不同產狀巖質隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬

趙麗雪

(中鐵十三局 第二工程公司，廣東 深圳 518083)

近年來，我國在西南、西北地區(qū)交通基礎建設大規(guī)模的發(fā)展，正在興建和規(guī)劃中的高速公路數(shù)量日益增多，其中穿越山嶺的隧道越來越長，標準也越來越高。在巖體生成過程中，經受各個年代復雜地質力學作用，發(fā)育著豐富斷層、節(jié)理和各種裂隙等結構面[1-2]。大量的工程實例證明，工程巖體的失穩(wěn)往往都是沿結構面發(fā)生的，甚至有的學者提出優(yōu)勢結構面的概念。而當前研究多把圍巖看作連續(xù)、各向同性均質介質，通過彈、塑性力學理論分析應力重分布的規(guī)律[3-5]。顯然，連續(xù)介質理論并不能準確得到巖體力學行為結果。

王剛、李術才等將斷裂損傷計算結果與一般彈塑性計算結果進行對比分析，認為節(jié)理裂隙對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響至關重要[6]。劉剛、趙堅等通過模型試驗研究節(jié)理密度對圍巖變形及破壞影響，得出斷續(xù)節(jié)理密度控制著圍巖穩(wěn)定性[7]。王貴君進行節(jié)理裂隙巖體中不同埋深無支護暗挖隧洞穩(wěn)定性離散元法分析[8]。陳壽根、漆泰岳也分別對節(jié)理巖體進行離散元分析[9-10]。通過調研國內外相關文獻，深埋層狀巖體隧道研究并不多見，因此，研究不同節(jié)理傾角下大斷面公路隧道圍巖穩(wěn)定性及支護要點具有顯著的理論意義和學術價值。

1 工程概況

以在建山西高速公路大梁山特長隧道工程為依托，隧道為雙洞分修型，雙洞軸線相距20～23 m。隧址區(qū)地層單斜，層理產狀 N28°E/35°SE，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理產狀 N57°W/90°，N50°E/35°NW，巖層走向與線路方向基本一致。節(jié)理切割，邊墻、拱腳存在不穩(wěn)定結構體，易產生坍方。隧道范圍無地表水流，地下水主要為基巖裂隙水，段內斜坡坡面順直，降雨多沿坡面流走，泥巖隔水性較好，下滲條件差，隧道區(qū)地下水貧乏。斷層帶內變輝綠巖脈較為破碎，斷層與圍巖接觸帶擠壓明顯。其中，帶有層狀巖體的隧道開挖后，易引起地質偏壓，其圍巖力學行為不容忽視。

2 計算模型及參數(shù)選取

2.1 計算模型及邊界條件

以山西省大梁山隧道為依據建立模型。模型橫向取100 m，下邊界距離隧道中心35 m，上邊界距離隧道中心80 m。左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界施加自重應力邊界，計算模型如圖1所示。采用離散元UDEC軟件，重點考慮節(jié)理傾角對隧道穩(wěn)定性影響。在埋深150 m，節(jié)理間距3 m的條件下，研究 0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90°時圍巖穩(wěn)定性狀況。

2.2 計算參數(shù)

根據大梁山隧道工程現(xiàn)場地質勘查報告、相關規(guī)范和文獻，巖塊和節(jié)理物理力學參數(shù)取值如表1、表2所示，塊體和節(jié)理均采用Mohr-Coulomb本構模型。

表1 巖塊物理力學參數(shù)

表2 節(jié)理物理力學參數(shù)

3 對隧道穩(wěn)定性影響分析

復雜地質運動使得節(jié)理成為巖體中天然的軟弱面，不同節(jié)理傾角下隧道失穩(wěn)模式必定存在差異，產生地質偏壓，其產狀變化對圍巖應力場重分布產生重要影響，甚至出現(xiàn)節(jié)理沿著節(jié)理面滑移趨勢。

3.1 水平層狀巖體力學響應

隧道開挖后，可以看出圍巖內應力發(fā)生了重分布，且與巖體內不連續(xù)面方向密切相關。水平層狀巖體洞周切向應力和主應力分布如圖2所示。

圖2 切應力分布

從圖2看出:由于結構面的存在，使結構面附近產生切應力集中，不僅影響其方向，而且也影響其大小分布，容易使結構面發(fā)生剪切滑移或張開。另外，結構面參數(shù)相對巖塊來說要低得多，進一步證明結構面是隧道穩(wěn)定性控制部位，結構面錯動可能成為洞室破壞的潛在區(qū)域。

隧道開挖后，結構面從根本上改變了圍巖應力重分布，主應力方向也發(fā)生了變化，最大主應力和最小主應力方向不再是切向和徑向，而是和結構面關聯(lián)起來。平行結構面方向主應力分布較均勻，在垂直于結構面方向洞周主應力分布極不均勻，拱部和底部巖層容易發(fā)生彎折破壞。

3.2 傾角對圍巖應力影響

圖3表示不同節(jié)理方向下主應力分布特征，隨著節(jié)理傾角增大，主應力大小和方向發(fā)生明顯變化。

圖3 不同傾角節(jié)理隧道圍巖主應力分布特征

從圖3看出，節(jié)理方向不僅影響著主應力的方向，而且也影響其大小。在與不連續(xù)面平行的方向，應力得到了釋放，巖體松弛明顯，甚至出現(xiàn)了拉應力。而在與不連續(xù)面垂直的方向，應力增加。同時在結構面附近主應力集度較大，其破壞形式表現(xiàn)為層狀節(jié)理巖體彎曲壓潰。這些與現(xiàn)場所觀察到的現(xiàn)象非常吻合，表明本仿真模擬方法較真實地反映了不連續(xù)體的力學行為。

3.3 傾角對位移影響

位移是隧道穩(wěn)定性最直接的評判標準，不同巖層傾角(0°，30°，60°)位移分布如圖4所示。從圖4中可以看出，由于巖體中不連續(xù)面的存在，隧道開挖引起的洞周位移中，沿節(jié)理面的位移比較大。這主要是由于隧道上部圍巖失去支撐，而結構面參數(shù)較弱，極易發(fā)生剪切滑移，邊墻上部位移大于下部位移。當巖層水平時，如圖4(a)所示，最大的位移發(fā)生在拱肩處，而并不是拱頂、仰拱或邊墻，其破壞形式表現(xiàn)為拱部巖層彎折破壞。當節(jié)理傾角為30°和60°時，如圖4(b)和圖4(c)所示，最大的位移發(fā)生在右拱肩和左拱腳。當豎向節(jié)理時，位移主要在拱部以向下發(fā)展為主，破壞模式主要表現(xiàn)為節(jié)理面滑移。因此必須采取支護措施，增強節(jié)理面黏聚力和摩擦角，提高巖層抗剪強度，最終達到穩(wěn)定圍巖目的。

圖4 圍巖強度應力比及塑性區(qū)分布特征

4 結論

結合大梁山特長隧道，研究不同節(jié)理傾角時公路隧道圍巖的穩(wěn)定性，研究結果完全不同于傳統(tǒng)松散介質理論的層狀巖質隧道失穩(wěn)模式，結論如下:

1)節(jié)理面極大削弱巖體力學特性，往往成為工程失穩(wěn)關鍵所在。隧道施工會導致層狀巖體沿節(jié)理面發(fā)生滑移破壞，巖體強度和變形特性強烈地受制于節(jié)理方位。節(jié)理面引起的順層偏壓，使圍巖的受力特征明顯不同于傳統(tǒng)松散介質理論。

2)節(jié)理水平時，失穩(wěn)模式為拱部和仰拱層狀巖體彎折屈服。節(jié)理傾角較小時(＜45°)，節(jié)理面間滑移力難以克服黏聚力，破壞模式為邊墻巖體的壓碎和節(jié)理面張開。

3)當節(jié)理面傾角為45°時，失穩(wěn)模型表現(xiàn)為左拱肩和右墻腳彎折破壞。節(jié)理角度為60°～70°時巖體最不穩(wěn)定，圍巖失穩(wěn)模式主要為層間剪切滑移，同時包含層狀節(jié)理法向彎折破壞。

4)當豎向節(jié)理時，位移主要在拱部以向下發(fā)展為主，破壞模式主要表現(xiàn)為拱部節(jié)理面的滑移。因此必須采取支護措施，增強節(jié)理面黏聚力和摩擦角，提高層間抗剪強度，最終達到穩(wěn)定圍巖目的。

5)在節(jié)理發(fā)育條件下，隧道施工會導致巖層沿節(jié)理面發(fā)生剪切滑移破壞和地質偏壓。因此，從結構安全和經濟出發(fā)，非對稱支護參數(shù)設計顯得尤為重要，而現(xiàn)行《公路隧道設計規(guī)范》以等長、等間距系統(tǒng)錨桿設計的合理性，值得進一步商榷。

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