隧道施工穿越软弱裂隙带条件下围岩响应特性

玉达变; 曾宇; 徐平; 董辉; 邵羽; 刘先林; 吕玺琳

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502440

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3523-3530 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502440

交通运输

隧道施工穿越软弱裂隙带条件下围岩响应特性

玉达变 ¹ ,
曾宇 ² ,
徐平 ³ ,
董辉 ³ ,
邵羽 ⁴ ,
刘先林 ²^,⁴ ,
吕玺琳 ²^,^*

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Response Characteristics of Surrounding Rock under Tunnel Excavation through Weak Fractured Zones

YU Da-bian ¹ ,
ZENG Yu ² ,
XU Ping ³ ,
DONG Hui ³ ,
SHAO Yu ⁴ ,
LIU Xian-lin ²^,⁴ ,
LÜ Xi-lin ²^,^*

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摘要

为评估山区公路隧道穿越软弱裂隙带地层的围岩失稳风险,通过物理模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了隧道施工穿越软弱裂隙带地层条件下围岩的应力和变形特征。结果表明:在隧道开挖过程中,围岩径向应力和位移均表现出缓慢、快速及稳定三个阶段,当隧道施工穿越软弱裂隙带时,围岩各部位径向应力增量均高于均质地层。软弱裂隙带的存在加剧了隧道开挖引发的围岩应力释放,导致施工扰动影响范围扩大,使得软弱裂隙带地层隧道围岩的变形量明显高于均质地层,因而在进行隧道施工时应重视软弱裂隙带对围岩力学响应的影响。通过研究得到软弱裂隙带地层隧道围岩应力和变形差异化分布规律,可为山区软弱地层公路隧道设计与施工优化提供参考。

Abstract

In order to evaluate the instability risk of surrounding rock of mountain highway tunnel through soft fracture zone, the stress and deformation characteristics of surrounding rock under the condition of tunnel construction crossing weak fractured zones were studied. The results show that in the process of tunnel excavation, the radial stress and displacement of surrounding rocks show three stages: slow-fast-stable. When the tunnel passes through the soft fracture zone, the radial stress increment of each part of the surrounding rock is higher than that of the homogeneous stratum. Due to the existence of soft fracture zone, the stress release of surrounding rock caused by tunnel excavation is aggravated, which leads to the expansion of the influence range of construction disturbance, so that the deformation of surrounding rock of tunnel in soft fracture zone is obviously higher than that in homogeneous stratum. It is concluded that the influence of soft fracture zone on the mechanical response of surrounding rock should be paid attention to during tunnel construction. According to the differential distribution characteristics of stress and deformation of surrounding rock of tunnel in soft fracture zone, it can provide reference for the design and construction optimization of highway tunnel in weak stratum in mountainous area.

Graphical abstract

关键词

软弱裂隙带 / 山区隧道 / 力学响应 / 物理模型试验 / 数值模拟

Key words

soft fracture zone / mountain tunnel / mechanical response / physical model test / numerical simulation

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玉达变, 曾宇, 徐平, 董辉, 邵羽, 刘先林, 吕玺琳. 隧道施工穿越软弱裂隙带条件下围岩响应特性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3523-3530 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502440

YU Da-bian, ZENG Yu, XU Ping, DONG Hui, SHAO Yu, LIU Xian-lin, LÜ Xi-lin. Response Characteristics of Surrounding Rock under Tunnel Excavation through Weak Fractured Zones[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3523-3530 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502440

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随着中国交通设施建设规模不断扩大,在山区复杂地质环境下修建的隧道工程逐渐增多,并将不可避免地面临隧道穿越软弱裂隙带的情况^[1-3]。软弱裂隙带的力学性质通常较差,导致隧道穿越该区域时,地层性质和荷载均会发生突变,造成围岩变形过大乃至塌方及衬砌破裂等事故。如何准确评估穿越软弱裂隙带条件下隧道围岩力学响应已成为隧道工程领域亟待解决的难题^[4]。

软弱裂隙带对隧道施工过程中的围岩变形、应力分布影响不可忽视。刘学增等^[5-6]开展系列模型试验,发现不同倾角的正断层错动会诱发隧道产生明显的力学响应差异。张庆松等^[7-8]研制了三维地质模型试验系统,模拟分析了软弱裂隙带地层隧道在开挖扰动作用下的灾变过程。徐前卫等^[9]通过开展地质力学模型试验获得了跨断层隧道施工过程中围岩渐进破坏过程及受力变形特性。黄锋等^[10]通过开展物理模型试验,探讨了下穿裂隙带隧道力学响应规律。黎盼等^[11]通过模型试验,研究了不同断层倾角条件下隧道施工导致的围岩压力、围岩位移变化情况。随着数值模拟技术的不断发展,有限元、有限差分、离散元等数值算法逐渐被应用到隧道开挖模拟。李晓斌^[12]针对特大跨度隧道穿越软弱裂隙带工程建立有限元分析模型,研究了软弱裂隙带内隧道施工诱发的沉降,并给出了软弱裂隙带的影响范围。赵宝平^[13]、刘鹏等^[14]、焦鹏飞等^[15]、王涵等^[16]、韩瑀萱等^[17]均依托穿越软弱裂隙带隧道工程并借助FLAC^3D软件研究了软弱裂隙带倾角、距离等对隧道围岩力学响应的影响。章玉伟等^[18]开展采用三因素四水平正交数值模拟对隧道穿越多种断层形态的围岩稳定性敏感性进行分析。Zhang等^[19]采用离散元方法建立了不同类型和倾角断层的隧道数值模型,分析得到了不同断层条件下的位移分布模式。杨青林等^[20]利用离散元并结合现场测试,模拟了断层运动和隧道破坏机制。

针对穿越软弱裂隙带条件下隧道建设安全保障难题,开展隧道施工导致的围岩力学响应机制研究。以广西某软弱围岩山区公路隧道工程为背景,采用模型试验与数值模拟,研究隧道施工过程中围岩的力学响应规律,通过与穿越均质地层条件对比分析得到软弱裂隙带对隧道围岩力学响应的影响,研究成果可为隧道穿越软弱裂隙带地层的工程设计与施工提供有益借鉴。

1 工程背景概况

背景工程为位于广西境内的某公路隧道,长度为325 m,最大埋深约70 m。根据物探结果表明,该隧道出口段地层存在多组低波速异常带,推测中风化岩体中分布有多组软弱裂隙带,厚度为0.5~6.5 m,长度10~75 m。在隧道施工过程中,位于隧道左洞ZK142+140掌子面出现小型塌方,如图1所示。通过对事故分析发现掌子面中下部为中风化岩层,上部为强风化岩层,塌方区位于强风化与中风化交界处。当隧道穿越软弱裂隙带地层时易引发施工风险,因而需进一步针对隧道穿越断层破碎段施工过程中的围岩力学响应进行研究。

2 穿越软弱裂隙带隧道模型试验

2.1 模型试验材料

根据缩尺理论,将实际工程缩尺后开展物理模型试验。通过依托公路隧道工程的地层力学特性测试结果,可获得隧道围岩和软弱裂隙带内岩石的物理力学参数,如表1所示,结合《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)可得,围岩和软弱裂隙带为Ⅴ级围岩。参考隧道施工过程中常见的断面类型,模型试验中的隧道衬砌选取马蹄形断面形式,依托工程隧道断面衬砌结构尺寸如图2所示。衬砌所用混凝土等级为C25,参考《公路隧道设计细则》(TG/T D70—2010),衬砌弹性模量为28 GPa,泊松比为0.20。综合考虑实际工程情况和试验条件,最终选择模型试验几何相似比C_L=50,重度相似比C_γ=1。将隧道几何尺寸和围岩重度设为控制参数,根据相似理论计算得到模型与原型的泊松比、应变和内摩擦角相似比为C_μ=C_ε=C_ϕ=1,应力、黏聚力和弹性模量相似比为C_σ=C_c=C_E=50。

基于不同配比相似材料进行多次试验,最终获取符合隧道模型试验的相似材料。其中软弱围岩采用重晶石粉、砂、石膏和水配制,配合比为1∶0.18∶0.13∶0.08,软弱裂隙带选用重晶石粉、砂和水按比例混合而成,其配合比为1∶1∶0.2,结合试验室条件对衬砌结构模型进行简化,采用石膏、重晶石粉和水模拟,其配合比为1∶0.3∶1。基于上述配合比得到的试验材料物理力学参数如表2所示,可以看出,模型材料与原型材料物理力学性质较接近,因而符合模型试验相关要求。

2.2 模型试验方案

为对比分析软弱裂隙带对隧道围岩力学响应的影响,分别开展马蹄形隧道穿越均质软弱围岩与软弱裂隙带的模型试验,隧道模型试验方案如图3所示。隧道纵向开挖长度为1 m,隧道埋深330 mm,软弱裂隙带厚度40 mm。将隧道中轴线位置设为监测断面,通过在模型试验中埋设微型土压力盒、自制位移计实时获取围岩应力与变形数据,如图4所示。在隧道衬砌拱顶、拱腰及仰拱位置设置应力测点,编号为A₁~A₄,在拱顶与拱腰附近分别布置2个位移测点用于监测围岩位移,编号依次为C₁、C₂和W₁、W₂,位移测点间隔分别为20 mm和40 mm。

模型试验采用的试验装置主要由外框架结构、模型试验箱、开挖装置及数据采集等子系统组成,如图5所示。外框架结构采用宽度为30 mm的金属杆连接而成,在模型试验箱底部、侧边进行约束,上边界用于填土和布置观测仪器。模型试验箱尺寸为1 m(长)×0.66 m(宽)×0.66 m(高),箱体四周采用10 mm厚的亚克力板材料组装来保证整体刚度避免侧向位移,模型箱前后方预留孔洞为隧道所在位置。

模型试验安装流程如图6所示,首先在箱内侧壁均匀涂抹凡士林润滑剂以减少边界条件对模型地层的摩擦影响,随后将制作完成的试验材料分层夯实,软弱裂隙带进行分区填筑,并将上一层土体表面整平刮花。按照试验方案在既定位置埋设马蹄形衬砌结构及压力盒、位移计,直至将模型材料填筑完成,最后在隧道模型顶部增加既定荷载以实现隧道真实上覆岩体自重。试验开始时对隧道模型进行全断面开挖,每循环开挖进尺4 cm,共用时25 000 s,试验过程中,通过设备操作将土压力盒数据清零并实时提取数据,每进行一次循环进尺开挖,读取一次位移数据,直至隧道开挖完成后结束试验。

2.3 模型试验结果

隧道穿越均质地层与软弱裂隙带地层过程中,分别得到不同测点围岩径向应力随时间变化曲线如图7所示。可以看出,各测点径向应力在隧道开挖过程中均呈缓慢下降-快速下降-稳定收敛三个阶段。在隧道开挖初期,隧道掌子面距离监测断面较远,围岩应力受开挖影响较小,随着开挖的进行,测点围岩受开挖影响逐渐增大,进入软弱裂隙带后隧道围岩应力突变,且这一变化比穿越均质地层更明显。随着开挖面逐渐远离测点,测点径向应力逐渐稳定收敛。

从各测点应力变化可以看出,隧道穿越软弱裂隙带时围岩的应力释放时间要早于均质地层区域,围岩应力释放范围影响更广。进一步从各测点应力变化幅值可看出,隧道穿越软弱裂隙带引起的围岩应力变化均明显高于穿越均质地层,表现出软弱裂隙带对隧道施工过程围岩应力环境变化的影响。

将两种工况条件下A₁~A₄测点的径向应力增量进行汇总,如表3所示。可以看出,隧道穿越地质条件的不同会影响围岩应力分布。穿越软弱裂隙带地层过程中各测点引起的径向应力增量均大于穿越均质软弱围岩,隧道穿越软弱裂隙带条件下围岩径向应力增量约为均质软弱地层的1.95~2.86倍。径向应力增量变化大小依次为拱顶>仰拱>边墙,即在隧道开挖过程中拱顶应力释放最大,边墙应力释放最小。

马蹄形隧道分别穿越均质地层与软弱裂隙带地层过程中,不同测点围岩径向位移随时间变化曲线如图8所示。可以看出,隧道各测点径向位移随时间变化均表现出缓慢上升-快速上升-稳定收敛三个阶段。各测点在隧道开挖至监测断面前便发生微小位移,为先行变形,径向位移在开挖至监测段面后急剧增加,随着隧道开挖持续进行而逐渐趋于稳定。稳定后的变形为后效变形,后效变形量显著高于先行变形量。C₁测点竖向位移变化大于C₂测点,即越靠近隧道围岩位移量越大,隧道穿越软弱裂隙带地层引发的测点竖向位移均大于穿越均质地层,W₁、W₂测点水平位移变化情况与测点竖向位移分布具有相同规律。

将两种工况条件下各测点径向位移增量进行汇总,如表4所示。由表可知,穿越软弱裂隙带地层时围岩测点的水平位移(W₁、W₂)约为均质地层围岩的1.02~1.15倍,竖向位移(C₁、C₂)约为穿越均质地层围岩的1.09~1.12倍,隧道穿越软弱裂隙带地层引起的径向位移均大于均质地层。

3 隧道穿越软弱裂隙带数值模拟

3.1 数值模型建立

建立数值计算模型,如图9所示。模型尺寸为50 m(长)×33 m(宽)×33 m(高),软弱裂隙带厚度为2 m,在模型底部及四周设置位移边界条件并在模型顶部施加应力边界条件。地层材料采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行描述,隧道衬砌采用线弹性模型,物理力学特性参数如表1所示。

3.2 数值模拟结果分析

马蹄形隧道穿越不同地质条件下围岩竖向应力分布如图10所示。由图10(a)可知,隧道穿越均质地层条件下围岩的应力释放程度沿隧道开挖方向分布较均匀。当隧道穿越软弱裂隙带时,如图10(b)所示,软弱裂隙带内围岩应力释放更加显著,围岩应力释放主要集中在软弱裂隙带区域,并且改变其一定范围内的围岩应力环境。

隧道穿越不同地质条件下围岩竖向位移分布如图11所示。相比于图11(a)中穿越均质地层的情况,在软弱裂隙带处隧道围岩产生较大局部变形,如图11(b)所示,位于软弱裂隙带处围岩局部变形更明显,前者产生的围岩最大为18.7 mm,后者为20.8 mm,围岩最大变形量提高了20%。

提取关键测点的数值模拟结果与模型试验进行对比,如图12所示。可以看出,数值模拟结果与实测数据较接近且变化趋势相似,说明选用该数值模型进行隧道围岩响应分析的可靠性。

进一步地,将两种地质条件下C₁测点所在纵向线的围岩竖向位移汇总至图13所示。可以看出,软弱裂隙带处的围岩变形明显高于均质软弱围岩,处于软弱裂隙带一定范围的围岩变形量均有所增大,围岩变形影响范围约为20 m。软弱裂隙带不仅导致其原位围岩变形增大,其空间效应的影响会使得一定范围内围岩变形均有所增加。

4 结论

针对软弱裂隙带软弱地层条件下公路隧道工程,开展模型试验和有限元数值模拟,研究施工条件下隧道围岩的力学响应,得出如下主要结论。

(1)隧道开挖过程中,围岩径向应力和位移均呈现出缓慢-快速-稳定三个阶段。隧道拱顶应力变化最大,其次是仰拱,最后是边墙,围岩径向位移变化大小依次为拱顶>仰拱>边墙。

(2)隧道穿越软弱裂隙带会对围岩力学响应产生显著影响,引起的围岩径向应力与径向位移变化均高于穿越均质地层的情形。

(3)隧道穿越软弱裂隙带将加剧围岩应力释放,并改变一定范围内的围岩应力条件,不仅导致其开挖临空面变形增大,其空间效应使得一定范围内围岩变形均增加,因而在进行隧道施工时应重视软弱裂隙带地层隧道围岩响应的影响。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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