整体稳定性较差。因此，在考虑各因素的基础上经综合分析，该隧道采用注浆加固方法对围岩进行全面加固，其注浆管采用Φ42×4 mm、长度为4.5 m的钢花管。根据现场实际情况，经多次试验后，确定采用1∶1水泥浆液，其注浆压力控制在0.8～1.0 MPa之间。注浆范围主要集中在两侧边墙及拱顶部位，其中边墙部位布设5排注浆管，其间距为0.5 m，呈梅花型布设，主要用于加固隧道两侧边墙处围岩，减弱软弱破碎围岩对隧道整体稳定性的影响。其次，隧道拱顶部位注浆管密度应适当加大，间距为0.35 m，主要用于加固隧道拱顶部位围岩，削弱陡倾产状围岩导致的隧道围岩应力分布不均的情况。注浆加固的现场具体情况如图7所示。

图7 隧道围岩注浆加固

4.2 增设工字钢

对于已发生变形破坏的隧道段，根据上述地质灾害形成机理分析可知，其主要受陡倾地层及软弱围岩的影响而使得隧道初支结构承受较大剪切力。因此，本文采用在原隧道初期支护外侧增设工字钢作为护拱的方法进行处治，其工字钢采用I20a型，纵向间距为0.5 m。在工字钢架设完成后，并在内侧焊接一层钢筋网片，其间距为20 cm×20 cm。在每榀工字钢拱脚部位打设2根锁脚锚杆，其长度为2.5 m，利用锁脚锚杆可将增设的工字钢与原有隧道初支结构紧密连接，使得二者达到协调变形的目的，其现场具体情况如图8所示。

图8 增设工字钢加固隧道结构

5 结论

a）在陡倾软弱地层影响下，隧道施工力学特性表现为：支护结构应变分布极不均衡，其拱顶及仰拱处产生较大位移，极易发生拱顶下沉、底板隆起等地质灾害；支护结构拱顶、拱肩部位承受较大的剪切应力，其分布范围较大。

b）该隧道地质灾害形成机理主要有两方面：一是围岩表现出较强的各向异性，其在单轴抗压强度试验下表现出不同的破坏模式；二是围岩压力分布不均衡，在压力差作用下，软弱层状围岩极易产生层面拉伸、层面剪切、岩块剪切等破坏形式。

c）结合该隧道支护结构施工变形特性及地质灾害形成机理，考虑处治措施的现场操作及经济性，采取围岩注浆加固及增设工字钢两种主动加固措施，可提高围岩整体稳定性，增强支护结构承载能力。