節(jié)理傾角對層狀巖體大斷面隧道穩(wěn)定性研究

趙景彭

(大同市高速公路有限責(zé)任公司，山西 大同 037014)

1 情況介紹

在巖體生成過程中，經(jīng)受各種復(fù)雜地質(zhì)作用，發(fā)育著斷層、節(jié)理和各種裂隙等結(jié)構(gòu)面，使其物理力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜。而圍巖破壞取決于節(jié)理，往往都是由優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制。用基于連續(xù)性假設(shè)數(shù)值方法來研究和設(shè)計［1-3］，離散元法特別適合于富含節(jié)理不連續(xù)面體，因而得到較為廣泛應(yīng)用。

Souley等研究不同本構(gòu)結(jié)構(gòu)模型對UDEC模擬計算結(jié)果的影響;Rajinder等用UDEC對喜馬拉雅山大型地下工程穩(wěn)定性進(jìn)行探討;王貴君等運(yùn)用UDEC對節(jié)理巖體大斷面隧道圍巖和支護(hù)施工全過程進(jìn)行數(shù)值分析;譚云亮等利用離散單元法探討全長錨桿對節(jié)理圍巖穩(wěn)定性影響［4-6］。

對比國內(nèi)外文獻(xiàn)，針對深埋隧道不同節(jié)理傾角層狀巖體穩(wěn)定性研究并不多見，因此，研究不同節(jié)理傾角下圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)力學(xué)響應(yīng)具有顯著理論意義和實(shí)踐價值［7-10］。

2 工程概況

以大梁山特長隧道工程為依托，隧址區(qū)位于山西省北部陰山山脈大梁山基巖山區(qū)內(nèi)。隧道全長6 058.00 m，最大埋深364.46 m。隧道洞軸平行地層走向，巖層傾向山體(傾向右側(cè))，傾角40°～50°，加之節(jié)理切割，左側(cè)邊墻、拱腳存在不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體，易產(chǎn)生滑坍坍方。巖層與隧道洞體小角度相交，對洞身影響段落較長，斷層帶內(nèi)的變輝綠巖脈較為破碎，斷層與圍巖接觸帶擠壓明顯，長石類礦物高嶺土化強(qiáng)烈。

3 計算模型及參數(shù)選取

3.1 數(shù)值模擬目的

采用離散元UDEC軟件，把節(jié)理巖體視為由離散的塊體和巖塊間的節(jié)理面組成，研究巖層傾角變化(0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90°)時圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律，節(jié)理間距1 m。

3.2 計算模型及邊界條件

為減小邊界影響，模型橫向取100.0 m，下邊界距離隧道中心35.0 m，上邊界距離隧道中心100.0 m。隧道跨度13.2 m，固定左右邊界水平位移，下邊界固定豎向位移，上邊界施加自重應(yīng)力邊界，計算模型如圖1所示，錨桿長度4.0 m，環(huán)向間距1.2 m。

圖1 計算模型

3.3 計算參數(shù)

根據(jù)大梁山隧道工程現(xiàn)場勘查報告及現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)［2，6］，巖塊和節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)取值如表1、表2所示。塊體采用 Mohr-Coulomb模型，結(jié)構(gòu)面采用面接觸滑動本構(gòu)模型。埋深取300 m自重應(yīng)力場，在隧道中心施加垂直地應(yīng)力σy=6.90 MPa，水平方向的地應(yīng)力σx=3.25 MPa，向四周圍巖按應(yīng)力梯度均勻變化。

表1 巖塊物理力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

4 計算結(jié)果

由于節(jié)理的存在，其荷載出現(xiàn)明顯順層偏壓現(xiàn)象，節(jié)理沿著節(jié)理面有滑動的趨勢，甚至出現(xiàn)滑動，由此，在順著節(jié)理方向產(chǎn)生較大的壓力荷載。

4.1 錨桿軸力分析

各種傾角下錨桿軸力分布形式如圖2所示，表3為不同傾角左右兩側(cè)對稱錨桿軸力差值。

圖2 隧道錨桿軸力分布特征

從圖2和表 3看出，在傾角較小時(0°，15°)，兩側(cè)錨桿軸力差值不大，兩側(cè)錨桿基本對稱，說明傾角較小時，不易發(fā)生順層滑動，洞周圍巖破壞形式與板裂介質(zhì)理論一致。隨著傾角增大(15°～60°)，兩側(cè)錨桿軸力差值增大，左側(cè)明顯大于右側(cè)，巖層順弱勢節(jié)理面滑動趨勢增大，洞周破壞主要取決于節(jié)理面強(qiáng)度。傾角75°～90°時，兩側(cè)錨桿軸力基本對稱，洞周受力也趨于對稱，圍巖破壞主要為邊墻巖層彎曲壓潰。

表3 左右兩側(cè)錨桿軸力差值 kN

4.2 圍巖力學(xué)響應(yīng)

隧道開挖后，周向應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度處于屈服狀態(tài)時，能量峰值會向圍巖內(nèi)部移動，隧道開挖后圍巖會出現(xiàn)周向應(yīng)力集中和徑向應(yīng)力松弛現(xiàn)象。不同巖層傾角(0°，30°，60°和 90°)主分布如圖 3 所示，由于 15°，45°和75°與前述情況相似，在此不再敘述。

圖3 不同傾角節(jié)理隧道圍巖主應(yīng)力分布特征

從圖3看出，節(jié)理方向不僅影響著主應(yīng)力方向，而且也影響其大小。在平行于節(jié)理方向洞室周邊主應(yīng)力分布相對較均勻，而在垂直于節(jié)理方向洞室周邊主應(yīng)力分布極不均勻，同時在結(jié)構(gòu)面附近主應(yīng)力集度較大。

對比不同傾角圍巖主應(yīng)力分布形式，錨桿應(yīng)該與結(jié)構(gòu)面成大角度交叉布置，發(fā)揮“銷釘”作用，降低和傳遞主應(yīng)力集中程度，錨桿能把數(shù)層層狀巖體串連在一起，增大層間摩阻力，從而減小層間剪切錯動，增強(qiáng)隧道穩(wěn)定性，相當(dāng)于增強(qiáng)了節(jié)理剪切剛度，抑制層狀巖質(zhì)隧道的剪切滑移，最終增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。

4.3 圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比及塑性區(qū)分析

隧道開挖必然引起巖體強(qiáng)度應(yīng)力比改變及塑性化，圍巖自承載能力下降。不同巖層傾角(0°，30°，60°和90°)下剪應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比及塑性區(qū)分布特征

從圖4中可以看出，隧道開挖引起圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比等值線基本呈現(xiàn)橢圓形，長軸與結(jié)構(gòu)面相垂直，短軸與結(jié)構(gòu)面相平行。塑性區(qū)基本位于強(qiáng)度應(yīng)力比為2的包絡(luò)線內(nèi)。為控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，在垂直節(jié)理方向宜打入一定剛度的鋼筋，增強(qiáng)節(jié)理剛度，在平行節(jié)理方向，宜注漿加固，增強(qiáng)節(jié)理面的黏聚力和摩擦角，提高強(qiáng)度，最終達(dá)到穩(wěn)定圍巖目的。

4.4 節(jié)理張開區(qū)

節(jié)理張開區(qū)域反映圍巖的潛破壞區(qū)域，不同巖層傾角(0°，30°，60°和 90°)下節(jié)理張開區(qū)分布如圖 5所示。

圖5 節(jié)理張開區(qū)分布特征

節(jié)理面之間法向應(yīng)力、法向力均為零，即巖塊處于脫落臨界狀態(tài)，如果進(jìn)一步擾動，就可能發(fā)生脫落。從圖5中看出，節(jié)理張開區(qū)主要與節(jié)理方向垂直，錨桿發(fā)揮了懸吊作用，針對節(jié)理的不穩(wěn)定巖體，用錨桿固定在深層的堅固穩(wěn)定巖體上，可將不穩(wěn)定巖體重量傳遞給深層堅固巖體負(fù)擔(dān)，以防止巖塊彎折破壞。

因此對于層狀巖體而言，現(xiàn)行鐵道部客運(yùn)專線250 km/h雙線鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)圖以等長、等間距系統(tǒng)錨桿設(shè)計未必合理，建議將錨桿與巖層大角度布置，以增強(qiáng)其剪切剛度和層間摩阻力。

5 結(jié)論

結(jié)合大梁山特長隧道，研究不同巖層產(chǎn)狀(傾角)隧道圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，闡明完全不同于傳統(tǒng)松散介質(zhì)理論的層狀巖質(zhì)隧道失穩(wěn)模式，主要得出如下結(jié)論:

1)節(jié)理面極大削弱巖體力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性，成為隧道失穩(wěn)破壞關(guān)鍵所在;施工中一旦受到擾動，巖體就會沿層理面出現(xiàn)滑動，引起明顯不對稱的圍巖力學(xué)響應(yīng)，從而對支護(hù)產(chǎn)生地質(zhì)偏壓荷載。

2)傾角較小時，不易發(fā)生順層滑動，拱頂容易發(fā)生彎折破壞;隨著傾角增大(15°～60°)，巖層順弱勢節(jié)理面滑動趨勢增大，洞周破壞主要取決于節(jié)理面強(qiáng)度;當(dāng)傾角75°～90°時，洞周受力趨于對稱，圍巖破壞主要為邊墻巖層彎曲壓潰。

3)錨桿把數(shù)層層狀巖體串連在一起，增大層間摩阻力，相當(dāng)于增強(qiáng)了節(jié)理剪切剛度，抑制層狀巖質(zhì)隧道的剪切滑移，最終增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。

4)宜將錨桿與節(jié)理呈大角度打設(shè)，以便更好發(fā)揮“銷釘”和“組合梁”效果，而現(xiàn)行鐵道部客運(yùn)專線250 km/h雙線鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)圖以等長、等間距系統(tǒng)錨桿設(shè)計的合理性，值得進(jìn)一步商榷。

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