《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Experimental investigation on the squeeze deformation and failure mechanisms of tunnel invert in high ground stress stratified soft rock and directional reinforcement measures
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分层软岩高地应力条件下隧道底板变形破坏机理及方向强化桩控制效果研究，通过相似模型试验分析不同岩层倾角（0°、45°、90°）下底板对称“W”形弯曲破坏、不对称“Z”形剪切破坏及对称“H”形弯剪复合破坏模式，发现方向强化桩可提升结构刚度、优化应力分布并有效延缓破坏发生。
杨文博|杨琳琳|邢中原|徐文宇|姚超凡|吴芳音|焕玉香
教育部交通隧道工程重点实验室，西南交通大学，中国成都610031
摘要
在高地应力作用下的层状软岩层中，隧道结构会受到岩体流变挤压和弱层理面的影响，从而增加隧道底部开裂和隆起的风险。本研究通过相似性模型试验，分析了不同层理角度（0°、45°和90°）下隧道底部的变形和破坏特性，以及定向加固桩元素在控制底部变形方面的有效性。试验中，在岩板之间使用了环氧树脂来模拟围岩的弱层理面。通过对不同层理角度的软岩进行三轴试验，校准了其物理和力学参数，以确定相似材料的配比。结果表明，底部破坏模式随层理角度的不同而有显著差异：在0°层理角度下，底部中心部分发生对称的“W”形弯曲破坏；在45°层理角度下，从隧道拱脚的一侧开始发生不对称的“Z”形剪切破坏；而在90°层理角度下，两侧拱脚同时发生对称的“H”形弯曲-剪切破坏。引入垂直于层理面的定向加固桩显著提高了底部的结构刚度和承载能力，重新分配了内力，并延缓了破坏的发生。
引言
隧道底部是隧道结构的主要组成部分，在增强支撑结构内的应力重分布、抑制围岩塑性区的形成、限制隧道周边位移以及确保衬砌结构的整体安全性方面发挥着关键作用。在围岩质量较差、侧向压力较大或地下水丰富的区域修建的隧道，应设置隧道底部（中华人民共和国交通运输部，2018年）。隧道底部不仅将上覆岩压力传递给地基，还抵抗来自下方的路基反力，并承受临时的地表荷载，从而确保隧道的整体承载能力和稳定性。因此，底部破坏对结构完整性构成严重威胁，可能直接影响隧道的安全运行。研究隧道底部的变形和破坏机制并制定相应的控制措施具有重要意义。
隧道底部隆起破坏的力学演化过程极其复杂，涉及多种因素，包括岩性、高地应力、地下水和车辆荷载（Lee和Wang，2016年；Ma等人，2022年；Xue等人，2025年）。在高地应力软岩条件下，隧道衬砌会受到来自围岩的显著且不断增加的塑性变形压力（Zhang等人，2025年）。底部曲率的变化，加上流变效应，会在隧道底部产生强烈的应力集中。因此，高应力软岩隧道中底部破坏的案例时有发生。例如，奥地利的陶恩隧道（Ayaydin和Leitner，2009年）、日本的Enasan隧道（Kimura等人，1987年）、委内瑞拉的Yacambú-Quibor隧道（Hoek和Guevara，2009年），以及中国的 Zipingpu隧道（Ou等人，2025年）、Taoshunya隧道（Zhong等人，2012年）和Muzhailing隧道（Liu等人，2005年）都曾记录到此类情况。由于存在弱层理面，层状软岩的力学性质和破坏机制表现出明显的各向异性。在高应力条件下，层状软岩中的隧道底部受到压缩应力和层理作用的双重影响（Chen等人，2018年）。许多学者通过现场试验（Du等人，2020年）、模型实验（Seki等人，2008年；Xiang等人，2024年）和数值模拟（Tang和Tang，2012年；Zhao等人，2021年）对隧道底部的变形和破坏进行了相关研究。Zhu等人（2025年）建立了一个临界屈曲荷载方程，用于识别水平分层岩体的不稳定性，并分析了隧道基础的稳定性及影响因素的敏感性。Sun等人（2017年）在一个10°倾斜层理中的巷道进行了大规模物理模型试验，并使用红外热成像技术研究了缓倾层状巷道中底部隆起的破坏机制。尽管已有研究探讨了分层岩中隧道底部的变形问题，但层理倾角对高地应力下破坏模式的影响仍不够充分。
隧道底部隆起是一个不可逆的过程，只能通过拆除和更换底部来解决。处理不当可能导致问题再次发生，从而产生极高的修复成本。在容易发生底部变形和破坏的路段实施合理有效的加固措施至关重要。常用的加固措施包括岩栓、锚索和注浆加固。Ou等人（2025年）汇总了中国100多个出现底部隆起的隧道的统计数据，并提出了一种基于Sparrow Search Algorithm-Support Vector Machine的隧道底部变形预测算法。在澳大利亚墨尔本的Burnley隧道中，通过在底层泥岩中安装5200根永久性岩栓来加固2公里长的隧道底部（Mothersille和Littlejohn，2012年）。Feng等人（2023年）通过现场监测和数值模拟研究了高应力层状岩隧道中底部隆起的原因，并采取了更换底部和结合锚索与岩栓锚固的修复措施。Ou等人（2022年）提出了一种在拱脚处设置排水孔和注浆钢管的加固策略，以解决缓倾煤层隧道中的底部隆起问题。一些层状软岩隧道应用了不对称定向长短岩栓加固技术，有效控制了围岩的变形（Sun等人，2023年；Tan等人，2022年）。然而，这些应用主要集中在控制隧道上部的变形，而在底部加固方面的应用较少。
在弱层理面的影响下，高应力层状软岩隧道比普通均匀软岩隧道更容易出现问题，表现出更复杂的破坏类型和机制（Xiang等人，2024年）。本研究采用了隧道-岩层复合水平加载装置，模拟了不同层理角度下隧道底部的变形和破坏过程。这种方法有效克服了以往研究的局限性，研究了高原位应力层状软岩中隧道底部的挤压变形和破坏机制。分析了高应力下不同层理角度软岩中隧道底部的挤压变形模式和力学特性，并提出了一种用于层状软岩隧道的定向加固方案，该方案通过实验得到了验证。研究结果为预防和减轻层状软岩中隧道底部的复杂结构破坏（如不对称隆起、剪切位移和断裂）提供了指导。
项目概述
Wulipo隧道是中国九寨沟（甘肃-四川边界）至绵阳高速公路的关键组成部分。该隧道全长4,666米，最大埋深871.9米，净宽10.25米。隧道的地理位置和纵向剖面如图1所示。主要围岩为绢云母片岩，其中夹杂着局部薄层石灰岩。岩体高度破碎，属于软至极软的岩石类型。
隧道底部的破坏特性
图8显示了层理角度为0°时隧道底部的挤压破坏过程和最终破坏模式。由于岩层的弱层理面，底部首先出现了垂直拉伸裂缝。随着岩层进一步垂直于层理面被挤压，拱底出现了剪切裂缝，并逐渐连接，导致隆起并在左右拱脚外侧产生了拉伸裂缝。最终，隧道底部
定向桩加固方案
钢管桩是一种常见的基础加固结构，当布置得当时，可以在岩体之间产生良好的梁效应。这些桩可以在围岩变形过程中承受较大的弯矩，减轻不对称压缩并减少隧道底部的变形。为了解决由拱部压缩引起的大变形问题，提出了一种使用定向排列桩单元的加固方案。讨论
片岩是一种典型的变质岩，具有发达的层理结构，其强度和变形特性表现出明显的各向异性，这种各向异性受层理倾角的影响。在对该类岩体的模型试验中，通常将岩体相似材料分层放置，分别模拟基岩和层理面，从而再现层理对岩体物理和力学性质的影响（Gong等人，2015年；He等人，2010年；Sun等人，
结论
本文对高应力层状软岩隧道中隧道底部的压缩破坏进行了室内模型试验，确定了不同层理角度下隧道底部的变形和破坏特性及机制，并根据观察到的破坏模式提出了一种定向加固方案。主要结论如下：
(1)在层理角度为0°时，隧道底部主要经历弯曲
作者贡献声明
杨文博：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，资源获取，项目管理，资金筹集，概念构思。杨琳琳：撰写 – 原稿撰写，方法学研究，调查，数据分析，概念构思。邢中原：撰写 – 审稿与编辑，调查，数据分析。徐文宇：调查，数据分析。姚超凡：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52378413，编号：52408442）的财政支持。
