高應力下不同節(jié)理傾角的隧道穩(wěn)定性影響研究

楊明明

(中鐵十八局集團第一工程有限公司,河北 保定 072750)

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)的快速推進,公路工程、水利水電工程等基礎設施大量建設。西部地區(qū)地形地勢復雜,基礎工程建設最大的難題之一就是巖體結構復雜。在漫長的地質活動中,巖體內部存在大量的節(jié)理、裂隙及斷層等不連續(xù)結構面。在極大的原巖應力作用下,在結構面及應力卸載的共同作用下,必然會破壞巖體原有的穩(wěn)定性,使巖體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。因而有必要針對山區(qū)深埋巖體,探究在不同節(jié)理傾角下隧道開挖對巖體穩(wěn)定性的影響。

對于節(jié)理巖體研究方法,目前主要有經驗分析法[1-2]、理論分析[3-4]、室內試驗[5-6]及數(shù)值模擬[7]等,李劍光等[8]通過顆粒離散元研究了單節(jié)理不同傾角對隧道穩(wěn)定性影響,揭示了節(jié)理與洞壁相交處位移較大機制。谷拴成等[9]通過有限元軟件及理論推導,得出隧道各層破壞面與垂向夾角,進而推算出冒落拱的高度。楊仁樹等[10]通過理論推導獲得底板損傷破壞深度及損傷區(qū)分布特征,并通過數(shù)值計算得出底板的實際應力狀態(tài)。

從上述以往學者研究不難發(fā)現(xiàn),目前復雜地質工況理論推導存在局限性。隨著計算機的發(fā)展,數(shù)值模擬對復雜工況計算有很大優(yōu)勢,針對巖體的數(shù)值模擬,有限元及有限差分等數(shù)值軟件能夠很好地揭示宏觀變形位移特征,但其對揭示細微觀破壞機制及巖土體大變形破壞存在缺陷。

顆粒離散元PFC 基于力-位移準則及運動法則,能從細微觀角度揭示隧道圍巖應力重分布后巖石內部損傷裂紋發(fā)展情況,基于大變形計算優(yōu)勢,能揭示隧道巖爆產生區(qū)域及方向。從細微觀角度及大變形角度揭示巖體隧道變形本質。

1 工程概況及離散元模型參數(shù)確定

1.1 工程概況

本數(shù)值模型試驗是以汾西礦務局南關礦3206 回采隧道為背景,埋深530～650 m,硐室半徑為2 m,上覆巖層平均容重約23 kN/m3,靜水壓力20 MPa,內摩擦角為32°,巖石單軸抗壓強度31.8 MPa。巖體內部層理、節(jié)理交錯、貫穿。在高地應力作用下,隧道巖體變形機理極其復雜,影響隧道開挖安全性。

1.2 離散元基本原理及模型參數(shù)確定

顆粒離散元PFC2D,基于兩大法則(力-位移準則及運動法則)不斷更新顆粒位置及力。

1.2.1 力-位移準則

顆粒離散元模型中,作用于接觸模型的力由切向接觸力和法向接觸力組成:

結合本構模型,可得到作用于顆粒上的合力及合力矩。

1.2.2 運動法則

通過力-位移準則確定了作用于顆粒上的合力和合力矩,而后根據(jù)運動法則,可建立顆粒平移和旋轉運動方程:

將通過運動法則計算得到的位置信息更新,代入力-位移準則,重新算得作用于顆粒上合力和合力矩[8],如此反復。

與傳統(tǒng)有限元及有限差分法不同,PFC2D針對不同巖土特性材料選用不同接觸模型。顆粒離散元軟件中附帶大量接觸本構模型,能很好反映砂土摩擦屬性的線性模型,不考慮抗轉動影響的點接觸模型以及考慮抗轉動的平行粘結模型及平節(jié)理模型,對于模擬巖石內部損傷和節(jié)理的光滑節(jié)理模型,大量學者研究發(fā)現(xiàn),顆粒離散元細觀參數(shù)與材料的宏觀參數(shù)不是一一對應,其中平行粘結模型能較好地反映巖石的力學特性及變形特性[9-10],其本構模型見圖1。顆粒受外力作用,當其荷載超過極限荷載時,接觸模型中的法向接觸強度和切向接觸強度同時降為0,模型一般退化成線性接觸模型;力矩與轉角角度相關,當達到抗彎極限,力矩數(shù)值減小為0。

圖1 平行粘結本構模型

本文基于室內試驗參數(shù),采用試錯法獲取平行粘結模型細觀強度參數(shù),見表1。

表1 DEM 模型細觀參數(shù)[11]

通過單軸試驗驗證細觀參數(shù)準確性,見圖2,DEM 單軸試驗應力-應變曲線峰值應變及峰值應力與試驗數(shù)據(jù)基本相符,破壞形式符合巖石的單剪破壞形態(tài)[12]。宏觀參數(shù)與DEM 試驗力學參數(shù)對比見表2,吻合度較高,PFC2D較好地反映巖體變形及力學特性。

表2 宏觀參數(shù)及DEM 試樣力學參數(shù)對比

圖2 單軸標定應力-應變曲線及破壞形態(tài)

2 含不同傾角節(jié)理離散元模型建立

基于上文接觸模型及細觀參數(shù),建立含不同節(jié)理隧道模型。研究圓形隧道半徑為2 m,考慮尺寸效應,取模型長寬為24 m×24 m。模型邊界由四面墻單元組成,通過伺服控制程序,控制邊界應力維持在30 MPa。節(jié)理模型通過光滑節(jié)理模型模擬,考慮到巖體節(jié)理密度較大,為揭示節(jié)理密集情況下巖體破壞特征,數(shù)值模擬中節(jié)理間距為3.5 m,研究無節(jié)理巖體、節(jié)理傾角20°、節(jié)理傾角45°及節(jié)理傾角70°共4 種工況下的圓形隧道力學及變形演化特征[13-14]。不同節(jié)理隧道模型見圖3所示。

圖3 含不同節(jié)理隧道模型

3 離散元模型計算結果

下文主要從變形、裂紋發(fā)展情況及徑向應力分析不同傾角節(jié)理對隧道穩(wěn)定性影響。

3.1 變形及裂紋發(fā)展情況

不同傾角節(jié)理巖體變形及裂紋發(fā)育情況見圖4所示。圖5為節(jié)理傾角70°局部裂隙放大圖。

圖4 不同傾角節(jié)理巖體變形及裂紋發(fā)育情況

圖5 節(jié)理傾角70°局部裂隙放大圖

由圖4(a)可知,對于無節(jié)理巖體,開挖導致圍巖應力重分布,在不考慮結構面情況下,卸載作用下巖體四周應力分布較均勻,裂隙沿臨空面較近距離分布,且裂隙發(fā)育程度較低。由圖4(b)與圖4(d)可知,節(jié)理傾角20°及傾角70°巖體,變形沿臨空面方向分布明顯不均勻,且變形量明顯高于無節(jié)理巖體。由于貫穿節(jié)理切割巖體,導致巖體呈現(xiàn)各向異性,在節(jié)理與臨空面接觸處產生應力集中現(xiàn)象,導致裂隙從接觸處擴展,不斷向巖體內部發(fā)育,極大地降低隧道巖體穩(wěn)定性[15]。由圖4(c)可知,節(jié)理傾角45°時,巖體向臨空面變形較其他角度減小,裂紋發(fā)育區(qū)域減小。

在高應力作用下,深部巖體極易誘發(fā)巖爆作用,對生命財產造成巨大損失。通過分析不同節(jié)理下裂紋擴展方式發(fā)現(xiàn)裸巷模型,裂紋在臨空面分布較均勻,巖石沿隧道周邊損傷均勻,應力集中現(xiàn)象有一定程度釋放。節(jié)理角度為20°及70°時,節(jié)理與隧道臨空面交界處出現(xiàn)破裂塊體,高應力作用下,其交界處應力集中現(xiàn)象明顯,發(fā)生巖爆作用,巖爆作用均出現(xiàn)于兩節(jié)理之間。節(jié)理傾角為45°時,出現(xiàn)巖爆作用,但其作用強度小于節(jié)理傾角為20°及70°隧道。節(jié)理角度20°及70°,模型各向異性較大,隧道在節(jié)理與臨空面交界處的應力集中現(xiàn)象明顯,巖爆產生概率增大。

3.2 徑向應力情況

從應力重分布角度分析節(jié)理對隧道穩(wěn)定性影響,不同傾角節(jié)理巖體徑向應力分布見圖6所示。

由圖6(a)可知,無節(jié)理隧道,開挖卸荷作用下,隧道臨空面徑向應力較大,隧道整體性較完整,與上述裂紋發(fā)展規(guī)律相符。由圖6(b)與圖6(d)可知,節(jié)理傾角20°及70°隧道,應力重分布后,由于巖石損傷,巖爆作用發(fā)生,臨空面徑向應力衰減嚴重,隧道處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6(c)可知,節(jié)理傾角為45°時,徑向應力一定程度衰減,但仍具有一定支撐作用。

圖6 不同傾角節(jié)理巖體徑向應力分布

圖7不同傾角節(jié)理徑向應力對比,巖體開挖卸荷作用下,對于無節(jié)理模型及節(jié)理傾角45°,臨空面巖體破壞程度較小,臨空面巖體較完整,應力較大。節(jié)理角度20°及70°巖體,由于巖體各向異性加劇,臨空面巖體破壞嚴重,徑向應力嚴重降低,對隧道支撐作用極大減低,巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 不同傾角節(jié)理徑向應力對比

4 多節(jié)理對隧道穩(wěn)定性影響

上述研究了一組平行節(jié)理對隧道穩(wěn)定性的影響,經現(xiàn)場調查及勘察,巖體含有大量面節(jié)理,與平行節(jié)理貫穿形成多組交錯節(jié)理,巖石被交錯節(jié)理切割。在上述研究的45°節(jié)理基礎下,添加一條模擬面節(jié)理的平行節(jié)理,研究隧道在多節(jié)理狀態(tài)下穩(wěn)定性,見圖8所示。

圖8 多組交錯節(jié)理隧道模型

隧道多節(jié)理狀態(tài)下變形及裂紋發(fā)展情況見圖9。由圖9可知,隧道臨空面變形大,交界面處裂紋發(fā)育劇烈,伴隨著巖爆現(xiàn)象,大量塊體掉落或傾向隧道空間,巖體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。圖10 為多節(jié)理巖體局部裂隙放大圖。

圖9 多節(jié)理巖體變形及裂紋發(fā)育情況

圖10 多節(jié)理巖體局部裂隙放大圖

節(jié)理將巖體切割成塊體,巖體開挖卸荷作用下,應力重分布,在塊體交界處產生應力集中,巖體從卸荷最嚴重的隧道臨空面開始發(fā)生損傷,隧道臨空面處徑向應力急速減低,趨向于0,徑向應力最大點向巖體深部移動,見圖11 所示。

圖11 多節(jié)理巖體徑向應力分布

由圖11 可知,多組節(jié)理隧道穩(wěn)定性極大降低,可從裂紋發(fā)育及應力分布情況揭示其機理。由于多層節(jié)理對巖體其切割作用,形成的塊體交界處產生應力集中,損傷從臨空面逐漸向巖體內部擴展,造成隧道失穩(wěn)。

5 結論

(1)基于顆粒離散元PFC2D建立了不同節(jié)理角度巖體模型,在開挖卸荷作用下,從變形及裂隙發(fā)展角度揭示了不同節(jié)理角度對巖體穩(wěn)定性影響,揭示了變形機理破壞機理。

(2)節(jié)理傾角為20°及70°時,巖體各向異性較大,隧道在節(jié)理與臨空面交界處的應力集中現(xiàn)象明顯,巖體損傷作用明顯,巖爆產生概率增大。

(3)隨著巖體各向異性較大,巖體沿隧道臨空面變形增大,裂隙發(fā)育劇烈,不斷向內部擴展,徑向應力急劇降低,隧道穩(wěn)定性嚴重降低。

(4)多層節(jié)理對巖體的切割作用明顯,其交界處產生應力集中,裂紋從臨空面向巖體內部擴展,隧道巖爆作用明顯,自穩(wěn)狀態(tài)極大降低。