基于多因素正交与数值-实验方法的水平层状岩体深埋隧道稳定性分析

《Soils and Foundations》：Stability analysis of deep-buried tunnels in horizontally layered rock masses based on multi-factor orthogonal and numerical-experimental methods

　　

摘要：在深埋层状软弱岩体中掘进隧道时，常发生拱顶坍塌和边墙挤压等大变形灾害，高地应力与结构面给施工安全带来严峻挑战。本研究以西安至延安高速铁路宜君隧道的近水平层状岩体为对象，通过地质力学表征、三维数值模拟和缩尺物理模型试验，研究了侧压力系数（λ）、隧道埋深（h）和岩层厚度（t）对围岩响应的综合效应。结果表明，侧压力系数在破坏模式转变中起关键作用，而岩层厚度和埋深主导不同的应力与变形响应。在本研究特定条件下，变形机制随λ增加而逐步演化：当λ较低（λ<0.8）时，变形以顶板岩层的拉伸响应为主；在中间范围（0.8≤λ≤1.2）时，拉剪交互行为变得显著；当λ较高（λ>1.2）时，变形逐渐受弱夹层控制的顺层滑动所主导。在高侧向应力条件（λ≥1.5）下，隧道附近发育剪切滑动带，并伴有显著的应变局部化。总体而言，在本研究范围内，结果提供了对层状围岩失稳机制的初步认识，并强调了应力状态与结构特征在控制隧道响应中的重要性。这些发现可为类似地质条件下隧道的变形控制提供参考。

论文解读文章

**研究背景**
随着中国基础设施的快速发展，大量深埋隧道工程投入建设，这些隧道常穿越水平层状岩体等复杂地质条件。结构面（层理面）的存在使层状岩体的变形与强度行为较均质岩体更为复杂，表现出显著的各向异性。当隧道通过分布有结构面的水平层状岩体时，在水平侧压力与垂直荷载的共同作用下，拱部易发生过大的变形、塌落或离层。因此，研究深埋水平层状铁路隧道围岩稳定性对工程安全、设计优化及施工策略制定至关重要。现有研究通过现场试验、数值模拟和模型试验探讨了层状软岩隧道的损伤区发育与破坏机制，但现场试验成本高昂，数值分析常存在简化，而模型试验则提供了有效途径。已有研究指出节理产状、层厚、地应力及侧压力系数等因素对围岩变形有显著影响，但这些因素的综合效应尚未充分阐明。本研究以西安至延安高速铁路宜君隧道为工程背景，系统分析了隧道埋深（h）、岩层厚度（t）和侧压力系数（λ）三个主要变量对围岩位移、应力、应变及破坏模式演化的综合影响。

**研究内容与结论**
研究人员采用综合数值模拟（基于正交试验设计的L₁₆(4³)方案）与缩尺物理模型试验（几何相似比1:100，模拟材料为重晶石粉、石英砂、石膏、甘油和水的混合物，结构面用聚四氟乙烯薄膜模拟）相结合的方法，系统分析了h、t、λ三个因素对水平层状岩体隧道围岩响应的影响。数值模拟基于莫尔-库仑屈服准则，采用三维模型（85.32 m×10 m×85.32 m）模拟宜君隧道马蹄形断面（高11.93 m，宽14.22 m），边界条件施加垂直应力（对应埋深）和水平应力（对应λ）。物理模型试验在单一代表性工况（h=100 m，初始λ=0.5）下进行，通过逐步增加水平压力来模拟超载过程，利用数字图像相关（DIC）系统监测全场应变。研究得出以下结论：（1）拉伸应力主要集中于拱顶和仰拱，剪切应力则集中于边墙，随λ增加，层状顶板和底板的弯曲变形加剧，体现了弯剪耦合效应。（2）三个因素的影响因响应指标而异：拱顶位移对t最敏感，最大主应力重分布主要由t控制，而最大剪应力由h主导；λ在破坏模式转变中起决定性作用。总体而言，h和λ的增加导致位移和应力增大，而t增大则减轻变形。（3）变形机制随λ增加逐步演化：低λ时以顶板拉伸响应为主，中等λ时过渡为拉剪耦合，高λ时逐渐变为沿弱结构面的滑动占主导。（4）在物理模型试验的代表性工况下，数值模拟与物理试验的变形模式和破坏模式总体一致，定性验证了所观察到的趋势。（5）综合证据提供了对水平层状岩体变形局部化和渐进破坏行为的初步认识，但定量结果需通过现场数据进一步标定后才能推广。论文发表在《Soils and Foundations》。

**关键技术方法**
（不超过250字）
本研究采用的关键技术方法包括：（1）正交试验设计：采用L₁₆(4³)正交表，以隧道埋深（h）、岩层厚度（t）和侧压力系数（λ）为三因素，各取4个水平，共16个工况，高效评估主效应和代表性耦合趋势。（2）三维数值模拟：基于莫尔-库仑准则，利用实体单元和界面单元分别模拟层状岩体和结构面，施加相应应力边界条件，分析围岩位移、应力及应变分布。（3）缩尺物理模型试验：以宜君隧道为工程背景（样本队列来源：西安至延安高速铁路宜君隧道），采用重晶石粉、石英砂、石膏、甘油和水的混合物模拟层状岩体，聚四氟乙烯（PTFE）薄膜模拟结构面，施加相似比1:100的荷载，通过数字图像相关（DIC）系统非接触全场测量应变与位移。（4）方差分析（ANOVA）：基于完整正交数据集，利用SPSS对拱顶位移、最大主应力和最大剪应力进行贡献率分析。

**研究结果**
**4.1 位移与变形分析**
通过数值模拟位移云图分析，水平位移方向受λ主导：λ=0.5时两侧围岩向远离隧道方向位移；λ=1.0时两侧围岩向隧道内位移；λ=1.5时水平位移增大。垂直位移范围随λ增大而减小。岩层厚度t增大时，水平位移分布范围缩小，位移量减小；埋深h增大则位移量增大。三维锥形图显示，当t固定时，h和λ增大导致拱顶位移和周边收敛增加；当λ固定时，t增大使两者减小，但埋深大、层厚小时例外，因高垂直应力促进沿结构面的挤出滑动。

**4.2 应力分析**
应力云图分析表明，最大主应力（σ₁）和最大剪应力（τ_1,3）呈对称分布。当λ≤1时，应力场以垂直为主，σ₁集中于拱顶和仰拱，τ_1,3分布于边墙；当λ≥1时，应力场转向水平主导，σ₁和τ_1,3集中于边墙，高λ时拱顶和仰拱也出现高剪应力。空间分布分析显示，拉伸应力集中于拱顶和仰拱，压缩应力占其余部分。t固定时，λ和h增大使拱顶和仰拱拉伸应力减小，边墙压缩应力增大；λ固定时，t增大使拉伸应力减小。τ_1,3随h和λ增大而增大，随t增大而减小。

**4.3 应变分析**
最大剪应变云图显示，t固定时，λ增大使水平方向剪应变分布范围扩大，侧向剪切滑动区增大；λ固定时，t增大使分布范围缩小，h增大使应变幅值增大。综上，h和λ增大降低围岩稳定性，t增大增强稳定性。

**5 物理模型试验**
**5.1 相似比与模型范围**：基于相似理论，确定几何相似比C_l=100，密度相似比C_γ=1，应力相似比C_σ=100，应变相似比C_ε=1，内摩擦角相似比C_φ=1，泊松比相似比C_μ=1。模型尺寸为1.2 m×0.2 m×0.8 m。

**5.2 相似材料与参数**：层状岩体模拟材料配比为重晶石粉:石英砂:石膏:甘油:水=34:55:2.5:2.0:6.5；结构面采用20%孔隙率的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜。通过密度试验、单轴压缩试验和直剪试验测定参数。

**5.3 试验系统**：包括试验平台、加载系统、数据采集与监测系统。采用非接触全场应变测量系统（DIC），包括高清数码相机、冷光源和VIC-2D软件。散斑通过人工喷涂制作，相机分辨率2448×2048像素，视场约800 mm×600 mm，子区尺寸29像素，步长7像素，5×5应变滤波器降噪，位移测量精度约0.01像素。

**5.4 试验结果**
**渐进破坏过程**：在单代表性工况（h=100 m，初始λ=0.5）下，分三个加载阶段。λ=1.5时拱肩和边墙中部出现近水平裂缝；λ=1.9时裂缝密度增大，顶板离层，仰拱轻微隆起；λ=2.1时发生拱顶塌落、仰拱严重隆起，拱圈上方出现对角剪切裂缝，边墙裂缝延伸至边界，仰拱脚出现明显剪切滑动裂缝。破坏模式以沿结构面的剪切滑动为主，顶板受拉-剪复合作用。
**水平位移分析**：λ=0.5时边墙围岩沿结构面远离隧道；λ增大后，滑移方向反转，向隧道内移动；λ≥1.9时两侧巨大水平位移，顶板离层、塌落，仰拱隆起。
**垂直位移分析**：λ=0.5时垂直沉降集中于拱顶；λ增大至1.0~1.7时，变形从垂直压缩为主过渡为压剪交互，并伴有顶板弯曲；λ=1.9~2.1时，变形局部化加剧，出现明显层间滑动、顶板塌落和顺层剪切破坏。
**剪切应变分析**：λ=1.7~1.9时，拱肩和层理面出现明显的剪切应变集中区，伴随局部层间滑动和顶板拉伸弯曲；λ=2.1时，大规模剪切滑动破坏沿层理面发展，顶板严重离层塌落。剪切应变主要集中于拱肩和仰拱脚。

**讨论与结论**
**讨论部分**：基于完整正交数据集的方差分析（ANOVA）显示，岩层厚度（t）对拱顶位移贡献最大（70.88%），对最大主应力贡献显著（89.91%，p=0.023）；埋深（h）对最大剪应力贡献最大（61.06%，p<0.001），侧压力系数（λ）次之（22.06%，p=0.007）。数值模拟与物理模型试验及现场监测（宜君隧道DK137+954和DK138+001断面）的变形趋势定性一致：拱顶沉降现场约24.18~24.85 mm，数值模拟22.4 mm，物理模型30 mm；边墙水平收敛现场12.25~15.19 mm，数值模拟11.0 mm，物理模型17.2 mm。机制分析表明：λ控制主应力方向与破坏模式转变；t控制结构连续性与变形局部化阻力；h作为应力放大因子，加剧剪应力集中与渐进破坏。实践意义：低λ段需加强拱顶约束与抗拉裂，高λ段需控制边墙挤出与顺层滑动，深埋薄层段需快速封闭支护、加强抗滑约束与实时监测。

**结论部分翻译**：
为研究水平层状岩体中深埋隧道的稳定性，研究人员采用了数值-实验综合方法，系统分析了在选定参数联合影响下围岩的位移、应力和应变特征。主要结论如下：
（1）水平层状隧道中，拉伸应力主要集中于拱顶和仰拱，剪切应力沿边墙集中。随侧压力系数（λ）增大，层状顶板和底板的弯曲变形加剧，反映了弯剪耦合的影响，导致与各向同性岩体不同的变形特征。
（2）三个因素对不同响应指标的影响各异。拱顶位移对岩层厚度（t）最敏感；最大主应力重分布主要由t控制；最大剪应力由埋深（h）主导。侧压力系数（λ）在控制破坏模式转变中起决定性作用。总体而言，h和λ增大导致位移和应力增大，而t增大则减轻变形。
（3）变形机制随侧压力系数增大而逐步演化。在低λ条件下，变形以顶板岩层的拉伸响应为主；随λ升高，逐渐过渡为拉剪耦合；在高λ值时，变形逐渐由沿弱结构面的滑动主导。这反映了在变化的应力条件下从拉伸主导向滑动主导的渐进转变。
（4）在物理模型试验的代表性工况下，数值模拟与物理试验得出的变形模式和破坏模式总体一致。这种定性一致性支持了所观察到的趋势的合理性，但并不构成对整个参数空间的全面验证。
（5）数值与物理建模的综合证据提供了对特定条件下水平层状岩体变形局部化和渐进破坏行为的初步认识。然而，在将定量结果推广到其他地质环境或直接应用于工程设计之前，需要进一步利用现场特定数据进行标定并开展扩展的参数研究。