不同傾角節理隧道襯砌受力特性研究及應對措施

路 輝

(1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300；2.中鐵建重慶投資集團有限公司 重慶 400700)

1 引言

我國的隧道建設面臨日益復雜的工程難題，如高應力、斷層破碎帶、節理巖體以及圍巖大變形等。如何保障隧道安全快速地貫通并維護隧道運營期內的穩定已成為當前隧道工程亟待解決的重點問題[1-2]。我國大體量隧道工程建設不可避免會穿越富含傾斜節理的巖層，該類破碎巖土體中往往存在著諸多貫通或非貫通結構面，將巖體分割為不連續的非均質體，使巖體強度降低、變形增大，更易發生開裂、滑移和相對運動[3]。倘若未及時采用相應加固措施，極易引發隧道塌方、襯砌開裂等工程災害，嚴重威脅交通運輸安全。

襯砌作為保護圍巖穩定性的永久性支護結構，其重要性不言而喻。隧道在運營期內襯砌縱、斜向裂縫發育，滲漏水嚴重[4]，或是因穿越高地應力大變形巖層、圍巖應力不均而導致二次襯砌出現變形、破損甚至開裂滲水[5-6]，嚴重拖慢施工進程。劉金松[7]調查發現傾斜層狀節理的偏壓影響加上巖層沿節理面下滑的擠壓作用是導致襯砌產生裂紋的一大原因；張郁[8]通過理論分析、數值模擬等方法，從圍巖種類、隧道埋深、地下水分布、地層偏壓等角度著手，發現隧道埋深差距是導致偏壓產生的直接原因，密集節理是使偏壓效應增大的原因之一?？梢娫趦A斜節理巖層中，隧道襯砌開裂非常普遍。因此，不同傾角傾斜節理對圍巖和襯砌的影響值得深入研究。

本研究依托紹興市杭紹臺高速鐵路林盤山隧道工程，考慮傾斜節理巖層傾角的變化，采用Midas GTS/NX對不同節理傾角下的隧道圍巖、襯砌變形演化規律進行模擬與分析，總結隧道圍巖與襯砌的受力特征；同時，結合分析結果和現場實際條件，對隧道綜合施工措施進行優化，以期有效防止節理地層中隧道圍巖的大變形和襯砌開裂。

2 工程背景

2.1 工程地質

林盤山隧道工程位于浙江省紹興嵊州市。隧道全長8.61 km，最大埋深約444 m，為單洞雙線隧道，洞跨14.1 m，洞高10.4 m，截面面積113 m2，屬大斷面暗挖隧道。隧道位置及1＃斜井概況見圖1，隧址區地質剖面見圖2。

2.2 問題段隧道概況

本研究以林盤山隧道1＃斜井區段(DK58＋000～DK62＋000)為背景。該區段隧道圍巖為Ⅱ級凝灰巖，隧道采用曲墻帶底板的多心圓復合式襯砌，開挖方法為全斷面爆破法。

3 襯砌開裂影響因素數值分析

采用Midas GTS/NX針對不同節理傾角下的隧道圍巖與襯砌結構穩定性進行數值模擬分析[9]。

3.1 模型參數

根據地勘報告及室內試驗結果得到隧道節理圍巖體和非節理圍巖體力學參數以及支護結構材料參數，見表1。

表1 圍巖力學及支護結構材料參數

3.2 數值模型

基于林盤山隧道工程巖土勘察報告和相關規范，建立尺寸為120×80 m的二維巖土模型，如圖3所示。隧道襯砌結構采取直墻拱形簡化模型，巖土本構選用Mohr-Coulomb模型；節理厚0.3 m，傾角為55°，以10°為間隔建立15°～75°的傾斜節理巖層模型和無節理巖層模型。隧道施工工序為:隧道開挖→初期支護施作→二次襯砌施作。

3.3 數值結果分析

3.3.1 圍巖位移結果分析

8種不同節理傾角下圍巖在隧道開挖后的水平及豎向位移見圖4。

(1)隧道開挖后，無節理條件下各處水平位移幾乎為0，符合Ⅱ級圍巖條件良好特征；當含傾斜節理時，各處的水平及豎向位移均有所增長，且水平位移增長更甚，可見傾斜節理會影響隧道的穩定性。

(2)對比隧道左右兩側拱腰的水平位移，在節理傾角為15°～35°時，左側拱腰水平位移大于右側拱腰，且均逐漸增大；當節理傾角在45°～75°時，右側拱腰水平位移大于左側；二者最大差值在節理傾角為45°時，相差0.5 mm；隨節理傾角增大，兩側拱腰水平位移值有所降低，總體上右側大于左側。

(3)對比隧道左右兩側拱腳水平位移情況，在節理傾斜角度為15°～55°時，左側拱腳水平位移大于右側；節理傾角為55°時，拱腳的水平位移最大，且兩側差值也最大，為1.0 mm；在節理傾角為65°～75°時，右側拱腳的水平位移大于左側。

(4)相較于無節理圍巖，含傾斜節理的圍巖墻底豎向位移顯著增大，但左右兩側的位移差值不大；在節理傾角為55°時，左右墻底水平位移差值最大，為0.7 mm；含傾斜節理的圍巖拱頂、拱底的位移相較于無節理增大了1.4 mm，但各角度下拱頂、拱底位移基本一致，說明節理傾角的大小對圍巖位移基本無影響。

3.3.2 初支內力結果分析

圖5為無節理及節理傾角為25°圍巖條件下的初支受力云圖。不同傾角節理圍巖條件下初支內力最值統計結果見表2。

表2 不同傾角節理圍巖條件下初支內力最值

(1)當圍巖不含節理時，初支剪力及彎矩圖呈對稱分布，最大剪力值出現在拱腳處，為169 kN，最大彎矩值則出現在拱腰處，為12.6 kN·m。

(2)當圍巖中含傾斜節理時，初支剪力和彎矩明顯減小，剪力與彎矩均呈不對稱分布，左側受力明顯大于右側，呈現偏壓特征。

3.3.3 二襯應力結果分析

圖6為無節理及節理傾角為15°、55°圍巖條件下的二襯應力云圖，不同節理傾角下二襯應力統計結果見表3。

表3 二襯應力統計 kN/m2

(1)含有傾斜節理圍巖相較于無節理圍巖，襯砌各部位的應力峰值均有所下降，節理傾角為15°時，拱腳兩側應力差最大，為9.32 kN/m2。

(2)節理傾角為35°時，拱腳兩側應力差最大，為3.11 kN/m2，在左右拱底處有部分應力集中現象。

4 襯砌開裂控制效果分析

由3.3節可知，節理層厚0.3 m時，傾角為55°的巖層中隧道襯砌受力情況最為不利。本章對此開展隧道襯砌開裂病變控制措施數值分析，措施包括:(1)改變仰拱厚度，改善襯砌受力狀態；(2)增設不同長度的錨桿，提高節理巖體整體性以達到控制圍巖變形的目的。

4.1 改變仰拱厚度及其結果分析

針對隧道左右兩側邊墻沉降不均勻、拱底存在應力集中的現象，本節探究不同仰拱深度(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m)下隧道底部沉降變化情況，以尋找最優仰拱結構形式，達到均衡襯砌應力分布、減少拱底不均勻沉降的目的。

不同仰拱深度下，拱底圍巖豎向位移統計結果見表4。當仰拱深度為2.0 m時，拱底圍巖豎向位移最小，為2.76 mm，較不含仰拱的開挖斷面拱底圍巖豎向位移減小21.10%；當仰拱深度為1.8 m時，開挖斷面底部左右沉降差最小，為0.19 mm。分析數值結果發現，在仰拱深度為1.4 m時，應力降幅最大，最大程度改善了襯砌受力狀態。

表4 不同仰拱深度下拱底圍巖豎向位移 mm

4.2 增設不同長度錨桿及其結果分析

針對隧道左右兩側襯砌位移、應力分布不均勻的問題，本節以節理巖層厚度0.3 m為基準，分別模擬分析 1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0 m 長度的錨桿加固隧道二襯受力變形情況，尋找最優的錨桿長度。不同錨桿長度下二襯位移變化曲線見圖7。

無錨桿支護時，二襯拱腰、拱腳、墻底的最大豎向位移分別為2.92 mm、1.25 mm、0.26 mm，最大水平位移為0.37 mm、1.46 mm、0.90 mm。由圖7可知，在增設錨桿支護后，拱腰及拱腳兩側豎向位移減小0.1～0.2 mm，左右兩側位移差減小0.1 mm；當錨桿長度達到2.1 m時，襯砌豎向位移和水平位移不再變化，兩側水平位移基本一致。因此，長度為2.1 m(即7倍于節理巖層厚度)的錨桿支護效果最好，此時隧道兩側拱腳水平位移減少且兩側位移基本一致，有利于襯砌更合理地發揮其支護能力。

5 襯砌裂縫的治理

隧道襯砌出現裂隙是隧道工程常見病害，其治理成為隧道工程領域的熱點難題[10-13]。要想徹底解決襯砌裂縫問題，不僅要做好地質勘察工作，對隧道所穿越地層的地質情況有全面詳細的認識，還要針對不同裂縫成因采取合適的方法進行治理。預防襯砌開裂可采取增設仰拱法、錨噴加固法、錨固注漿法。當襯砌出現裂縫時，其治理應依據“以防為主，綜合治理，防治結合，簡單經濟”的原則，具體可采用直接涂抹法、鑿槽嵌補法、套襯補強法等方法進行修補，以求最大限度地減輕襯砌開裂所帶來的潛在危害。

6 結束語

(1)含傾斜節理的巖層相較于無節理圍巖，隧道開挖后斷面各處位移明顯增加，呈不對稱分布，尤其表現在拱底與拱腳的不均勻沉降上，在節理傾角為55°時襯砌受力情況于施工最為不利。

(2)當增設仰拱時，深度2.0 m的仰拱襯砌拱底豎向位移最小，深度1.4 m的仰拱襯砌拱底左右沉降差基本消除，且襯砌兩側應力最小。

(3)當增設錨桿時，長度為2.1 m(7倍于節理巖層厚度)的錨桿支護效果最好，能有效均衡隧道拱底兩側水平位移。

(4)依據對襯砌已經產生裂縫產狀的調查，提出采用直接涂抹法、鑿槽嵌補法、套襯補強法進行處理。