《Symmetry》：Bedding Dip Angle Effect on Asymmetric Deformation and Failure of Tunnels in Soft-Hard Interbedded Rock: An FDEM Study
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深埋隧道在高地应力条件下穿越软硬互层岩体开挖时，常发生严重的非对称挤压变形。为阐明层理倾角（??）的多尺度控制机制，研究人员以木寨岭隧道为工程原型，在Abaqus平台上建立了有限-离散元法（FDEM）模型。该模型将描述岩石基质塑性屈服的Mohr–Coulomb
深埋隧道在高地应力条件下穿越软硬互层岩体开挖时，常发生严重的非对称挤压变形。为阐明层理倾角（??）的多尺度控制机制，研究人员以木寨岭隧道为工程原型，在Abaqus平台上建立了有限-离散元法（FDEM）模型。该模型将描述岩石基质塑性屈服的Mohr–Coulomb准则与模拟界面脱粘和剪切滑移的零厚度黏聚力单元相耦合。经过多方向单轴压缩试验的试样尺度验证（平均峰值强度误差为4.67%）以及与现场破坏模式的定性一致性检验后，采用该模型研究了??=0–90°范围内围岩变形、界面损伤和基质塑性区的演化规律。结果表明，最大径向收敛对层理倾角的响应呈非单调性，在??=45°时达到峰值（74.47 mm），比最小值（48.97 mm）大约52%，在–范围内形成一个显著的变形放大窗口。非对称指数（）量化了倾斜地层引起的显著偏倚，在时达到最大值0.153。主导变形区沿隧道周界系统性迁移，受层理面与开挖轮廓之间几何相切关系的控制；值得注意的是，在处强烈的层间剪切滑移将峰值收敛异常转移至右侧壁。关键的是，宏观收敛、界面损伤和基质塑性化呈异步演化，即较小的径向收敛可能掩盖大量地下层间滑移。非对称失稳本质上是由不连续界面滑移与连续基质剪切屈服协同驱动的渐进性跨尺度过程，为深部层状地层的非对称支护设计提供了理论指导。
**研究背景与意义**
随着地下空间开发逐步向深部复杂地质环境延伸，交通隧道及矿山巷道频繁穿越以砂-泥岩互层、千枚岩及含煤地层为代表的软硬互层岩体。在高地应力与频繁开挖扰动的叠加作用下，软硬互层围岩极易发生严重的非对称挤压变形、偏压底鼓及局部剪切破碎等工程地质灾害。例如，木寨岭隧道穿越中陡倾角碳质千枚岩与砂质板岩互层时，层理相切侧发生超过40–60 cm的严重非对称收敛，导致钢拱架单侧扭曲变形及喷射混凝土大面积开裂；阳山隧道穿越单斜软硬互层泥岩与砂岩时，层间不协调剪切滑移与弯曲变形诱发了局部顶板坍塌及初期支护严重偏压变形。传统均匀环形支护往往无法适应这类方向性岩体失稳。因此，阐明软硬互层围岩非对称大变形的渐进演化特征与触发机制，是深部地下工程科学支护设计与长期稳定性维护的重要前提。
层状岩体中地下洞室非对称变形的力学本质源于初始地应力场（力学驱动场）与地层空间方位（几何约束场）之间的深度耦合。软弱层理面的存在赋予层状岩体在变形模量、抗剪强度及破坏模式方面显著的横观各向同性特征。这种宏观非对称破坏根本上起源于跨尺度非线性力学相互作用：在"基质微观尺度"，软硬岩层在偏应力集中下发生差异化剪切劣化与非均匀微裂纹扩展；在"层理细观尺度"，软硬交替层间的刚度突变不可避免地触发不协调层间剪切滑移、拉伸脱层及局部摩擦弱化。在应力-结构耦合驱动下，洞室几何与层理方位之间的相对空间关系控制着围岩破坏模式的显著分异。现场观测表明，随着层理倾角由缓倾变为陡倾，破坏模式从对称顶板脱层（）转变为单侧肩部弯曲屈曲与边墙剪切滑移（），最终演变为近垂直边墙板裂（）。这种结构转型破坏了洞室的几何与力学对称性——即"对称破缺"现象—— necessitating从传统对称支护向针对性非对称加固的转变。因此，系统阐明层理倾角对内部应力传递路径、主导变形区迁移及非对称破坏模式的控制机制具有重要的科学与工程意义。
为揭示层状岩体非对称破坏机制，国内外学者采用解析解、物理模型试验及数值模拟开展了广泛研究。解析方法通常采用结构单元模型（如弹性地基梁与组合梁）评估局部顶板或边墙的挠曲与断裂，但难以捕捉工程尺度下全域宏观弹塑性流动与非连续破裂。室内力学试验虽能直观表征不同倾角下各向异性岩样的方向性损伤与破坏，但受试件尺寸限制，无法完全再现真实洞室周围的应力梯度与卸荷边界条件。相比之下，数值模拟在解决强非线性与复杂边界条件方面具有显著优势，因而成为研究深部层状围岩破坏机制的主要途径。
在数值分析框架内，常规连续介质方法（如有限元法FEM和有限差分法FDM）通常采用等效连续介质理论或遍有节理模型描述层状岩体响应。尽管这些连续介质方法适于捕捉宏观变形趋势与识别潜在危险区，但在显式解析高度非连续行为（如层间拉伸开裂、剪切滑移诱发的剥落及软硬交替层间渐进界面脱粘）方面存在固有局限。为克服这些不足，UDEC和3DEC等非连续方法将层状岩体视为由不连续面分隔的离散块体组合，从而有效捕捉层间滑动与局部块体分离。然而，纯离散元方法在准确解析完整岩基内部连续弹塑性损伤演化及其与结构面破坏的动态协同时仍面临计算瓶颈。
近年来，有限-离散元法（FDEM）已成为模拟层状岩体从连续变形到非连续破裂渐进过渡的一种有前景的方法。该方法保留了有限元格式高保真解析连续应力演化与基质塑性屈服的能力，同时沿软弱层理界面嵌入零厚度黏聚力单元。通过引入牵引-分离法则，FDEM可显式模拟沿结构不连续面的拉伸张开、剪切滑移及粘结退化。Lisjak等率先将这种连续-非连续耦合方法应用于模拟各向异性Opalinus黏土岩中无支护洞室周围的脆性剥落，验证了FDEM捕捉各向异性断裂路径的有效性。随后，Deng等和Liu等将FDEM扩展用于预测深埋隧道各向异性断裂区并建立了先进的黏聚力损伤本构模型。最近，FDEM已成功应用于分析软硬互层反倾边坡的倾倒破坏机制及评估层状地层隧道非对称变形控制，展示了其在层状岩体工程中的通用性。
尽管取得了上述实质性进展，当前FDEM及相关数值研究仍存在两个主要不足。第一，多数现有研究将层状岩体简化为被密集不连续面切割的单一均质基质，忽略了软硬交替岩性单元之间刚度与强度的显著差异。对于以基质间显著性质差异为特征的软硬互层围岩，层理倾角控制下连续基质塑性化与非连续界面滑移之间的协同演化尚未得到充分量化。第二，现有数值模型主要针对单一层次基准进行验证——或为小尺度室内试验，或为定性现场观测。一个整合试样尺度定量试验与现场尺度定性一致性检验的综合验证框架仍然匮乏，从而限制了数值外推至工程实践的可信度。
为填补上述知识空白，本研究在Abaqus平台上建立了针对软硬互层围岩的FDEM耦合数值模型。软硬岩基的弹塑性屈服均采用Mohr–Coulomb准则描述，沿岩性界面预置零厚度黏聚力单元以显式捕捉非连续层间损伤演化。模型首先针对碳质板岩试样的多方向单轴压缩试验进行标定与验证，以检验其捕捉各向异性基质响应与细观界面退化的能力。随后，以木寨岭隧道3号斜井软硬互层段为工程原型，采用该模型系统研究了不同层理倾角下的非对称径向收敛、主导变形区迁移轨迹、层理界面损伤空间分布及基质塑性区形态，并与现场监测收敛数据进行交叉验证。通过考察非连续界面损伤与连续基质塑性化之间的协同竞争，本研究揭示了层理倾角对深部互层岩体隧道非对称失稳的控制机制，为高地应力层状地层的针对性非对称支护设计提供了坚实的理论基础。
**关键技术方法**
研究人员采用有限-离散元法（FDEM）在Abaqus/Explicit平台上建立了软硬互层围岩耦合数值模型。岩基采用Mohr–Coulomb弹塑性本构描述连续塑性屈服，沿层理界面预置零厚度黏聚力单元（CZM）模拟拉伸脱层、剪切滑移与粘结退化。模型通过碳质板岩多方向单轴压缩试验进行试样尺度定量验证（平均峰值强度误差4.67%），并以木寨岭隧道3号斜井K1+140断面为工程原型开展工程尺度定性一致性检验。采用Python参数化建模脚本实现不同层理倾角模型的批量自动生成，层理倾角（??=0–90°）为唯一变量。
**研究结果**
**4.2 工程验证与宏观非对称变形响应**
通过对比现场破坏模式与模拟结果，模型再现了K1+140断面最大收敛位于左肩/左边墙、成对对角黏聚力损伤及塑性屈服偏向上左边界的局部特征。径向收敛在??=45°时达到全局最大值74.47 mm，捕捉到–临界放大窗口，与现场监测及已有研究一致。最大径向收敛对层理倾角呈非单调响应：??=0°时对称顶底板弯曲收敛最小（26.31 mm），随倾角增大先降至??=30°的48.97 mm，后在中等倾角区间–内回升至??=45°的74.47 mm（全局峰值），相对相邻??=30°和??=60°分别放大52.1%和52.1%。除??=0°外，所有倾斜工况最大收敛集中于左半断面，非对称指数在??=30°时达全局最大0.153，呈现峰值变形量值与最大结构非对称之间的显著解耦。层理面与开挖轮廓的几何相切点随倾角旋转控制主导变形区的系统性迁移。??=45°时层理与最大剪应力轨迹对齐触发深部贯通层间剪切滑移，将峰值收敛异常转移至右侧（??=45°）。从应力张量旋转角度，水平主导初始应力场（）与界面摩擦系数（）下理论Mohr–Coulomb临界滑移角为，邻近??=45°，开挖后切向主应力与层理面在右拱及左下边墙以最优滑移角相交，最大化剪正应力比，触发深层贯通层间剪切滑移。
**4.3 层理界面损伤与层间滑移演化**
界面损伤集中于近场松弛区，呈现三种力学机制：正交方位（??=0°和90°）下对称损伤，水平层理时顶底板水平界面局部剪切损伤伴随边墙离散脱层，近垂直层理时侧墙卸荷横向泊松膨胀产生平行边墙的贯通轴向劈裂带；–范围内相切驱动的非对称偏转与空间迁移，倾斜地层将界面损伤重构为成对对角共轭带，主导损伤区随相切点旋转逆时针迁移；中等倾角–范围内多层滑移汇聚，??=45°时损伤以阶梯状贯通模式向深部扩展，为全局峰值收敛提供细观结构起源。??=60°时呈现宏观-细观解耦：基质塑性区最小且径向收敛最低（48.97 mm），但沿陡倾软弱层理发育广泛贯通脱粘带（CSDMG=1.0），表明边界收敛不与界面损伤单调标度，大量开挖应变能通过摩擦剪切滑移耗散而非基质径向挤压，微小边界位移可掩盖严重内部结构退化。完全脱粘界面可能成为地下水优先入渗通道，与现场滑移侧局部裂隙渗水定性吻合。
**4.4 岩基塑性区演化**
塑性区呈现显著岩性分异与结构面引导特征：软硬岩层间塑性应变急剧分异，软弱碳质千枚岩因较低强度与刚度呈现严重PEEQ积累与层间挤压流动，而坚硬砂质板岩深部基本保持弹性，充当弯曲承载骨架，屈服仅限于开挖边界附近，性质差异在岩性界面产生强烈剪应力跳跃。塑性形态受倾角控制，对称方位产生镜像对称塑性区，倾斜地层将塑性带重构为倾向左上肩的离散条带，塑性穿透深度在??=45°时达全局最大，塑性区在左肩大面积出露，直接支撑临界–窗口内的峰值收敛。连续基质塑性屈服与非连续界面损伤之间存在强空间-力学耦合：软弱层内塑性剪切屈服与挤压流动诱发岩性边界不协调变形，加剧界面应力集中并促进粘结退化与层间滑移；反之界面脱粘与滑移消除层理面剪应力传递，降低互层系统复合承载能力并进一步放大岩基塑性剪切屈服，这种相互力学强化在??=45°窗口最为显著。
**讨论与结论**
研究人员建立了结合Mohr–Coulomb基质塑性与黏聚力界面脱粘的FDEM耦合数值框架，研究了深埋软硬互层围岩层理倾角（–）对非对称变形的影响，经木寨岭隧道试样尺度与工程尺度验证后得出以下结论：（1）非单调变形放大与结构非对称解耦：最大径向收敛对层理倾角呈非单调响应，??=45°时达峰值74.47 mm，较??=60°最小值48.97 mm放大52.1%，定义–临界放大窗口；对称地层非对称指数接近零，倾斜地层诱发严重偏压加载，全局峰值变形量值（??=45°）与最大结构非对称（??=30°时0.153）之间存在显著解耦。（2）相切驱动的空间迁移与局部剪切滑移异常：主导变形区受层理面与开挖边界几何相切控制沿隧道轮廓系统性迁移，集中环向压应力并触发弯曲屈曲；??=45°时该相切控制趋势被层理与最大剪应力轨迹对齐触发的大范围层间剪切滑移所覆盖，峰值收敛异常转移至右侧（??=45°）。（3）岩性塑性分异与宏观-细观解耦：塑性应变几乎完全集中于软弱碳质千枚岩以挤压流动形式表现，坚硬砂质板岩充当弯曲承载骨架；??=60°时微小径向收敛掩盖广泛贯通界面损伤（CSDMG=1.0），释放的应变能主要通过地下层间剪切滑移而非径向挤压耗散。（4）跨尺度协同机制与支护工程启示：互层围岩非对称失稳受连续基质剪切屈服与非连续界面滑移空间-力学耦合控制；隧道稳定性评估应超越总收敛量，–范围需抵抗严重准对称挤压，–范围需缓解单侧偏压变形及肩脚局部滑移。由于本研究仅模拟了干燥条件下单一基线支护配置，具体支护刚度设计与非对称加固布局需进一步专项数值与现场验证，未来工作应纳入耦合水力-力学软化与湿度相关界面退化以量化地下水对这些定量变形阈值的偏移影响。
