在基础设施和交通建设中，越来越多的工程面临着在复杂岩体中修建地下洞室，其首要任务是要解决施工过程中的围岩变形稳定问题。复杂地层条件下地下工程施工过程中出现的塌方、岩爆、分区破裂等工程问题屡见不鲜，如引大入秦盘道岭隧道、东深供水工程的雁田隧道、珠海湾仔供水隧道、小浪底导流洞、甘肃疏勒河昌马隧道等。以往的研究表明，软弱结构面的存在及位置对隧道围岩的变形、应力和破坏形式的影响表现非常显著。

马腾飞等^[1]通过三维模型试验发现断层倾角对隧道拱顶的变形和应力影响较大。黄达、朱维申等^[2-4]分析发现侧压力系数、断层厚度及力学参数对隧道围岩稳定性影响较大。张志强、贾蓬等^[5-6]研究发现，靠近边墙和拱肩的软弱夹层对隧道稳定影响明显。吴旭平等^[7]分析了隧道开挖方式和支护形式对含软弱夹层浅埋隧道围岩变形的影响。郝宪杰等^[8]分析了节理间距对隧道围岩稳定的影响规律。胡志刚等^[9]研究发现，越接近开挖面处，围岩变形速率越大。黄锋等^[10]通过模型试验和数值模拟分析了含软弱夹层隧道的围岩变形及其破坏特征，发现围岩变形由围岩下盘逐渐扩展至拱顶，且下盘围岩应力小于上盘应力。任德惠、耿萍等^[11-12]分析了不同倾向和倾角断层对隧道围岩稳定的影响。何金峰、陈聪等^[13-14]研究表明，软硬不均地层分布隧道开挖后，在软硬岩层交界处，变形呈明显的不对称性，变形主要在岩性较弱一侧。

隧道开挖会导致围岩应力重分布，使得岩体在某些方向处于加载状态，而在另一些方向处于卸荷状态，但卸荷条件下岩体力学特性与加载条件下岩体力学特性存在根本性差异^[15-16]。邓华锋、肖建清等^[17-18]从卸荷岩体力学理论出发，分析了软岩隧道开挖后围岩的稳定性。张文举等^[19]分析发现在瞬态卸荷作用下，开挖卸荷时间越短，隧道围岩拉应力区和破坏范围越大。王广宏等^[20]研究发现，在软弱夹层与洞壁交界处产生较大的位移和应力集中。沙椿等^[21]通过微震监测分析了地下洞室围岩开挖卸荷引起的变形。何栋梁等^[22]在考虑时空效应的基础上，建立了一个可确定达到不同围岩位移和衬砌位移所需时间的隧道围岩变形计算公式。

上述研究成果为复杂地质条件下的隧道工程设计和施工奠定了较好的基础，但这些研究中主要考虑的是软弱结构面的分布位置、角度对围岩变形稳定的影响，而对软硬相接岩层分布类型地层结构的研究很少。然而岩体工程中经常遇到这种地层分布，一方面软硬接触面对围岩变形稳定影响显著，另一方面软硬岩体不协调的开挖卸荷变形对围岩变形也会产生很大的影响。基于此，结合前期完成的工程项目，在卸荷岩体力学理论与方法的基础上，采用数值模拟方法，定量分析软硬相接岩体的分布对隧道围岩变形、应力和塑性区的影响，为隧道工程的设计与施工提供参考。

图 1为新疆某隧道典型断面。由于工程布置要求，需斜交穿越一条不整合接触带(以下统称结构面)，在隧道与不整合接触带相交的断面附近，上侧岩层为弱风化砂质泥岩，天然状态单轴抗压强度仅为20 MPa左右，下侧岩层为弱风化灰岩，天然状态下单轴抗压强度为70 MPa左右，软硬差别明显，两侧岩体完整性均较好。在施工过程中需要面对的一个问题就是软硬相接岩层不协调的开挖卸荷变形及其对围岩稳定的影响。

图 1 隧道典型断面(单位：m) Fig. 1 Typical tunnel section(unit:m)

考虑实际工程中软硬岩层接触面与洞室相对位置关系类型很多, 不同的相交角度对洞室围岩的变形稳定影响不同，因此，考虑如图 2所示的6种倾角分布情况，详细分析不同倾角软硬相接岩层分布对隧道围岩变形稳定的影响。模型范围为100 m×100 m，洞径为10 m，位于模型中心，模型底部和侧面采用法向约束。利用FLAC^3D进行数值模拟计算，采用Mohr-coulomb强度准则。

图 2 计算模型 Fig. 2 Calculation model

根据地质资料，选取软硬岩体和接触面的力学参数，如表 1所示。

隧道在开挖过程中，由于卸荷作用，将形成一定范围内的强、弱卸荷区域。卸荷区岩体质量发生劣化，根据卸荷量级对卸荷区进行划分，对强弱卸荷区岩体的变形模量按表 2进行调整，分析流程见图 3^{[16-17, 23]}。

图 3 隧道围岩开挖卸荷计算流程图 Fig. 3 Flowchart of tunnel surrounding rock excavation unloading calculation

在隧道开挖完成后，围岩变形是围岩稳定性及力学性质最直观的表现，不同结构面倾角围岩变形矢量图如图 4所示。

图 4 不同结构面倾角围岩变形矢量图 Fig. 4 Deformation vector diagrams of surrounding rock at different structural plane dips

由图 4可以看出：

(1) 拱顶处变形竖直向下，随着结构面倾角的增大，拱顶处的变形呈增大的趋势。当倾角为75°时，拱顶处变形达到最大。当倾角为90°时，拱顶处变形相对较小，主要是结构面左侧砂质泥岩的变形。

(2) 在边墙处，变形主要沿水平方向。当倾角为0°时，隧道左右边墙处的变形相同，方向相反。随着倾角的增大，边墙的变形以左边墙砂质泥岩变形为主，而右边墙灰岩的变形很小。

(3) 在拱底处，变形竖直向上，当倾角为0°时，拱底处几乎变形很小。随着结构面倾角的增大，拱底处的变形逐渐增大，在倾角为90°时，拱底处的变形主要是结构面左侧砂质泥岩的变形，而右侧灰岩变形非常小。

由以上分析可知，在隧道开挖完成后，隧道围岩变形主要发生在岩性较弱的一侧，而岩性较硬一侧围岩的变形很小。为了定量分析软硬相接岩层中不同结构面倾角对隧道围岩稳定性的影响，对洞周关键点进行监测，如图 5所示。主要监测点位置为：拱顶(A)，左边墙(B)，将岩性较软一侧岩体称为上盘，岩性较硬一侧称为下盘，C和D为上盘围岩与结构面相交处，E和F为下盘围岩与结构面相交处，β为结构面倾角。

图 5 洞壁监测点位置 Fig. 5 Monitoring point location around tunnel wall

各监测点处的变化情况和变形极值如图 6~图 7和表 3所示。竖直方向变形以向上为正，水平方向变形以向右为正。

图 6 各监测点竖直方向变形 Fig. 6 Vertical deformations of monitoring points

图 7 各监测点水平方向变形 Fig. 7 Horizontal deformations of monitoring points

从图 6~图 7和表 3可以看出：

(1) 在竖直方向上，A监测点处的变形随结构面倾角的增大而增大。在倾角为75°时，变形达到最大值-22.29 mm；在倾角为90°时，变形最小值为-8.71 mm。对比C，D两监测点处的竖向变形可以看出，在0°时，这两检测点处的变形量相同，在30°~90°时，D点处变形比C点处变形大1.06~13.82 mm。在E，F两监测点处，竖向变形差别较小，最大差值仅有2.23 mm。对比左边墙处的C，E点和右边墙处的D，F点可以看出，C点处的变形比E点大5.65~11.34 mm，D点处的变形比F点大4.00~22.00 mm。

(2) 在水平方向上，当倾角为75°时，B监测点处变形最大，为19.22 mm。在0°时，C，D监测点处水平方向变形最大，变形量为24.20 mm，并且随着倾角的增大，变形逐渐减小。在E，F监测点处，水平方向变形都非常小。对比C，E和D，F监测点处的变形可以看出, C，D处的变形比E，F处大1.35~23.84 mm。

根据以上分析可得，随着结构面倾角的改变，软硬相接处围岩不协调变形较大。当倾角为0°时，上盘围岩与结构面相交处的C，D监测点处水平方向变形比下盘围岩的E，F监测点处大23.84 mm，边墙处不协调变形较大对围岩稳定较为不利。当倾角为75°时，上盘围岩与结构面相交处D监测点处竖直方向变形比F处大21.84 mm，结构面与围岩相交处不协调变形较大，对围岩稳定较为不利。

不同结构面倾角时的围岩第3主应力云图如图 8所示。

图 8 开挖后围岩第3主应力云图(单位：MPa) Fig. 8 Nephograms of third principal stress of surrounding rock after excavation(unit:MPa)

从图 8可以看出：

(1) 在隧道开挖完成后，围岩以压应力为主，呈负值，在拱底和边墙处出现了较小的拉应力区，呈正值，最大拉应力为0.2 MPa。以结构面为分界，下盘围岩应力相对上盘要大0.20 MPa左右。

(2) 当结构面倾角在0°~30°时，拱顶和拱底处围岩应力较小，为-0.40 MPa，结构面与围岩相交处出现了小范围的应力集中区。当倾角在45°~60°时，拱底处压应力增加，应力值在-0.80~-1.00 MPa左右，在结构面与围岩相交处的应力集中区范围在0.3倍的洞径左右。当倾角在75°~90°时，结构面上应力集中较明显，受结构面的影响，拱顶和拱底处应力值增大，应力值在-0.4~-1.2 MPa左右，右边墙处应力集中区范围增加到0.5倍的洞径左右，应力值在-2.00~-3.20 MPa左右。

由以上分析可知，随着结构面倾角的增大，结构面应力集中区范围越来越大，拱顶、拱底和右边墙处应力值也逐渐增大。在倾角为75°时，围岩应力集中区范围最大, 为0.5倍的洞径，右边墙处的应力值为-3.10 MPa，此时围岩稳定最为不利。

为了进一步了解隧道各监测点处的应力变化情况，将围岩最大应力值与结构面岩体极限强度的比值定义为应力水平^[24]：

(1)

(2)

式中，s为应力水平；σ₁, σ₃分别为最大和最小主应力；(σ₁-σ₃)_f为极限强度；φ为内摩擦角。

根据上式计算出C，D两监测点处的应力水平大小，如表 5所示。

由表 5可知，在倾角为75°时，拱顶A与左边墙B处的应力水平较高，分别为0.82和0.83。在倾角为0°时，监测点C，D处应力水平均较高，其值为0.91，其余各角度各监测点均处于中等应力水平。在应力水平较高处，其变形也较大^[16]，这与图 4和表 3中各监测点的变形数据是一致的。

不同结构面倾角围岩塑性区分布情况如图 9所示。

图 9 围岩塑性区分布情况 Fig. 9 Distribution of plastic zones of surrounding rock

由图 9可以看出:

(1) 在隧道开挖完成后，围岩塑性区分布特征与变形矢量图具有较好的一致性，主要分布在岩性较弱的上盘和结构面上。

(2) 结构面倾角不同时，塑性区的分布范围和贯通趋势存在明显的区别。在倾角为0°时，塑性区沿结构面与拱顶成45°角方向由洞周向围岩内发展，发育深度达1.5倍洞径左右；在倾角为30°时，塑性区主要分布在左边墙和拱顶与结构面所夹区域，深度达1.8倍的洞径，拱顶处塑性区较小，深度在0.2倍的洞径；在倾角为45°时，拱顶处塑性区面积增大，拱顶与结构面所夹区域塑性区范围在0.5~1.8倍的洞径左右，塑性区沿结构面呈贯通趋势发展；在倾角为60°时，塑性区主要集中在左边墙与结构面相交处，并且沿结构面呈贯通发展趋势，在左边墙处塑性区发育深度达1.8倍的洞径；在倾角为75°时，塑性区主要分布在左边墙以及结构面上，在左边墙处塑性区分布范围较广，发育深度达2倍的洞径，靠近拱顶的塑性区沿结构面呈贯通发展趋势；在倾角为90°时，塑性区沿水平方向对称分布在左边墙处，拱顶处塑性区沿结构面向上呈贯通趋势，在右边墙处出现了0.1倍洞径范围的塑性区。

(1) 在软硬相接岩层中，上盘围岩岩性较弱，下盘围岩岩性较强，围岩变形和塑性区分布主要集中在上盘围岩以及结构面上。随结构面倾角的增加，围岩变形和塑性区逐渐向左偏转，并且塑性区沿结构面呈贯通发展趋势。在倾角为0°时，上下盘围岩与结构面相交处水平方向不协调变形较大，上盘比下盘变形大23.84 mm；在倾角为75°时，上下盘围岩与结构面相交处竖直方向不协调变形较大，上盘比下盘变形大21.84 mm。

(2) 隧道开挖完成后，下盘围岩应力相对上盘要大0.2 MPa左右，并且随着结构面倾角的增大，结构面与围岩相交处和右边墙中部压应力集中区范围也逐渐增大，压应力值增加。当倾角为0°时，在结构面与上盘围岩相交处应力水平较高，为0.91；当倾角为75°时，右边墙中部压应力最高，为-3.2 MPa，此时拱顶和左边墙中部应力水平也较高，分别为0.82和0.83。

(3) 在软硬相接岩层工程隧道中，围岩变形主要发生在岩性较弱一侧，结构面与围岩相交处上盘围岩与下盘围岩不协调变形较大，当结构面倾角为0°或75°时，应加强围岩软弱岩层和结构面相交处的支护，以提高围岩的稳定性。