隧道穿越節(jié)理巖體引起的圍巖變形特征研究

李金明,肖鳳春,謝 彬,楊鑫茹,師啟蒙

(1.青島市市政公用工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 青島市 266400;2.青島市地鐵四號(hào)線有限公司 青島市 266400;3.中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司 青島市 266400;4.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266400)

0 引言

巖體未受擾動(dòng)的情況下,其本身具有保持自我穩(wěn)定的能力。但是當(dāng)隧道在節(jié)理巖體中施工時(shí),由于節(jié)理面切割巖體,使巖體的整體強(qiáng)度和力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯降低,周?chē)鷰r體沿節(jié)理面滑移會(huì)發(fā)生錯(cuò)層現(xiàn)象,從而導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性降低、變形增大,同時(shí)引起上覆巖體的脫落甚至坍塌,嚴(yán)重影響隧道施工安全。

針對(duì)隧道在節(jié)理巖體中施工引起的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。耿萍[1]為研究富水地區(qū)地應(yīng)力、水位高度和節(jié)理法向剛度等因素對(duì)隧道開(kāi)挖后節(jié)理巖體滲流場(chǎng)重分布的影響,針對(duì)節(jié)理巖體下隧道施工圍巖穩(wěn)定性和圍巖突水災(zāi)害等問(wèn)題,運(yùn)用離散元理論,建立了垂直交叉節(jié)理巖體模型;劉君等[2]通過(guò)改變節(jié)理傾角,研究了隧道施工時(shí)節(jié)理巖體中的應(yīng)力分布特征、隧道圍巖的變形規(guī)律以及隧道施工工序?qū)鷰r變形及其穩(wěn)定性的影響;吳軍[3]首先對(duì)節(jié)理的物理力學(xué)特性進(jìn)行分析,然后通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同節(jié)理傾角、不同節(jié)理間距和不同節(jié)理類(lèi)型下隧道圍巖的變形特征;何長(zhǎng)江等[4]通過(guò)建立節(jié)理巖體模型,改變節(jié)理傾角和節(jié)理間距,分析了隧道分別穿越硬巖和硬軟巖互層時(shí)圍巖的穩(wěn)定性;黃定一[5]使用離散元軟件建立了隧道穿越節(jié)理巖體時(shí)的三維數(shù)值模型,通過(guò)分析節(jié)理巖體各項(xiàng)參數(shù)來(lái)研究圍巖的變形規(guī)律,并從中得出影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素;鄭穎人等[6]基于強(qiáng)度折減法,從巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性入手,主要研究了隧道在節(jié)理巖體中施工時(shí)的破壞模式和安全系數(shù),得出隧道發(fā)生破壞的位置主要受節(jié)理傾角控制的結(jié)論;此外還有學(xué)者對(duì)隧道穿越節(jié)理巖體時(shí)的力學(xué)機(jī)理、隧道圍巖的變形機(jī)制等進(jìn)行了廣泛研究[7-11]。

綜上,圍巖作為隧道施工過(guò)程中的主要承載體,其變形問(wèn)題至關(guān)重要,尤其是隧道在節(jié)理巖體中施工且?guī)r體較為破碎時(shí)問(wèn)題更為顯著。為了避免因圍巖變形過(guò)大導(dǎo)致隧道出現(xiàn)開(kāi)裂、坍塌等工程事故,研究隧道在節(jié)理巖體中施工引起的圍巖變形具有重要現(xiàn)實(shí)意義。文章基于有限元理論,以青島地鐵四號(hào)線西登瀛站—大河?xùn)|站區(qū)間為工程背景,建立隧道在節(jié)理巖體中施工的數(shù)值模型,針對(duì)隧道在節(jié)理巖體中施工引起的圍巖變形問(wèn)題展開(kāi)具體研究。

1 隧道穿越節(jié)理巖體的三維數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模擬依托工程概況

西登瀛—大河?xùn)|區(qū)間的節(jié)理主要由區(qū)域斷層構(gòu)造控制,節(jié)理面形態(tài)較為平直,多呈緊閉～閉合狀,傾角一般在60°～80°,且節(jié)理面在靠近斷裂帶兩側(cè)的地方分布較密集。該段區(qū)間左、右線為分修的兩條單線隧道,采用礦山法施工,區(qū)間隧道拱頂埋深在19.2～38.0 m。

1.2 模型的基本假定

針對(duì)隧道在節(jié)理巖體中施工引起的圍巖變形問(wèn)題,采用Midas GTS NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為方便三維實(shí)體模型的建立和邊界條件的確定,設(shè)定如下基本假定:

(1)將地層視為半無(wú)限空間體;(2)視巖土體為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì);(3)只考慮自重應(yīng)力場(chǎng),不考慮巖土體的構(gòu)造應(yīng)力;(4)在分析圍巖變形時(shí),不考慮因節(jié)理間的相互滑移而引起的巖體結(jié)構(gòu)改變,且兩條節(jié)理間互不影響。

1.3 模型的尺寸和邊界條件

巖土體采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,節(jié)理采用無(wú)厚度的界面單元進(jìn)行模擬。

(1)模型尺寸

根據(jù)已有研究成果可知,隧道影響范圍為3D～5D(D為隧道的直徑)。因此通過(guò)查閱西登瀛—大河?xùn)|區(qū)間的工程資料及相關(guān)規(guī)范確定隧道在節(jié)理巖體中施工的三維模型尺寸為:90 m×30m×60m?？紤]依托工程實(shí)際情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察與工程資料定義如下:按照工程實(shí)際,隧道采用臺(tái)階法施工,隧道拱頂距地面距離取22 m,隧道拱底至模型底部約21.524 m。模型中節(jié)理長(zhǎng)度定義為20 m,隧道長(zhǎng)度取30 m,左右線兩條隧道沿開(kāi)挖方向均設(shè)置10個(gè)開(kāi)挖長(zhǎng)度,每個(gè)開(kāi)挖長(zhǎng)度均為3 m,節(jié)理存在于模型中沿隧道開(kāi)挖方向的微風(fēng)化花崗巖5～25 m處。

(2)邊界條件

模型中的地層下表面施加固定端約束,左右表面施加X(jué)方向約束,前后表面施加Y方向約束,地表面為自由邊界。模擬時(shí)考慮巖土體自重應(yīng)力的作用,且重力荷載系數(shù)取9.807m/s2。建立模型時(shí),初期支護(hù)采取噴射混凝土和植入錨桿共同作用,其中,噴射混凝土采用2D板單元進(jìn)行模擬,錨桿采用植入式桁架進(jìn)行模擬。

1.4 物理力學(xué)參數(shù)的選取

隧道主體位于微風(fēng)化花崗巖中,上覆巖土體為素填土和粉質(zhì)粘土。巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,界面單元的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1 地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表2 界面單元計(jì)算參數(shù)

1.5 模擬所需的工況界定

隧道在節(jié)理巖體中施工時(shí)的隧道圍巖穩(wěn)定性分析主要包括以下兩方面:(1)不同節(jié)理傾角下隧道的圍巖變形分析;(2)不同節(jié)理間距下隧道的圍巖應(yīng)力和圍巖變形分析。

圖1 模型中選取的監(jiān)測(cè)斷面圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同節(jié)理傾角下隧道圍巖變形特征分析

當(dāng)研究不同節(jié)理傾角下隧道圍巖變形特征問(wèn)題時(shí),節(jié)理傾角是變量,因此設(shè)定節(jié)理傾角分別為15°、30°、45°、60°、75°和90°六種不同工況,以此分析圍巖變形特征問(wèn)題。在此將從圍巖豎向位移變化方面分析圍巖的變形特征問(wèn)題。

圍巖豎向位移結(jié)果計(jì)算分析:選取傾角為30°時(shí)左線隧道開(kāi)挖完成后G2斷面隧道圍巖的豎向位移云圖,從圖2、圖3可以看出,拱頂豎向變形影響范圍比拱底豎向變形影響范圍大,由上述分析可知,巖體在節(jié)理處會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),當(dāng)節(jié)理穿過(guò)隧道左側(cè)拱腰和右側(cè)拱肩時(shí),由隧道開(kāi)挖引起的拱部沉降和隧道在均質(zhì)巖體中開(kāi)挖引起的拱部沉降有所不同。隧道穿越節(jié)理巖體時(shí)引起的拱部沉降變形不僅發(fā)生在拱頂位置,還會(huì)由拱頂位置向隧道左右方向延伸,圍巖沉降范圍從拱頂向左下方擴(kuò)展至隧道左側(cè)壁和節(jié)理面相交位置,向右下方擴(kuò)展至隧道右拱肩和節(jié)理面相交位置。

圖2 G2斷面隧道圍巖的豎向位移云圖

圖3 G2斷面隧道圍巖的豎向位移曲線圖

2.2 不同節(jié)理間距下隧道圍巖變形特征分析

(1)圍巖水平位移結(jié)果計(jì)算分析

表3 不同節(jié)理間距下隧道各斷面左、右拱腰水平位移值

(2)圍巖豎向位移結(jié)果計(jì)算分析

表4 不同節(jié)理間距下各斷面拱頂、拱底豎向位移值

從表4可以看出,拱頂和拱底的豎向變形均表現(xiàn)出隨節(jié)理間距的增大而逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)節(jié)理間距較大時(shí),拱頂上方容易形成“壓力拱”,而“壓力拱”的存在可以使隧道保持自穩(wěn)能力,圍巖穩(wěn)定性較高。同時(shí),隧道在不同節(jié)理間距巖體中施工時(shí),同一斷面處拱底的隆起變形要稍大于拱頂?shù)某两底冃?原因?yàn)閮蓷l節(jié)理不在隧道輪廓線內(nèi),而是位于左線隧道右下方,兩條節(jié)理距離左線隧道較近,距離右線隧道較遠(yuǎn),當(dāng)隧道開(kāi)挖時(shí)節(jié)理處發(fā)生剪切變形,圍巖沿著節(jié)理面發(fā)生滑移,而隧道拱底靠近節(jié)理。綜上所述,隧道圍巖以拱底隆起變形為主。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

選取左線隧道開(kāi)挖完成后ZDK29+400斷面和YDK29+400斷面作為監(jiān)測(cè)斷面。隧道拱頂埋深22 m,圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí),節(jié)理傾角75°。對(duì)拱頂沉降結(jié)果進(jìn)行分析,從數(shù)值模型中提取左線隧道監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降模擬值,同時(shí)收集左線隧道監(jiān)測(cè)斷面處拱頂沉降實(shí)測(cè)值,并對(duì)拱頂沉降模擬值和拱頂沉降實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,二者對(duì)比曲線圖如圖4所示。

圖4 ZDK29+40斷面拱頂沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線圖

圖4中,距監(jiān)測(cè)斷面的距離從-24 m變化到6m表示隧道開(kāi)挖逐漸向監(jiān)測(cè)斷面推進(jìn),隨之又逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面。從曲線走勢(shì)來(lái)看,拱頂沉降模擬值和實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)大致相同,拱頂沉降實(shí)測(cè)值稍大于模擬值。隧道在距離監(jiān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)處開(kāi)挖時(shí),監(jiān)測(cè)斷面上拱頂沉降值較小,隨著開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)斷面越來(lái)越近,監(jiān)測(cè)斷面上拱頂沉降值則越來(lái)越大,拱頂最大累計(jì)沉降模擬值約為7.2 mm,最大累計(jì)沉降實(shí)測(cè)值約為8.9 mm,誤差約為19.1%?？傮w來(lái)看,模擬值和實(shí)測(cè)值誤差一般在20%以?xún)?nèi),一定程度上可以反映出運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬是合理可行的。

3 結(jié)論

文章研究隧道在節(jié)理巖體中開(kāi)挖引起的圍巖變形特征問(wèn)題,主要從不同節(jié)理傾角、間距條件出發(fā),對(duì)圍巖的應(yīng)力及不同節(jié)理間距下圍巖的位移變化進(jìn)行具體分析。收集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)值模擬值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,得出以下結(jié)論:隨著節(jié)理間距的減小,隧道圍巖的水平位移值和豎向位移值均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),主要原因?yàn)楫?dāng)節(jié)理間距較小時(shí)節(jié)理排列密集,巖體受節(jié)理的切割作用明顯,與節(jié)理間距較大時(shí)相比,隧道圍巖的整體穩(wěn)定性較差,故圍巖變形較大。