層理面傾角對隧道穿越層狀地層區(qū)域圍巖穩(wěn)定性的影響分析

摘要：文章開展室內(nèi)試驗(yàn)并建立層狀巖體ABAQUS數(shù)值模擬模型，分析了層理面的傾角對圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：不同層理面傾角導(dǎo)致不同巖體破壞模式，分別是張拉劈裂破壞、剪切滑移破壞、穿過層理面的剪切破壞、沿層理面劈裂破壞；巖體的力學(xué)性質(zhì)因?qū)永砻娴拇嬖诙艿饺趸?，?dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性降低，除0°和90°以外的其他傾角使得圍巖的變形呈現(xiàn)出不均勻、非對稱分布特征；圍巖拱頂和拱底位移大于拱腳，拱腳和拱腰更易產(chǎn)生應(yīng)力集中。研究成果對今后設(shè)計(jì)和建造類似層狀巖層隧道具有一定的參考借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道；圍巖；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性；層理面傾角

中圖分類號：U452.2+7" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.040

文章編號：1673-4874（2024）11-0133-03

0引言

隨著“十四五”規(guī)劃及“一帶一路”倡議等國家戰(zhàn)略的實(shí)施，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)。隧道修建過程中常需要穿越更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，而層狀巖體分布廣泛，許多地下工程都建造在這種類型的巖體中，因?qū)訝钴浫鯉r體流變參數(shù)的各向異性特征，產(chǎn)生非對稱型形變，會嚴(yán)重影響圍巖的穩(wěn)定性，對隧道的施工安全、長期穩(wěn)定性以及維護(hù)成本產(chǎn)生重要影響。因此亟須對隧道穿越層狀地層區(qū)域圍巖穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析。

近年來，各研究學(xué)者對隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，有對隧道埋藏深度、側(cè)壓系數(shù)和層理面傾角等物理力學(xué)參數(shù)及隧道直徑、襯砌形式、襯砌結(jié)構(gòu)等工程參數(shù)的研究［1］。有學(xué)者使用節(jié)理組數(shù)、剪切及體積模量等參數(shù)確定圍巖的亞級和穩(wěn)定跨度，用自穩(wěn)跨度相對比例曲線確定BQ值亞級數(shù)值的范圍［2-3］。有學(xué)者從圍巖分級、應(yīng)力應(yīng)變分析、監(jiān)控量測結(jié)合力學(xué)反演分析隧道圍巖特性及失穩(wěn)敏感因子，預(yù)測評估圍巖變形及受力情況，綜合評價(jià)圍巖穩(wěn)定性［4-5］。此外，有學(xué)者利用實(shí)際工程項(xiàng)目中的斷裂帶山體圍巖，構(gòu)建了一個(gè)雙連拱隧道穿越斷裂帶的三維模型，通過對隧道施工過程中破碎帶圍巖的變形和應(yīng)力進(jìn)行三維非線性計(jì)算分析，評估圍巖的穩(wěn)定性并據(jù)此采取相應(yīng)的支護(hù)措施［6］。Gatelier等［7］通過試驗(yàn)研究試樣的力學(xué)性質(zhì)與傾角的影響關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果也得出圍壓對試樣各向異性特征存在明顯影響。

本文通過文獻(xiàn)調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、ABAQUS數(shù)值模擬分析，對層狀地層區(qū)域頁巖各向異性力學(xué)特性進(jìn)行研究，分析不同層理面傾角對層狀巖體圍巖穩(wěn)定性的影響。

1工程背景

本文以某市機(jī)場線南延伸線盾構(gòu)隧道施工為研究對象，該隧道里程樁號為K347+190～K349+245，長度為2 055 m。隧道開挖斷面最大寬度為14.5 m，凈高H=10.6 m。該隧道所穿越地層主要以頁巖為主，地質(zhì)剖面圖見圖1。

2層狀巖層圍巖隧道失穩(wěn)機(jī)制

當(dāng)隧道穿越層狀巖層時(shí)，隧道周圍的圍巖失去了原有的支撐條件，導(dǎo)致臨空面的巖體開始發(fā)生位移。由于層狀巖層中的層間節(jié)理粘結(jié)力較弱，這些節(jié)理在受到外部應(yīng)力時(shí)容易張開并破裂。隨著節(jié)理的破裂，各層層狀巖層之間的連接變得薄弱，開始分離并各自成為獨(dú)立的受力單元。這些獨(dú)立的巖層在受到彎剪作用時(shí)，由于抗彎和抗剪強(qiáng)度較低，容易發(fā)生剪切斷裂。巖層的斷面沿著新舊破裂面發(fā)生側(cè)向滑移和變形，進(jìn)一步導(dǎo)致巖體向隧道開挖空間擠壓，這種擠壓作用使得巖體失去穩(wěn)定性，最終可能導(dǎo)致隧道的失穩(wěn)［8］。層狀巖層圍巖隧道失穩(wěn)的原因在于巖層在失去有效約束力的條件下，其層理節(jié)理遭受破壞，并且?guī)r層的變形不斷增大，一旦達(dá)到臨界狀態(tài)，就會導(dǎo)致巖體的整體失穩(wěn)。

3室內(nèi)試驗(yàn)

本文通過單軸壓縮試驗(yàn)對不同層理傾角的巖體的力學(xué)特征及破壞形態(tài)進(jìn)行了分析探討。

3.1制作試樣

從隧道現(xiàn)場選取層狀巖體試樣，所選試樣需質(zhì)地均勻、層理面清晰可見、傾角均勻、表面無裂縫缺口。鉆孔取芯了5種不同層理傾角（0°、30°、45°、60°、90°）的試件。按照要求，試樣高度與直徑之比宜為2.0～2.5，故采用高度為10 cm、直徑為5 cm的圓柱形試件。

3.2試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

壓縮試驗(yàn)采用傳感器及TAW-2000KN型巖石多功能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)以0.3 mm/min的速度對試件施加軸向壓力，直到試件破壞。在試驗(yàn)過程中，記錄試件所受的壓力、應(yīng)變及破壞形態(tài)等。

3.3抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

巖石的層理面角度是破壞模式表現(xiàn)出各向異性的重要因素。通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得不同層理面傾角時(shí)的抗壓強(qiáng)度變化，見圖2。

由圖2可知，隨層理面傾角的增加，試件抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，說明層理面的存在降低了巖體的強(qiáng)度。

將單軸壓縮試驗(yàn)后試件的破壞形態(tài)描繪成圖3進(jìn)行分析。

由圖3可知，當(dāng)層理面傾角為0°時(shí)，試件裂縫平行于加載方向，裂紋貫穿試件兩端，沿層理面未出現(xiàn)裂紋；當(dāng)層理面傾角為30°和45°時(shí)，試件沿層理面方向產(chǎn)生剪切滑移破壞，部分裂縫貫穿層理且連通；當(dāng)傾角為60°時(shí)，試件裂縫平行于層理面，產(chǎn)生剪切破壞；當(dāng)傾角為90°時(shí)，試件平行于層理面劈裂破壞，且破壞較為嚴(yán)重，巖體表現(xiàn)出脆性特征。由此可得，不同層理面傾角下巖體破壞模式存在差異。當(dāng)傾角為0°時(shí)，巖體產(chǎn)生張拉破壞，隨著角度的增加巖體產(chǎn)生沿層理面的剪切滑移破壞，當(dāng)傾角增大為90°時(shí)，巖體產(chǎn)生劈裂張拉破壞。綜合前述理論分析與試驗(yàn)結(jié)果可得，頁巖的層理面是薄弱面［9］，這種特定的層狀構(gòu)造及層理面之間的弱膠結(jié)作用是造成其變形特性、破壞模式等各向異性的關(guān)鍵因素。

4有限元計(jì)算模型

隧道的開挖改變了原有的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而影響到圍巖的穩(wěn)定性。針對層狀地層的結(jié)構(gòu)及其基本力學(xué)特性，利用ABAQUS軟件對隧道穿越層狀地層過程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。通過調(diào)整不同參數(shù)，分析不同工況下隧道開挖、支護(hù)后圍巖的位移、應(yīng)力及應(yīng)變，可反映不同因素對圍巖穩(wěn)定性的影響。

4.1模型建立

本研究采用三維實(shí)體模型模擬隧道開挖過程中的應(yīng)力場和位移場變化，基于彈性力學(xué)的圣維南原理，隧道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布主要局限于一定范圍內(nèi)，而在遠(yuǎn)離隧道開挖的區(qū)域，位移和應(yīng)力的變化相對微弱。因此，在構(gòu)建有限元模型時(shí)，本文將模型尺寸設(shè)定為洞徑的3倍，以確保模擬區(qū)域能夠充分涵蓋應(yīng)力重分布的主要影響區(qū)，這種設(shè)定可有效地預(yù)測分析隧道開挖對周圍環(huán)境的影響。[JP3]模型根據(jù)常見的層狀巖體力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值來確定隧道圍巖的等效參數(shù)，圍巖考慮為彈塑性材料，模型施加主動支撐力于開挖后的圍巖以提供圍巖承載力，利用Drucker-Prager準(zhǔn)則模擬圍巖的破壞。此外，該模型不考慮地下水和地震作用的影響。數(shù)值模擬參數(shù)如表1所示。

計(jì)算模型在初始平衡階段，設(shè)定位移邊界條件，模型前后左右邊界受到水平方向的位移約束，底部受到豎直方向的位移約束，頂部為垂直地應(yīng)力加載面。然后再進(jìn)行開挖模擬。本次模擬采用臺階法的開挖方式，見圖4。采用應(yīng)力釋放來模擬開挖面，每次完成開挖后，均及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，根據(jù)開挖工序監(jiān)測數(shù)值模擬中各監(jiān)測點(diǎn)位移、應(yīng)力及應(yīng)變特征，進(jìn)而對隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算模型見圖5。

在模擬初期支護(hù)時(shí)，簡化計(jì)算模型，采用梁單元并且只考慮受軸力和彎矩的作用。圍巖初期支護(hù)采用混凝土加鋼筋網(wǎng)和型鋼支護(hù)。采用等效折算的方法將鋼筋網(wǎng)及型鋼的彈性模量折算到混凝土中，折算后的力學(xué)參數(shù)表見表2。

4.2不同傾角巖層計(jì)算模型

本文分別建立無層理面及不同層理面傾角的模型，研究對隧道開挖穩(wěn)定性的影響。模型X軸為水平方向，Y軸為隧道軸向，按層傾角分為無層理面、0°、30°、45°、60°和90°六種情況進(jìn)行計(jì)算（圖6）。

5數(shù)值模擬結(jié)果與分析

5.1不同工況下洞周圍巖位移變化情況

總位移是各方向位移的矢量和的絕對值，能全面反映圍巖的變形情況。不同層理面傾角下圍巖的位移值見表3。

由表3可知，無層理面時(shí)圍巖的位移小于有層理面傾角時(shí)的位移，這說明了層理面的存在使圍巖的穩(wěn)定性降低。無層理面及層理面為0°時(shí)，圍巖的總位移左右對稱。而當(dāng)層理面傾角為30°、45°、60°時(shí)，圍巖總位移左右非對稱。當(dāng)層理面傾角增大為90°時(shí)，圍巖的總位移又變?yōu)樽笥覍ΨQ，說明隧道左右兩側(cè)的偏壓效應(yīng)從弱變強(qiáng)再變?nèi)酢４送?，洞周圍巖位移隨傾角變化而變化，總位移最大值均出現(xiàn)在拱頂處，拱底的位移較大，部分角度拱腰位移較大，而拱腳位移均較小。因此，在實(shí)際隧道工程施工中為確保圍巖的穩(wěn)定，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對拱頂和拱底處的變形。

5.2不同工況下圍巖塑性區(qū)變化情況

通過對比分析不同層理面傾角下隧道開挖后的圍巖塑性變形情況，可以直觀地揭示層理面傾角對圍巖應(yīng)力分布的影響、圍巖穩(wěn)定性的變化。不同工況下塑性區(qū)的隧道圍巖輪廓線繪制見圖7。

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和圖7可知，當(dāng)隧道穿越無層理面的巖體時(shí)，未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，表明其具有較高的穩(wěn)定性。不同傾角的層狀圍巖均出現(xiàn)塑性區(qū)，說明層理面的存在使圍巖的穩(wěn)定性降低。此外，層理面傾角為0°和90°時(shí)塑性區(qū)表現(xiàn)出明顯的對稱性，此時(shí)隧道開挖對圍巖的影響較為均勻。隨著傾角從0°逐漸增大至90°，圍巖塑性區(qū)的分布面積呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，表明層理面傾角的變化不僅影響塑性區(qū)面積還導(dǎo)致塑性區(qū)的分布形態(tài)變化。分析可得，隨著層理面傾角的變化，圍巖的塑性區(qū)也會相應(yīng)地偏轉(zhuǎn)一定的角度。在工程實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)層理面傾角預(yù)測可能的破壞位置，并據(jù)此采取加固措施，可有效地防止圍巖失穩(wěn)和開裂，確保隧道的安全穩(wěn)定。

5.3初期支護(hù)受力分析

上述模型在每次開挖后均進(jìn)行了支護(hù)，將不同位置受到的最大壓應(yīng)力記錄整理，得出不同工況下初期支護(hù)應(yīng)力值見表4。

由表4可知，無層理面時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的壓力小于有層理面傾角時(shí)。無層理面及層理面為0°時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力左右對稱。而當(dāng)層理面傾角為30°、45°、60°時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力左右非對稱。當(dāng)層理面傾角增大為90°時(shí)，受力又變?yōu)樽笥覍ΨQ，這種變化趨勢與前文的圍巖位移變化趨勢類似。此外，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨傾角變化而變化，受力最大值均出現(xiàn)在拱腳處，實(shí)際工程應(yīng)重點(diǎn)注意拱腳的支護(hù)，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

6結(jié)語

本文針對隧道穿越層狀地層時(shí)造成的圍巖變形失穩(wěn)問題，研究了不同層理面傾角對圍巖變形與破壞特征的影響，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)層理面傾角在0°時(shí)易產(chǎn)生張拉劈裂破壞；當(dāng)傾角在30°～60°時(shí)常產(chǎn)生剪切滑移破壞或穿過層理面的剪切破壞；當(dāng)層理面傾角逐步增大至90°時(shí)，剪切滑移破壞逐漸減小，易產(chǎn)生劈裂破壞。

（2）在層理面傾角從0°增大到90°的過程中，圍巖的位移及塑性區(qū)均發(fā)生變化，且都比無層理面時(shí)更大更不利，說明層理面的存在降低了隧道的穩(wěn)定性。

（3）在各種層理面傾角條件下，圍巖的拱頂位移始終最大，這一現(xiàn)象表明隧道開挖過程中塌方和大變形的高風(fēng)險(xiǎn)性。此外，拱腳和拱腰部位所受的巨大壓應(yīng)力導(dǎo)致了明顯的應(yīng)力集中，這進(jìn)一步增加了施工難度和復(fù)雜性。因此，對于這些關(guān)鍵部位，施工團(tuán)隊(duì)在施工過程中需特別關(guān)注并采取有效的支護(hù)和加固措施，為隧道的安全施工和長期運(yùn)營提供堅(jiān)實(shí)保障。

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作者簡介：甘沛玉（1986—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18