連拱隧道圍巖變形和破壞形態(tài)的DDA分析

胡金海，范東方

(1.福州機場二期高速公路有限公司，福建福州 350002;2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

連拱隧道圍巖變形和破壞形態(tài)的DDA分析

胡金海1，范東方2

(1.福州機場二期高速公路有限公司，福建福州 350002;2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

連拱隧道圍巖一般為由節(jié)理結構面相互切割的非連續(xù)巖體，利用非連續(xù)性分析方法研究這類圍巖的變形和破壞形態(tài)可以更好地反映工程實際情況。采用非連續(xù)變形分析方法DDA，對金雞山連拱隧道圍巖的變形和破壞過程進行了模擬，將整個變形破壞過程劃分為了3個階段:中墻上方巖體變形、地表下沉、滑移面產生階段、隧道左右洞兩側滑移帶(或滑移面)的形成階段以及中墻頂部塊體失穩(wěn)、隧道上方巖體快速塌落階段。研究了金雞山隧道淺埋圍巖和深埋圍巖的變形破壞特征，其中邊墻部位、靠近中墻的內側拱頂或拱肩部位、外側拱肩部位會首先受到變形破壞。

連拱隧道;DDA分析;圍巖變形;節(jié)理;破壞形態(tài)

0 引言

連拱隧道一般屬于淺埋中短長度隧道，隧道埋深一般不超過60.0 m［1］，此種條件下的隧道巖體在各種復雜的地質作用下，會產生永久的變形和構造破壞形跡，形成如褶皺、斷層、節(jié)理、層理等結構弱面。這些結構面的存在，不僅削弱了巖體的力學強度，而且控制著巖體的變形、破壞機制和力學法則，了解和掌握連拱隧道在特定節(jié)理展布特征下圍巖潛在變形、破壞形態(tài)對隧道穩(wěn)定性分析極為重要，是隧道穩(wěn)定分析與穩(wěn)定控制的基礎。

對于連拱隧道，采用連續(xù)介質力學分析方法研究隧道圍巖變形和破壞形態(tài)難以反映節(jié)理面的力學特性和其對工程穩(wěn)定性的影響，分析結果也常與實際情況不符。而采用非連續(xù)性分析方法則可以更好地反映工程實際情況。隧道工程圍巖穩(wěn)定性非連續(xù)性分析方法主要有物理相似模型試驗和數(shù)值分析方法。Everling［2］利用相似模型試驗對有支護結構條件下節(jié)理巖體的變形特性進行了探討和分析;Goodman等［3］利用相似模型試驗對節(jié)理巖體中隧道的變形特性進行了研究、分析;劉濤、沈明榮［4］按彈性階段相似原則進行連拱隧道室內模型試驗，模擬連拱隧道的施工工況，得出施工過程中隧道圍巖位移、應力和塑性區(qū)分布規(guī)律。

物理相似模型試驗雖然能對特定條件下節(jié)理巖體中隧道圍巖的穩(wěn)定性進行反映，但無法直觀的表現(xiàn)出圍巖變形和破壞的完整過程，而數(shù)值分析方法則可以模擬出節(jié)理巖體中隧道圍巖從開始變形到破壞的整個過程。非連續(xù)巖體數(shù)值分析方法有兩種:離散單元法DEM(distinct element method)［5］和非連續(xù)變形分析方法DDA(discontinuous deformation analysis)［6］。本文采用非連續(xù)變形分析方法DDA，對節(jié)理巖體中連拱隧道圍巖的變形和破壞過程進行了模擬，分析總結了圍巖變形和破壞形態(tài)特征以及首先受到變形破壞的特征部位。

1 DDA基本理論

DDA以塊體內某一點的位移、應變?yōu)槲粗浚總€塊體有6個自由度，包括3個剛體運動項和3個應變項，即(u0，v0，r0，εx，εy，γxy)T，其中u0，v0分別為塊體沿x，y方向的剛體平動位移;r0為繞塊體形心(x0，y0)的剛體轉動角;εx，εy，γxy為點(x0，y0)處的應變狀態(tài)。整個系統(tǒng)根據最小勢能原理進行求解，塊體系統(tǒng)的總體方程組為:

如果該塊體系統(tǒng)由n個塊體組成，則有:

式中:Kij(i，j=1，2，…，n)——6×6的子矩陣的元素，Kij與塊體i的材料屬性有關，Kij(i≠j)與塊體i和j之間的相互作用情況有關;Di——塊體i的位移矢量;Fi——作用于塊體i上的荷載矢量。

2 計算模型及結果

利用DDA程序對金雞山隧道中節(jié)理力學屬性較差的不同埋深隧道圍巖變形、破壞過程進行數(shù)值模擬。

2.1 金雞山隧道概況

金雞山隧道為雙向八車道連拱隧道，設計行車速度為100 km/h，限界寬度為17.25 m，凈高5 m。隧道場址區(qū)內發(fā)育有2條斷裂構造，隧道洞身圍巖受其影響，主要表現(xiàn)為帶內圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，易形成排水通道，使圍巖級別變差。

2.2 計算模型

選取金雞山隧道K22+402(Ⅴ級圍巖)斷面和K22+562(Ⅳ級圍巖)斷面為計算斷面。其中K22 +402斷面主要分布70°∠59°、51°∠175°兩組節(jié)理，且左洞埋深15.0 m，右洞埋深14.0 m;K22+ 562斷面分布67°∠58°、59°∠195°兩組節(jié)理，且左洞埋深31.0 m，右洞埋深28.8 m。兩個斷面計算模型尺寸(長×高)分別為80.0 m×44.0 m、80.0 m× 59.0 m。圍巖參數(shù):重度為20 kN/m3;彈模為1.5 GPa;泊松比為0.28;節(jié)理面(弱化)參數(shù):內摩擦角為22°，粘聚力100 kPa，抗拉強度50 kPa。計算模型如圖1所示。

圖1 金雞山隧道計算模型

2.3 計算結果

金雞山隧道圍巖變形和破壞的主要過程如下。

(1)隧道拱頂圍巖最先開始出現(xiàn)明顯的向下變形，隨即距隧道底部最近的孤立、臨空的塊體出現(xiàn)剪切滑移。

(2)隨著隧道上部圍巖不斷變形，隧道邊墻壁上臨空塊體滑落;在左洞和右洞中的頂部圍巖出現(xiàn)拉裂破壞，拉裂破壞區(qū)域靠近隧道中墻，拉裂破壞形態(tài)呈現(xiàn)正“八”字型。其中，埋深為14.0 m的斷面K22+402比埋深較大的斷面K22+562明顯(圖2a、圖3a)，說明隨著埋深的增加，在相同節(jié)理展布特征下，埋深較大的隧道比埋深較淺的隧道較穩(wěn)定。

(3)隧道圍巖塊體變形、破壞繼續(xù)發(fā)展，埋深為14.0 m的K22+402斷面右側邊墻塊體以沿結構面向下滑移為主，相鄰塊體間的位移差值不明顯。但在距隧道壁一定距離后，滑移結構面上兩相鄰塊體間位移差值增大，出現(xiàn)了裂隙，此種現(xiàn)象可以看成塊體間的碎裂現(xiàn)象;左側邊墻則以沿節(jié)理面整體向下滑移為主，滑移塊體間仍然緊密接觸(圖2b)。

隨著埋深的增加，邊墻這種變形特征出現(xiàn)了變化，其中，在金雞山隧道右側邊墻這種向下滑移、碎裂現(xiàn)象在距隧道壁較近的地方(2.0～5.0 m)處已十分嚴重，而外層圍巖此時的變形還比較穩(wěn)定，尚未破壞;左側邊墻臨空塊體出現(xiàn)滑落，但滑移層上的塊體變形不是很明顯(圖3b)。

(4)隨著隧道上方塊體的不斷脫落，埋深較淺的隧道在左右拱肩(或邊墻)處所形成的裂隙不斷發(fā)展，最終形成了兩條滑移帶。

滑移帶的下邊界由邊墻上距隧道底最近的結構面控制，上邊界一般由拱肩部位的結構面控制;兩條滑移帶使隧道上方成倒“八”字型下沉(圖2c)。

而埋深較深時，隧道左右兩側滑移性狀出現(xiàn)了變化和轉移，在隧道右洞，滑移帶不再是沿著滑移面延伸至地表，而是在距隧道壁一定距離的位置轉到與左側相同方向的(第2組)節(jié)理面，此后沿該節(jié)理面延至地表(圖3c)。

(5)當中墻頂部塊體失穩(wěn)后，左右洞拱頂部位的塊體開始脫落、下沉。

圖2 K22+402斷面圍巖變形破壞過程

圖3 K22+562斷面圍巖變形破壞過程

3 金雞山連拱隧道的變形和破壞形態(tài)特征

3.1 金雞山連拱隧道變形、破壞形態(tài)特征

通過對金雞山隧道K22+402(Ⅴ級圍巖)斷面和K22+562(Ⅳ級圍巖)斷面圍巖變形破壞過程的分析，可用圖4、圖5來說明金雞山連拱隧道圍巖變形、破壞的形態(tài)特征。

圖4 淺埋隧道圍巖破壞區(qū)域分布圖

圖5 深埋隧道圍巖破壞區(qū)域分布圖

金雞山隧道圍巖在兩組節(jié)理控制下，隧道圍巖的變形破壞全過程可分為3個階段。

第一階段:中墻上方巖體變形、地表下沉、滑移面產生階段，該階段主要以中墻正上方節(jié)理巖體正“八”字型變形、下沉為主。在該階段中，中墻的寬度、強度對隧道上方巖體變形區(qū)域、變形形態(tài)具有決定性作用。此外，隧道邊墻臨空的塊體出現(xiàn)脫落。

第二階段:隧道左右洞兩側滑移帶(或滑移面)的形成階段。在超淺埋段(K22+402斷面)左右洞兩側滑移面分別為兩組不同節(jié)理面，從破壞形態(tài)上呈現(xiàn)為倒“八”字型(如圖4);而埋深較深段(K22+ 562斷面)左右洞滑移面從總體上看為由同一組(節(jié)理間距最小的一組)的兩個節(jié)理面，即兩個滑移面的主體相互平行(如圖5)。

第三階段:中墻頂部塊體失穩(wěn)、隧道上方巖體快速塌落階段。隨著隧道兩側滑移帶的生成，隧道上方巖體不斷下沉，在中墻頂部塊體失穩(wěn)后，隧道頂部圍巖開始大面積塌落。

3.2 金雞山連拱隧道變形顯著特征部位

金雞山連拱隧道圍巖變形破壞的3個階段中，圍巖首先變形破壞的部位受節(jié)理展布特征影響和自身結構特征的影響，就整個破壞過程而言，首先受到變形破壞的特征部位有:

(1)邊墻部位。受節(jié)理面切割影響，邊墻部位易形成沿節(jié)理面向臨空面滑移的塊體(節(jié)理面與隧道外徑向方向夾角＜90°)，這些塊體在變形破壞過程中容易較早出現(xiàn)滑移破壞。

(2)靠近中墻的內側拱頂或拱肩部位。此處部位圍巖受上覆圍巖重力影響較為嚴重，而隧道中墻由于有限厚度的制約又難以提供足夠支撐力，所以此處圍巖較早的產生變形破壞(即為正“八”字型變形破壞區(qū)域)。

(3)外側拱肩部位。該部位圍巖處于隧道上覆圍巖松散塌落的邊界處，受到節(jié)理面切割影響和重力影響，此處圍巖也會較早發(fā)生變形、破壞。

4 結論

利用非連續(xù)性變形分析方法(DDA)對金雞山隧道圍巖的變形和破壞過程進行了模擬，對隧道圍巖的變形和破壞形態(tài)特征進行了研究，得出了如下結論。

(1)金雞山連拱隧道圍巖在兩組節(jié)理的作用下，變形和破壞過程可以分為3個階段。第一階段:中墻上方巖體變形、地表下沉、滑移面產生階段;第二階段:隧道左右洞兩側滑移帶(或滑移面)的形成階段;第三階段:中墻頂部塊體失穩(wěn)、隧道上方巖體快速塌落階段。

(2)第一階段以中墻正上方節(jié)理巖體正“八”字型變形、下沉為主;第二階段中超淺埋圍巖左右洞兩側滑移面分別為兩組不同節(jié)理面，而埋深較深段左右洞滑移面從總體上看為由同一組(節(jié)理間距最小的一組)的兩個節(jié)理面，即兩個滑移面的主體相互平行。

(3)在圍巖的整個破壞過程中，首先受到變形破壞的特征部位為:邊墻部位、靠近中墻的內側拱頂或拱肩部位、外側拱肩部位。

［1］劉洪州，黃倫海.連拱隧道設計施工技術研究現(xiàn)狀［J］.西部探礦工程，2001，(1):54－55.

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［3］Goodman R.E.，Heuze H.E，Bureau G.J.On modeling techniques for the study of tunnels in jointed rock［C］.Fourteenth Symposium on Rock Mechanics:1972.441－479.

［4］劉濤，沈明榮，陶履彬.連拱隧道動態(tài)施工模型試驗與三維數(shù)值仿真模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(9):1802－1808.

［5］Cundall，P.A.Acomputermodel for simulating progressive，large scalemovements in blocky rock system［C］.Symposium of International Society of Rock Mechanics.Nancy，F(xiàn)rance:1971.11－18.

［6］Shi，G-H.Discontinuous deformation analysis—a newmodel for the statics and dynamics of block systems［D］.Department of Civil Engineering，University of California，Berkley:1988.

Analysis on Deformation and Failure Mode Characteristics of Surrounding Rock of Multi-arch Tunnel by DDA Method

HU Jin-hai1，F(xiàn)AN Dong-fang2(1.The Second Phase Project of Fuzhou International Airport Highway Corporation，F(xiàn)uzhou Fujian 350002，China;2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

The surrounding rock of multi-arch tunnel is intermittence jointed rock masses in most cases;it’s more realistic to analyze the deformation and failure mode characteristics of this kind of rock with discontinuous deformation analysis (DDA)method.The deformation and failure process of surrounding rock of Jinjishan multi-arch tunnel was simulated and the whole failure process was divided into 3 stages:rock deformation，surface subsidence and slip plane appearing above the mid-partition;slip planes(or bands)forming on both sides of tunnel;the rock mass instability above the mid-partition and rapid collapsing of rock mass above the tunnel.The paper studied the deformation and failure characters of shallow and deep surrounding rock in Jinjishan tunnel with the conclusion that the sidewall of the tunnel，the dome or the inside spandrel close to mid-partition and the outside spandrel would be first deformed.

multi-arch tunnel;DDA;surrounding rock deformation;joint;failure mode

U45

A

1672－7428(2012)04－0072－04

2011－08－27

胡金海(1966－)，男(漢族)，福建莆田人，福州機場二期高速公路有限公司董事長，公路與城市道路專業(yè)，從事工程建設管理工作，福建省福州市，fz.hjh@163.com。