朱杰清

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

地下巖體中結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)直接降低圍巖的強(qiáng)度[1-3]，巖體被不同尺度、產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體具有一定的隨機(jī)性，從塊體開挖揭露到通過計(jì)算判斷塊體的穩(wěn)定性通常需要一定時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)若不及時(shí)采取措施，塊體有可能失穩(wěn)滑落，這給地下洞室工程的開挖過程帶來(lái)不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

地下洞室開挖后，圍巖內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)發(fā)生耦合作用，地下水通過巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面向洞室方向滲流，經(jīng)力學(xué)、物理及化學(xué)作用，易發(fā)生圍巖失穩(wěn)等問題[5-8]。因此，在研究地下洞室圍巖穩(wěn)定性的問題時(shí)，考慮地下水滲流作用十分必要。目前，許多學(xué)者針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了大量研究，并取得了一些成果。王明等[6]基于有限元數(shù)值方法得到裂隙巖體的滲流對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響；谷拴成等[7]應(yīng)用等效分析方法研究滲流作用下錨桿支護(hù)巷道的穩(wěn)定性，得到滲流作用時(shí)需要錨桿提供更大的支護(hù)力；李鵬飛等[8]討論了滲流作用下海底隧道掌子面圍巖的穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)滲流作用使得開挖面上部地層變形量明顯大于下部。

本文依托某工程實(shí)例，利用極限平衡法和離散單元法進(jìn)行模擬計(jì)算，分析洞室開挖過程中有無(wú)滲流作用下楔形體的穩(wěn)定性，并分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 極限平衡法和離散元法基本原理

1.1 極限平衡法

極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理分析不穩(wěn)定塊體的受力狀態(tài)，以滑動(dòng)面上阻滑力和下滑力間的比值(穩(wěn)定系數(shù))來(lái)評(píng)價(jià)塊體穩(wěn)定性。

計(jì)算方法如下所示：

(1)

式(1)中，F(xiàn)為穩(wěn)定系數(shù)。

①脫離巖體

(2)

②沿單一結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)

(3)

(4)

式(4)中，αi為結(jié)構(gòu)面i的傾角，βi為結(jié)構(gòu)面i的傾向。

③沿兩條結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)

(5)

不穩(wěn)定塊體的有效滑動(dòng)方向按照表1的判據(jù)進(jìn)行確定，滿足其中的哪個(gè)判據(jù)就是不穩(wěn)定塊體的滑動(dòng)方向，如果都不滿足表1中的判據(jù)，則塊體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 不穩(wěn)定塊體滑動(dòng)方向判據(jù)及各結(jié)構(gòu)面上的法向力

1.2 離散元法

離散單元法(簡(jiǎn)稱DEM)是由Cundall在1971年首次提出，專門用來(lái)解決非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法。該方法把節(jié)理巖體看成由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面組成，塊體的幾何形狀取決于巖體結(jié)構(gòu)中不連續(xù)面的空間位置及其產(chǎn)狀，通過牛頓第二定律來(lái)表征塊體的運(yùn)動(dòng)過程，并允許巖體的內(nèi)部可以發(fā)生塊體的大位移、旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)甚至塊體的分離等運(yùn)動(dòng)，借此可以達(dá)到比較真實(shí)地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。

3DEC離散元數(shù)值分析軟件主要以離散單元法為基本理論來(lái)描述離散介質(zhì)的力學(xué)行為，它將介質(zhì)離散成為連續(xù)性特征(巖塊)和非連續(xù)特征(結(jié)構(gòu)面)兩個(gè)基本元素的統(tǒng)一集合體，并通過成熟的力學(xué)定律來(lái)描述這些基本元素的受力變形過程。

2 實(shí)例計(jì)算

2.1 工程概況

某直墻圓拱型地下洞室開挖時(shí)邊墻出現(xiàn)不穩(wěn)定楔形塊體滑落事件，該楔形體(圖1)是由兩個(gè)節(jié)理面、一個(gè)斷層面共同切割，加上洞室開挖臨空面形成一個(gè)不穩(wěn)定四面體，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀依次為：80°∠35°，250°∠60°，130°∠81°，楔形塊體體積約8.15m3。斷層處巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面由遇水軟化的黏土礦物充填。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，開挖此段時(shí)巖體穩(wěn)定，未有明顯滲水現(xiàn)象，次日打完錨桿孔后，出現(xiàn)明顯滲水現(xiàn)象，且水量較大，當(dāng)開挖面推進(jìn)約59m時(shí)，楔形塊體發(fā)生滑塌。分析認(rèn)為，地下水是導(dǎo)致楔形塊體發(fā)生滑塌的主要原因之一。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)圖片

2.2 極限平衡法計(jì)算

結(jié)構(gòu)面的參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50218-2014)確定，計(jì)算時(shí)取節(jié)理面粘聚力為30kPa，內(nèi)摩擦角為25°，斷層面粘聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為20°。計(jì)算過程如下：

①確定結(jié)構(gòu)面的法向量

②主動(dòng)力計(jì)算

A=W=(γV)·g=(0 0 -211.9)

③確定滑動(dòng)方向

根據(jù)上文滑動(dòng)方向判據(jù)可知楔形塊體沿節(jié)理面2即滿足：

因此，此楔形塊體滑動(dòng)方向?yàn)椋?/p>

④計(jì)算阻滑力

N1=N3=0

τ=c+σtanφ=31.7kN/m2

J2=τacosθ=330.4kN

J1=J3=0

⑤計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工反饋，巷道開挖至此段時(shí)圍巖穩(wěn)定，巷道順利通過，之后發(fā)生明顯滲水現(xiàn)象，且水量較大，當(dāng)巷道往前推進(jìn)59m時(shí)，此處發(fā)生圍巖小面積滑落事件。由此可見，地下水的作用不可忽視。

假定斷層面的水壓為20kPa時(shí)，此時(shí)：

A=W+U=(-103.9568 87.2353 -233.3894)

楔形塊體滑動(dòng)方向?yàn)椋?/p>

楔形體的穩(wěn)定系數(shù)為:

當(dāng)斷層面的水壓為30kPa時(shí)，此時(shí)：

A=W+U=(-155.9352 130.8529 -244.134)

楔形塊體滑動(dòng)方向?yàn)椋?/p>

楔形體的穩(wěn)定系數(shù)為:

此時(shí)，不穩(wěn)定楔形體的安全系數(shù)小于1 ，塊體將發(fā)生滑落。

如表2所示，隨著地下水壓力的增加，不穩(wěn)定楔形體的穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，圍巖穩(wěn)定性下降。

表2 不同水壓力下楔形體的穩(wěn)定系數(shù)

利用極限平衡法計(jì)算時(shí)假定結(jié)構(gòu)面為平面，而實(shí)際上巖體中的節(jié)理都是隨機(jī)分布的，同一組節(jié)理由于多種因素的影響，變動(dòng)性較大，結(jié)構(gòu)面也并不全部是平面，稍有不準(zhǔn)確，就會(huì)使計(jì)算結(jié)果有較大的偏差；計(jì)算時(shí)假定洞室開挖的軸線方向始終保持不變，對(duì)于稍微復(fù)雜的大型工程來(lái)講，顯然是不能完全滿足工程要求的。

2.3 離散元法計(jì)算

利用3DEC離散元軟件，針對(duì)該滑落事件進(jìn)行穩(wěn)定性的模擬計(jì)算，建立模型尺寸為50m×30m×50m。另外，考慮斷層破碎帶，斷層出露厚度為4m(沿巷道軸向)，在巷道右邊墻斷層破碎帶處按產(chǎn)狀130°∠81°、80°∠35°、250°∠60°切出一個(gè)四面楔形體，如圖2所示。

圖2 洞室塊體算例模型

模型假定巖塊不產(chǎn)生滲流，地下水僅在裂隙中流動(dòng)，初始地下水壓力場(chǎng)按重力梯度設(shè)置。模型的左側(cè)、右側(cè)、前側(cè)和后側(cè)邊界設(shè)為固定孔隙水壓力，并且服從重力梯度。模型頂面和底面為定水頭邊界，其中頂面設(shè)定水壓力為0.185MPa，底面設(shè)定水壓力為0.685MPa。

根據(jù)勘察資料，該段交通巷道圍巖質(zhì)量等級(jí)Q值范圍在1～10之間，斷層破碎帶Q值為0.04，故本次模擬圍巖取1≤Q<4，斷層處取0.01≤Q<0.1。巖體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

考慮滲流情況時(shí)，設(shè)定節(jié)理初始隙寬b0=1×10-4m，最大隙寬bmax=1×10-3m，殘余隙寬br=1×10-5m。

2.3.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

如圖3、圖4所示，滲流情況下洞室周邊最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力比無(wú)滲流情況下小，且滲流情況下洞室圍巖局部產(chǎn)生0.185MPa的拉應(yīng)力，圍巖產(chǎn)生拉破壞。其主要原因是地下水滲流時(shí)，水的滲透壓力和拖拽力加劇了裂隙的剪切和拉裂破壞，應(yīng)力得到釋放而導(dǎo)致。

(a)無(wú)滲流情況(b)滲流情況

(a)無(wú)滲流情況(b)滲流情況

2.3.2 位移場(chǎng)分布特征

如圖5所示，無(wú)滲流條件下楔形體區(qū)域的最大位移為37.6mm，滲流條件下的最大位移最大值為130.4mm，楔形體整體出現(xiàn)較大的變形。

(a)無(wú)滲流情況(b)滲流情況

2.3.3 塑性區(qū)分布特征

如圖6所示，由于存在斷層，巷道周邊的塑性區(qū)范圍都較大，滲流條件下巷道周邊塑性區(qū)的范圍和厚度比無(wú)滲流情況下更大，塑性區(qū)體積增大約1000m3。其主要原因是由于巖體中的地下水使得圍巖強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖破壞的區(qū)域越大。

離散元法的優(yōu)勢(shì)在于其可以較好地實(shí)現(xiàn)塊體間的分離、旋轉(zhuǎn)及塊體垮落等大位移運(yùn)動(dòng)的過程，又能計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。同時(shí)，能夠考慮初始地應(yīng)力、圍巖變形和非滑面抗剪性能對(duì)塊體穩(wěn)定性的影響，計(jì)算更符合實(shí)際情況。對(duì)大型地下工程，洞室開挖后，圍巖會(huì)產(chǎn)生裂隙和發(fā)生大規(guī)?？迓?，在這種條件下利用3DEC軟件計(jì)算可使地下工程的模擬解更為合理。

(a)無(wú)滲流情況(b)滲流情況

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用極限平衡法和離散元法分別計(jì)算有無(wú)地下水滲流作用時(shí)地下洞室不穩(wěn)定楔形體的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，地下水的存在會(huì)降低不穩(wěn)定楔形體的穩(wěn)定系數(shù)。通過對(duì)比分析，考慮地下水滲流作用下，楔形體及周邊圍巖的主應(yīng)力比不考慮滲流情況下小，楔形體及周邊圍巖的位移量和塑性區(qū)面積比不考慮滲流情況下大，圍巖的穩(wěn)定性比無(wú)滲流情況下更差。