武当群片岩隧道剪切型纵向裂缝破坏机理
徐颖，陈建平，左昌群
(中国地质大学 工程学院，湖北 武汉，430074)
摘要：根据现场隧道监控测量数据分析武当群片岩隧道变形破坏特征，利用Phase2.Tunnel有限元软件与实际监测结果相对比的方式，从围岩岩性特征，构造应力和片理面力学性质3个方面，探究十房高速公路通省特长隧道拱顶纵向裂缝形成机理。研究结果表明：该围岩不含蒙脱石，伊利石质量分数同样较低，因此，围岩内部膨胀力的作用可忽略；由于片理面的存在，拱顶两侧围岩发生差异破坏，片理面较低的抗剪强度是导致纵向裂缝的内在因素，其产状控制纵向裂缝的发生位置；随着片理面间距的减小，拱顶右侧产生类似偏压形成的拉伸破坏，是控制纵向裂缝次生裂缝的主导因素；而侧压力系数λ≥1.0的地质构造环境是产生该裂缝的诱发因素。
关键词：软质片岩隧道；剪切型纵向裂缝；数值分析验证；破坏机理
中图分类号：U459 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)07-2950-08
Shear type longitudinal cracks failure mechanism in Wudang group of schist tunnel
XU Ying, CHEN Jianping, ZUO Changqun
(China University of Geosciences, Faculty of Engineering, Wuhan 430074, China)
Abstract: The monitoring measuring data revealed the deformation and failure mechanism of Wudang group of schist. The adhesive elastic finite element method and monitoring result are compared to explore the formation mechanism of vault longitudinal cracks in Tongsheng tunnel. The results show that the Montmorillonite content in surrounding rock is close to zero, and illite is low too, so the internal force of expansion of surrounding rock function may be ignored. The simulation result shows that: because of the existence of weak foliation of schist, there are significant differences in destruction features of both sides vault surrounding rock; low shear strength in foliation is the internal factors of longitudinal cracks, and the attitude of schistosity plane has effective control over the cracks position. With the reduction of schistosity plane space, the failure mode of right vault surrounding rock turns compression into tensile failure, seemingly caused by unsymmetrical load. And the influence degree of the longitudinal cracks will be intensified when the rock-mass in the geological environment λ≥1.0, and the greater the degree, the more serious the impact is.
Key words: soft schist tunnel; longitudinal crack; numerical analysis and testing; failure mechanism
地下建筑工程穿越高地应力、偏压的软岩区域时，大变形现象是一种常见的，危害性极大的施工地质灾害[1]，如火车岭隧道，乌鞘岭隧道、木寨岭隧道等，均发生过大面积的大变形灾害。罗学东等[1-2]认为导致火车岭隧道大变形的原因为围岩岩性、地形偏压及残余构造应力的影响；王树仁等[3]认为乌鞘岭隧道为高应力、节理化不稳定软岩是发生大变形的主要原因；刘高等[4]认为木寨岭隧道大变形由围岩的塑性流动及膨胀变形所致。综合相关研究[1-10]可知：大变形机制无外乎围岩岩性、构造应力和膨胀力3个方面。近年来，人们对构造应力和节理岩体对隧道稳定性的影响进行了大量研究并取得了大量的成果，如：来弘鹏等[11]利用数值模拟技术研究了侧压力系数对马蹄形隧道损伤破坏的影响。考虑到岩土的弹塑性性能；赵德安等[12]研究了侧压力系数变化对隧道衬砌力学行为的影响程度。郑颖人等[13]以安全系数为判据分别分析了节理的产状、强度及间距对隧道稳定性的影响程度；张志强等[14]采用离散元法验证了以剪切滑移区为节理岩体隧道稳定性判据的合理性。综上所述，目前主要从支护效果，施工工艺等方面研究软岩隧道大变形的机理，而对地质因素的影响研究仍缺乏深入性和系统性；节理围岩的破坏规律也多应用于硬质岩中，对软岩，特别是片岩隧道的围岩破坏特征、片理面强度参数及间距对大变形的影响研究还需进一步深入。通省隧道与以往软岩隧道大变形现象不同，没有发生明显侵界及位移突变现象。为此，本文作者从侧压力系数、片理面强度及密集程度等3个方面综合探究其对围岩应力和衬砌内力的影响规律，进而指导纵向裂缝的预防与治理。
1 隧址区工程概况
作为湖北省十堰至房县高速公路全线控制性工程，通省隧道为分离式双向四车道隧道，全长6 900 m。轴线方向223°，两轴线相距48.6 m。隧道断面为马蹄形，净宽10.25 m，净高5.0 m。采用复合式衬砌支护形式，新奥法施工。
隧道位于长期风化剥蚀的中低山地貌区，地形起伏较大，多发育Ｖ形沟谷，隧道出口处边坡较平缓，区域地表和地下水不发育。
隧址区地层岩性主要为元古界武当群片岩，产状50°~60°∠40°~55°，与隧道近垂直相交。区域构造上位于武当山背斜北翼，经历了多期次、多阶段的变质作用和岩浆活动，地质构造复杂。发育一组优势节理，产状为334°∠82°。沿线发育2条断裂破碎带，在ZK110+90~ZK110+200和ZK116+475~ZK116+116+630处与隧道斜交。
该隧道房县端于2010年6月开工，进洞初期发生多次围岩大变形及破坏现象，经过换拱加强支护，优化施工工艺等方法围岩趋于相对稳定。
2 隧道围岩及支护变形破坏特征
该隧道的右线掘进至718 m处，即YK116+240~ YK116+200段，初期支护后，隧道拱顶发生混凝土开裂，钢拱架扭曲的现象。
(1) YK116+240~YK116+220区间，与以往大变形现象不同的是，未发生肉眼可观察到的侵界、大变形现象，仅在拱顶出现横向裂缝，主要集中在两榀支护的交接部位，在环向裂缝间有纵向的小裂缝连接，纵向的小裂缝切割钢拱架之间的混凝土，表面有剥离掉落现象如图1所示，裂缝宽度为3~5 mm。监测结果表明：区间拱顶最大沉降34.99 mm，水平收敛40.6 mm。
(2) YK116+213~YK116+200区间，未出现明显的大变形或侵界现象，在拱顶发育一条沿隧道掘进方向发展的纵向裂缝，裂缝位于隧道拱顶稍偏左侧，宽度为10~15 mm，随着隧道继续掘进，纵向裂缝向掌子面方向延伸，拱顶的混凝土崩落掉块，并有部分钢拱架顶端扭曲成“Z“型，如图2所示。监测数据显示：区间拱顶最大沉降54.2 mm，水平收敛56.66 mm。
图1 隧道拱顶纵向裂缝(拍照方向面向洞口)
Fig.1 Photo of longitudinal crack
图2 纵向裂缝示意图
Fig.2 Longitudinal crack schemes
3 围岩变形破坏机理分析
3.1 隧道位移及压力测试
区段内实测的围岩断面中(YK116+215~240)5个断面，水平收敛数值均比拱顶沉降量大5%~15%，拱顶最大沉降发生在纵向裂缝的结束断面(YK116+200)为103.7 mm。压力监测显示右拱腰压力为0.039 MPa，左拱腰压力为0.4 MPa。
3.2 围岩宏观地质特征
隧址区处于扬子克拉通北缘和秦岭—大别造山带的交接部位，属于武当推覆体中后缘拉张带。古构造变形、变质作用错综复杂。多次的地质构造作用，导致隧址区原岩应力较大且以水平构造应力为主。同时，地应力测试结果显示，最大水平构造应力方位在NE23°~25°之间，侧压系数均大于1。
最大主应力方向与隧道小角度相交，理论上对隧道的整体稳定性是有利的。但是，由于围岩片理面的软弱性，隧道开挖后形成沿轴向方向的纵向临空面，在较大的构造应力作用下，形成沿隧道走向和径向剪切分力，在拱顶产生应力集中，当超过支护结构的抗弯强度时，支护结构和围岩发生破坏。
3.3 围岩矿物成分特征
图3所示为X线粉晶衍射分析结果。由图3可知：区段武当群片岩中主要矿物质成分(质量分数)为石英29%，伊利石39%、长石19%，绿泥石13%，基本不含蒙脱石。表明该处围岩雨水膨胀性不大，虽然雨季地下水的升降将在一定程度上导致围岩内膨胀压力的产生，但是，该膨胀压力不足以承担导致纵向裂缝形成的主要应力。
图3 YK116+240断面岩样X线粉晶衍射分析
Fig. 3 X-ray diffraction pattern of rock-mess in section YK116+240
3.4 优势结构面的软弱性
前期勘察资料和现场地质调查显示，隧道围岩内发育片理化程度较高的片理面，为5~150 mm，并存在软弱夹层现象，倾角34°。节理倾角对破坏面位置影响较大，但是倾角对隧道安全系数影响最小，随节理间距减小、强度降低，安全系数均有所减小[3]。因此，该隧道围岩片理面的存在对纵向裂缝形成的贡献在于其位置的分布，节理面强度参数的变化也在一定程度上降低了隧道的稳定性。
4 数值分析及试验验证
4.1 模型的建立及边界条件的确定
选取最典型的断面，即YK116+200断面为原型进行建模。该断面围岩设计为Ⅳ级，实际的支护类型为Ⅴ级，断面形式为三心圆，初期支护后断面最大宽度为12 m，高为10.5 m。隧道右洞为先行洞，初期支护紧跟掌子面，二衬落后掌子面40 m。按照实际施工情况两洞掌子面相距170 m，基本排除双洞同时施工的交互影响。具体模型见图4。
图4 模型横断面
Fig.4 Cross section of calculation model
根据隧道片岩的软弱特点，模型周边选取5倍洞径范围，隧道上方按照实际埋深114 m，添加均布荷载，等效64 m围岩实际自重应力效果。
研究范围内隧址区只出露见少量基岩裂隙水，可忽略地下水的影响。由此边界条件如下。
(1) 位移边界条件：模型下方施加Y方向位移约束，两侧边界施加X方向位移约束。
(2) 应力边界条件：垂直方向，施加等效自重应力的均布荷载(50 m)；水平方向，由于考虑水平构造应力的影响，两侧边界施加随埋深增加的水平应力。
4.2 围岩力学参数的选取
围岩利用phase2软件中隧道应力-应变分析模块，选取横观各向异性材料作为围岩的分析模型；调用软件中Joint分析模块，节理及初期支护的力学行为假设为完全弹塑性关系。岩体及节理屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。其中，岩体的剪切模量计算式为
(1)
其中：G为岩块的剪切模量；Ks为层面的变形系数，结合该隧道情况，取46 MPa/cm。
结合室内绢云母片岩剪切试验结果与工程实际节理面法向刚度及剪切刚度分别取值30 MPa/cm和46 MPa/cm。相关物理力学参数依据室内试验和地质报告提供的数据取值，详见表1。
4.3 模拟方案
开挖试验采用隧道实际施工方法—“台阶法”进行模拟，实际施工过程中，二衬距离掌子面40 m，因此，不包括二次衬砌的施工步骤。
为验证各影响因素对隧道产生纵向裂缝的影响规律，将采取3个方案进行分析探讨：
(1) 选取不同的侧压力系数λ(为0.8~2.0)，以0.25为差分单位，分别以围岩剪应力及支护结构内力2个评价指标，分析水平构造应力对纵向裂缝机制的作用效果。
(2) 优势片理面力学参数的变化直接影响到围岩的变形破坏特征，选取不同的C和φ，同样以上述3个指标，评价优势结构面对纵向裂缝的控制作用。
(3) 隧道围岩内部优势片理面的间距受构造影响不断变化。选取不同间距的片理面(2.0，1.0和0.5 m)，以拱顶偏右方向衬砌弯矩作为评价指标，探讨其作用效果。
4.4 计算结果分析
4.4.1 侧压力系数对围岩-支护结构的影响
计算结果表明：当λ＜1.0时，在节理面的共同作用下，应力集中区域主要分布在拱腰处，以切向压力为主，该现象与实际围岩变形规律相反，从而验证该段隧道区域内以水平构造应力为主(即λ≥1.0，与地应力测试结果相符)。
图5所示为节理间距及强度参数不变的情况下，侧压力系数的增加，对围岩应力分布影响图。即在水平应力为主的地质环境下(λ≥1.0时)，在拱顶和拱底转化为切向压应力，在边墙上出现切向拉应力。其中最大应力集中位置出现在拱顶偏左，节理与衬砌小角度相交位置，与实际纵向裂缝发生发展位置相同。因此，该模型是可行的。
随着λ的增加，应力分布情况基本不变，最大主应力区域在节理的上游和下游两侧对称分布，最大剪切应力位置同样集中在拱顶偏左位置，衬砌弯矩有减小趋势，见表2。
当λ趋向2.5时，锚杆屈服的数量继续增加，主要集中在左拱顶、两侧拱腰及边墙位置。表明隧道破坏方向为沿着最大主应力方向的剪切破坏。构造应力是导致最大应力集中在拱顶范围内的主要影响因素，从而验证了水平构造应力是纵向裂缝形成的外在应力条件。
4.4.2 主结构面力学参数对围岩-支护结构的影响
根据剪切锥理论，均质围岩隧道在自重应力或者构造应力条件下破坏区域都是成对出现[15]。计算结果显示：由于节理面的存在，在开挖过程中，沿片理面发生层间相对错动的现象，见图6。
在节理的影响下，衬砌最大剪应力位置发生偏转，见图7。均质隧道衬砌最大剪应力主要分布在拱顶位置，由于片理面的存在，随着中心岩体的移除，原本由中心岩体传递应力全部集中在片理面附近，加上由自重应力和水平应力形成的近似平行片理面的剪应力作用，使围岩产生沿片理面向洞内临空面变形的现象。
此外，由于拱顶片理与衬砌是小角度相交，衬砌对节理的支护分力很小，因此，只有左拱顶出现层间错动位移情况，而拱腰和边墙位置未出现类似现象。
表1 围岩及衬砌基准物理力学参数
Table 1 Physical mechanical parameters of surrounding rock and lining
图5 不同λ对应的最大剪应力分布图
Fig.5 Maximum shear stress distribution of difference values of λ
表2 不同λ对应的衬砌内力
Table 2 Lining internal force with different λ
随着节理抗剪强度的降低，衬砌弯矩和剪应力的最大值也出现减小趋势，然而拱顶的锚杆轴应力出现明显的增加趋势，当黏聚力减小到0.12 MPa时，锚杆屈服，见图8。
衬砌内力之所以减小，是由于围岩黏聚力的减小，使得洞周塑性屈服区增加，使原本可传递到衬砌上的构造应力减小或者消失，进而演变成衬砌上只承载松动围岩压力，因此，会产生减小的假象；另一方面，围岩之间的黏聚力减小，使得开始由围岩自承的部分剪应力由锚杆承担，应力达到锚杆的抗剪强度时，随即屈服。
图6 围岩卸荷变形后洞周轮廓
Fig.6 Tunnel profiles after excavation
图7 隧道衬砌剪切力
Fig.7 Shear force in lining in different conditions
图8 节理强度变化对应屈服锚杆的数量及位置
Fig.8 Change in shear strength in corresponding number and location of yield anchor
4.4.3 片理面组合关系对围岩-支护结构的影响
图9所示为不同节理间距时隧道总位移图。由图9可知：随着节理面的增加，围岩的最大位移区域发生改变，当节理间距为2.00~2.25 m时，最大位移出现在两侧拱腰，间距减小到1.00 m左右时，最大位移区域开始出现在拱顶偏右侧，间距继续减小到0.50 m，拱顶右侧的位移量继续增加，出现类似偏压情况的拱顶变形，该计算结果与实际位移测试结果较吻合，与压力测试结果相反。由于实际压力测试为未加二衬的测试值，主要为围岩抗力值，拱顶右部位移量大，说明围岩抗力较小，与计算结果吻合。
衬砌弯矩的变化规律与最大位移量的变化规律相同，随着片理的密集，在拱顶偏右位置，产生较大的正弯矩，见图10。从图10可见：当间距为0.5 m时，拱顶弯矩最大值为25.96 kN·m。根据最大弯矩与正应力关系[16]，算得衬砌的最大正应力为位于拱顶洞周表面的拉应力，数值为2.944 MPa＞1.75 MPa(C25混凝土的抗拉强度)，因此，产生类似偏压效果的拉伸破坏，见图10。
图9 不同节理间距时隧道总位移图
Fig.9 Total displacement map of tunnel at different plane spacings
图10 不同节理间距时隧道衬砌弯矩分布图
Fig.10 Lining bending moment distribution of tunnel at different planes spacing
5 结论
(1) 通过现场实测数据及变形特征的调查，结合室内矿物质分析实验及数值分析结果显示，通省隧道拱顶纵向裂缝的产生原因与岩体本身的膨胀力关系不大。这一点与其他武当群绢云母片岩隧道大变形破坏机制不同。其主要控制因素为优势片理面的力学特征、密集程度及水平构造应力。
(2) 通过对3个影响因素的控制效果对比分析，优势片理面的存在使最大切向应力向拱顶左部偏转，随着片理面强度的降低，拱顶产生沿片理面错动现象，进而产生破坏。纵向裂缝的终结位置软弱片理面消失，进一步证明了软弱片理面对纵向裂缝的主控作用。较大的水平构造应力，是拱顶产生切向压应力的主要因素，是纵向裂缝的诱发因素。
(3) 软弱片理面密度的增加，拱顶右侧的位移量开始增加，出现类似偏压效果。衬砌最大弯矩同样出现偏转现象，当密集程度达到0.5 m时，拱顶偏右围岩发生拉伸破坏，形成纵向裂缝的次生裂缝。破坏程度大于左部围岩，与实际相符。
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2012-04-09；修回日期：2012-06-06
基金项目：国家自然科学基金项目资助(41202201，41102196)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(CUGL110215)
通信作者：陈建平(1958-)，男，江苏南通人，教授，博士生导师，从事地下建筑工程围岩-结构稳定性分析及灾害预测预报研究；电话：027-67883074；E-mail: Chenjp6688@163.com
