不同節(jié)理傾角下隧道圍巖變形特征研究

張 斌，李英杰，穆鵬華，張 孟，史傳迪

(中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

結(jié)構(gòu)面是巖體經(jīng)過長時間的地質(zhì)變化過程后而形成具有一定形態(tài)、方向及規(guī)模的縫、面和帶狀軟弱界面，其中節(jié)理又是結(jié)構(gòu)面中常見的軟弱結(jié)構(gòu)面[1-2]。結(jié)構(gòu)面的數(shù)量在一定程度上能夠影響巖體的完整性，而結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)和幾何性質(zhì)又能影響巖體的穩(wěn)定性。而在地下工程施工過程中，不可避免的要穿越節(jié)理巖層，因此研究不同層理傾角對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響對確保地下工程施工的安全具有重要意義[3-4]。

眾多學(xué)者對層狀圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)展開了研究，賈后省等[5]研究了區(qū)域?qū)訝顜r體巷道在施工過程中的應(yīng)力、變形環(huán)境特征及其塑性破壞形態(tài)。李青剛等[6]分析了層狀圍巖的破裂形式，研究了不同力學(xué)性質(zhì)下圍巖的破裂現(xiàn)象，最終得出了層狀圍巖破裂的力學(xué)機(jī)制。涂瀚等[7]研究了水平層狀圍巖隧道在不同條件下的穩(wěn)定性。沙鵬等[8]基于非對稱圍巖的變形規(guī)律，提出了一種針對層狀圍巖的定向主動支護(hù)措施。蘇士龍等[8]采用二維離散元程序UDEC研究了深部巷道層狀圍巖的穩(wěn)定性，并分析了幾種加固措施對圍巖穩(wěn)定性的影響。過志鵬等[10]研究了層狀軟弱圍巖的變形情況，并提出了層狀軟弱圍巖大變形的加固措施。以上的研究極大地促進(jìn)了層狀圍巖變形機(jī)制的研究。

本文將以節(jié)理巖體的幾何性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)即以節(jié)理巖體的傾角為變量，研究不不同節(jié)理傾角下(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)下圍巖的應(yīng)變場變化規(guī)律。本文的研究結(jié)果可以為層狀隧道圍壓開挖施工過程中的方案設(shè)計、支護(hù)措施的制定提供理論依據(jù)。

1 工程概況與參數(shù)選取

1.1 工程概況

本文以蘭渝鐵路隧道為工程背景，蘭渝鐵路沿線通過四川省西北部至甘肅省東部、南部。本文所研究的工程區(qū)自廣元至蘭州段線路，全長為493 km，其中隧道總長為 343 km，特長隧道9座，總長143 km，隧道工程的比例為42%。圍巖與節(jié)理的力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)的選取

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的選取

1.2 計算模型及邊界條件

本文采用三維離散元數(shù)值模擬軟件3DEC對不同傾角下層狀隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，在計算分析過程中僅考慮毛洞開挖后的受力狀態(tài)。隧道的斷面為直墻拱形，且開挖方式為全斷面開挖。由圣維南原理可知，當(dāng)模型長度在3～5倍洞徑內(nèi)，可認(rèn)邊界作用對洞室的力學(xué)狀態(tài)影響較小。同時，由于本文采用的是全斷面開挖，不考慮開挖方式，因此可將本模型視為平面應(yīng)變問題，可取厚度為1 m的模型進(jìn)行研究，因此本文所建的地下工程模型大小為30 m×1 m×30 m。為了簡化計算，在計算模型上方將上層的地層壓力換算成等效荷載加載在模型上部。位移邊界條件：下部邊界為固定邊界，X、Y向位移為零，左右方向上施加水平約束，X向位移為零。文中建立的力學(xué)模型是平面應(yīng)變模型，為了不使模型發(fā)生垂直于平面方向的位移，給模型施加前后方向的應(yīng)力σzz。由于地下工程圍巖層狀節(jié)理傾角是層狀圍巖自穩(wěn)性重要的影響因素，因此，本文研究了不同層理傾角(0°、30°、60°與90°)下隧道圍巖的穩(wěn)定性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 不同傾角下圍巖豎向位移分析

圍巖變形量是評價圍巖穩(wěn)定性非常重要的依據(jù)之一，此外變形不僅反映了巖體的力學(xué)特征，更能表征圍巖的穩(wěn)定性。只有對圍巖開挖后的變形特性有非常充分的了解，才能有效且經(jīng)濟(jì)地控制巖體在外部荷載作用下所產(chǎn)生的有害變形。

圖1(a)～(d)是層理傾角為0°、30°、60°與90°時隧道圍巖開挖過程中的豎向位移云圖。

圖1 不同層理傾角下圍巖豎向位移云圖(單位：m)

不同節(jié)理傾角下隧道開挖后圍巖的豎向變形如圖1(a)～(d)所示。由圖1(a)～(d)可以看出，在層理傾角為0°～90°時，隧道開挖后圍巖較大的豎向變形區(qū)域均集中于隧道拱頂、拱底處。此外隨著層狀節(jié)理傾角的增加圍巖的豎向變形量影響規(guī)律顯著增強(qiáng)，在圍巖的節(jié)理傾角較小時，節(jié)理對圍巖豎向變形的影響較弱，隨著節(jié)理傾角的增大，圍壓豎向變形受節(jié)理的影響顯著。

從圖1(a)可知，當(dāng)層狀節(jié)理傾角0°時，拱底的最大沉降量為194.3 mm，而拱底的隆起量為63.1 mm。當(dāng)層狀節(jié)理傾角30°時，隧道拱頂最大沉降量為180.2 mm，而隧道掌子面后方拱底最大隆起量為166.8 mm；而層狀節(jié)理傾角60°時，隧道拱頂最大沉降量增加到為208.0 mm，而隧道拱底最大隆起量為54.2 mm。而當(dāng)層理傾角增加到90°時，隧道拱頂均出現(xiàn)較大沉降的帶狀區(qū)域，此時隧道極易發(fā)生大規(guī)模坍塌，嚴(yán)重威脅地下硐室開挖乃至運(yùn)營期的安全。

2.2 不同傾角下圍巖水平位移分析

圖2(a)～(d)為圍巖層理傾角為0°、30°、60°與90°時隧道開挖過程中水平位移云圖。

圖2 不同層理傾角下圍巖水平位移云圖(單位：m)

不同節(jié)理傾角下隧道開挖后圍巖的豎向變形如圖2(a)～(d)所示。由圖2(a)、(b)所示，當(dāng)節(jié)理傾角為0°與90°時，圍巖的變形表現(xiàn)出明顯地對稱性，且當(dāng)節(jié)理傾角為0°時，圍巖受擾動的面積較90°大；由圖2(b)、(c)所示，當(dāng)節(jié)理傾角為30°與90°時，圍巖變形較大的區(qū)域集中在左拱腳與右拱肩，而且當(dāng)節(jié)理傾角為30°時，隧道圍壓大變形區(qū)域的面積較大。

由圖2(a)～(d)的位移云圖可以看出，在埋深相同的情況下圍巖層理傾角對隧道水平變形的影響顯著。當(dāng)圍巖節(jié)理傾角為0°與90°時，隧道位移云圖左右對稱，在節(jié)理傾角0°時，隧道的左右拱肩與邊墻均產(chǎn)生了較大的水平位移，其最大水平位移為62.31 mm；在節(jié)理傾角為90°時，僅隧道邊墻產(chǎn)生了較大水平位移，其最大水平位移為169.11 mm。在節(jié)理傾角為30°與60°時隧道圍巖產(chǎn)生了較大的水平位移，但其變形較大區(qū)域巖體的面積較小。在節(jié)理傾角為30°與60°時，隧道圍巖的橫向變形較小，但圍巖受擾動區(qū)域的面積較大，且受擾動區(qū)域主要集中在隧道的右拱肩處。

3 結(jié)語

本文采用三維離散元軟件對不同層理傾角(0°、30°、60°與90°)下隧道圍巖開挖后的位移場變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

(1)在埋深相同的情況下圍巖層理傾角對隧道變形的影響顯著。在節(jié)理傾角為30°與60°時，隧道圍巖的橫向變形較小，但圍巖受擾動區(qū)域的面積較大，且受擾動區(qū)域主要集中在隧道的右拱肩處。

(2)當(dāng)層理傾角為0°與90°時，隧道圍巖變形表現(xiàn)出明顯的對稱性，其最大豎向位移均發(fā)生在拱底與拱頂，最大水平位移均發(fā)生在拱肩。

(3)當(dāng)層理傾角增加到90°時，隧道拱頂均出現(xiàn)較大沉降的帶狀區(qū)域，此時隧道極易發(fā)生大規(guī)模坍塌，嚴(yán)重威脅地下硐室開挖乃至運(yùn)營期的安全。