缓倾层状围岩高铁隧道施工变形特征及控制技术

张鹏ZHANG Peng

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

随着我国“西部大开发”战略及“一带一路”倡议的推进，西部地区逐渐成为高速公路、铁路建设的活跃区域[1]。我国西部地区的幅员辽阔，地质条件复杂多样，层状岩体工程建设也不断的增多，由于软弱节理面破裂导致的工程事故也日益凸显[2]。

隧道工程中遇到的层状岩体通常为缓倾岩层，岩层倾角通常在0～25°，根据岩体强度又可分为缓倾软岩和缓倾硬岩。缓倾岩层对工程的主要危害包括拱部易掉块、塌方，隧底易发生底鼓，而缓倾硬岩对工程的主要危害为施工中拱部易掉块。针对层状围岩隧道的研究方法通常包括数值模拟、模型试验及现场监测。林崇德[3]通过数值模拟和相似模型试验，并与实践相结合，对层状围岩巷道的破坏模式进行了研究，得出层状岩层在横向压力下发生了离层和弯曲破坏的结论。邵远扬[4]针对层状岩体隧道围岩变形特征和机理，提出层状岩体具有顺层滑移、弯曲折断、挤压外鼓和楔形体破坏4 种典型破坏模式。资晓鱼等[5]基于成兰铁路杨家坪隧道，建立宏观层理分布模型，对层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施展开了相关研究。张力等[6]依托WYQ1000-Ⅰ型地下工程综合试验模拟系统，对深部层状围岩巷道展开物理模型试验，研究了三种支护方式下巷道的变形破坏特征及围岩的应力演化规律。既有研究指出，层状岩体中的隧道设计需要尤其关注施工扰动对节理面的影响，隧道开挖后拱顶位置最容易受到破坏，层状围岩的多样性和复杂性使其在空间上的力学响应具有很高的不确定性。

本文依托中铁十二局集团承建的渝昆高铁格莱村隧道工程，针对隧道修建中遇到的缓倾岩层问题，展开有限元数值模拟分析和施工对策研究，对现场施工的展开具有指导意义。

1 工程概况

新建渝昆高铁格莱村隧道位于昆明市寻甸回族彝族自治县功山镇，起讫里程DK597+035～DK600+676，全长3641m，最大埋深为178m，最小埋深8.5m，为设计速度350km/h 的双线高速铁路隧道，是全线的重点控制工程。经现场增质测绘和钻探揭示，结合区域地质资料，隧址范围内主要地层岩性为第四系全新统坡残积层（Q4dl+el）粉质黏土、细角砾土，下伏二叠系上统玄武岩组（P2β），二叠系下统茅口组（P1m）、栖霞组（P1q）石灰岩。测区位处以沾益山字形构造体系卡竹反射弧构造带，由一系列向北突出的弧形压性冲断层和褶曲组成，这个弧形构造带宽达20km。在区内尚有新华夏构造体系之车乌～照福铺断褶带，由一系列北东向的压性冲断层和褶皱组成，并有张性断裂与其垂直，扭断裂与其斜交。

从地质背景资料可以得知，格莱村隧道洞身部分穿越层状围岩，岩层走向普遍为0～25°缓倾，岩性多为砂岩、泥岩及灰岩，故将针对其工程特点，利用有限元软件建模，开展缓倾岩层隧道变形机理及控制对策研究。

2 有限元数值模型

2.1 模型建立

以格莱村隧道某断面为研究对象，采用有限元软件建立地层模型分析不同岩层条件下隧道裸洞开挖岩体的承载特征。隧道埋深为60m，跨度和高度分别为14.56m 及12.11m，断面形状为仰拱和三心圆。为消除边界条件影响，考虑圣维南原理，模型边界取3～5 倍洞径，模型的纵向长度为1m，横向长度为150m，隧底距离下边界取60m。模型底部完全固定，前后左右边界分别施加法向约束，保证土体在纵向方向有应力而无位移，顶部为自由边界。

为研究节理面对隧道开挖后破坏特征的影响，使用界面模型模拟在土体中嵌入不同角度的0 厚度界面单元作为土体节理面，节理面的间距为2m，如图1 所示为不同节理面角度的土体模型。

图1 不同岩体数值模型图

围岩力学行为采用莫尔-库伦模型进行模拟，节理面采用库伦摩擦模型模拟，数值模型中的力学参数如表1 及表2 所示。采用混合网格生成器划分网格。定义初始地应力平衡阶段和开挖施工两个施工步骤，初始地应力场的侧压力系数设置为0.4，并清零初始阶段位移，采用钝化隧道范围内的土体及节理面单元实现开挖模拟。

表1 围岩参数

表2 节理面参数

2.2 数值模拟结果

分别获取隧道开挖后不同岩体条件下的数值模拟结果，分析节理面的破坏特征。

2.2.1 应力计算结果

提取隧道开挖后不同岩体条件下的洞周应力分布云图进行对比分析。结果如图2 所示。

图2 不同围岩Mises 应力云图

从Mises 应力分布云图可以看出，在均质围岩中，岩土体不存在节理面，因此Mises 应力呈现对称光滑分布，应力集中主要发生在隧道边墙位置。从节理岩体的计算结果可以看出，节理面的存在对应力重分布起到了阻碍作用，应力在穿越节理面时出现了非连续分布，应力集中更加受限于层状岩体内。当节理面角度为0°时，模型整体对称，因此应力呈左右对称分布，且与均质围岩工况应力分布较为接近，这是由于节理走向为0°时，节理面主要受到垂直方向压缩应力的影响，而拉伸和剪切应力并不明显。随着节理走向的角度增大，边墙位置的应力集中出现偏移，不再呈左右对称分布，当节理面走向为25°时，应力更加向节理面走向下行的一侧集中。因此，节理面对隧道施工稳定性的影响不可忽略。

2.2.2 变形计算结果

提取不同围岩条件下的总体位移分布云图及洞周围岩变形特征图结果如图3 所示，为了更加直观的反应变形特征，将洞周围岩统一放大1500 倍。

图3 总体位移云图及洞周变形特征

从图3 可以看出，节理面的存在对围岩的变形有着明显的影响，均质围岩工况时，洞周围岩的位移分布情况较为均匀，在拱顶、仰拱及边墙都存在着较大的变形。当节理走向为0°时，洞周围岩有明显的仰拱隆起和拱顶沉降现象，仰拱和拱顶的变形明显大于两侧边墙。随着节理走向的倾角增大，仰拱隆起和拱顶沉降的影响范围逐渐减小，围岩的变形逐渐呈现明显的顺层分布，围岩的变形主要集中在节理下行的一侧，当节理走向为25°时，可以明显看出，较大的变形集中在仰拱和左侧边墙，符合变形顺层分布的趋势。

3 控制措施分析

由数值模拟分析可知，节理面的存在对隧道开挖的围岩稳定性有着不可忽略的影响。围岩的变形总体趋势与变形程度与节理面的走向有着直接关系，因此在设计和施工中，需要对缓倾层状围岩隧道进行重点控制，尤其是隧道边墙及仰拱部位。

3.1 设计原则

确保缓倾围岩施工安全的措施通常包括加强钢架和超前支护。

隧道围岩缓倾地段加强设置钢架的具体参数如表3所示，其余特殊地段钢架设置按需加强。

表3 钢架措施参数

超前支护一般设置在IV、V 级围岩一般缓倾岩层。

对于缓倾岩层的仰拱隆起风险，可采取仰拱加深处理的措施，加深深度为45cm，具体参照相应工点的设计图纸。

在施工中，除了常规的监控量测外，应在缓倾软岩隧底隆起地段设置专项监测，重点关注仰拱的竖向位移。施工完成后，应重点对存在仰拱隆起风险的段落进行后续监测，测点每25m 设置，监测点的布置、监测频率应严格参照施工图纸，及时整理汇总并分析，如有异常应及时分析原因，妥善解决。

3.2 施工注意事项

3.2.1 地质预报及超前支护

施工中应加强掌子面的地质素描工作，及时了解前方岩体的节理产状，识别掉块风险。对于薄层和中厚层的缓倾岩层地段应做及时的超前支护加强措施，超前支护的打设角度、长度及注浆参数应严格参照设计参数。若拱部揭示较大的掉块风险，必要时应设置拱部超前支护。

3.2.2 施工稳定性保障措施

尽量减小隧道开挖的围岩扰动，保护围岩的自承载能力，做好掌子面光面爆破，炮眼残留率不宜小于80%，严格控制超欠挖，开挖后及时排查掉块风险。

加强初期支护的工序质量管理，掌子面开挖后及时施做初支喷砼，初喷封闭后及时架立处置钢架，钢架与喷砼紧贴密实，在钢架的保护下施做系统锚杆。隧道拱部锚杆打设角度尽量垂直于节理面，必要时边墙锚杆可调整至隧道拱部，加密拱部锚杆间距。

4 结语

针对渝昆高铁格莱村隧道缓倾岩层地段的施工稳定性控制难题，采用数值模拟的方法探究了缓倾围岩隧道的变形特征，确定了不同角度下缓倾岩层隧道容易发生应力集中及较大变形的区域。结合数值模拟结果，提出缓倾岩层隧道设计与施工的重点注意事项，包括拱墙及仰拱部位的加强支护和监控量测，施工中超前支护施做以及施工稳定性的控制要求，为类似的缓倾岩层隧道工程提供参考。