不同產狀巖質隧道穩定性數值模擬

趙麗雪

(中鐵十三局 第二工程公司，廣東 深圳 518083)

近年來，我國在西南、西北地區交通基礎建設大規模的發展，正在興建和規劃中的高速公路數量日益增多，其中穿越山嶺的隧道越來越長，標準也越來越高。在巖體生成過程中，經受各個年代復雜地質力學作用，發育著豐富斷層、節理和各種裂隙等結構面[1-2]。大量的工程實例證明，工程巖體的失穩往往都是沿結構面發生的，甚至有的學者提出優勢結構面的概念。而當前研究多把圍巖看作連續、各向同性均質介質，通過彈、塑性力學理論分析應力重分布的規律[3-5]。顯然，連續介質理論并不能準確得到巖體力學行為結果。

王剛、李術才等將斷裂損傷計算結果與一般彈塑性計算結果進行對比分析，認為節理裂隙對洞室圍巖穩定性的影響至關重要[6]。劉剛、趙堅等通過模型試驗研究節理密度對圍巖變形及破壞影響，得出斷續節理密度控制著圍巖穩定性[7]。王貴君進行節理裂隙巖體中不同埋深無支護暗挖隧洞穩定性離散元法分析[8]。陳壽根、漆泰岳也分別對節理巖體進行離散元分析[9-10]。通過調研國內外相關文獻，深埋層狀巖體隧道研究并不多見，因此，研究不同節理傾角下大斷面公路隧道圍巖穩定性及支護要點具有顯著的理論意義和學術價值。

1 工程概況

以在建山西高速公路大梁山特長隧道工程為依托，隧道為雙洞分修型，雙洞軸線相距20～23 m。隧址區地層單斜，層理產狀 N28°E/35°SE，節理裂隙較發育，節理產狀 N57°W/90°，N50°E/35°NW，巖層走向與線路方向基本一致。節理切割，邊墻、拱腳存在不穩定結構體，易產生坍方。隧道范圍無地表水流，地下水主要為基巖裂隙水，段內斜坡坡面順直，降雨多沿坡面流走，泥巖隔水性較好，下滲條件差，隧道區地下水貧乏。斷層帶內變輝綠巖脈較為破碎，斷層與圍巖接觸帶擠壓明顯。其中，帶有層狀巖體的隧道開挖后，易引起地質偏壓，其圍巖力學行為不容忽視。

2 計算模型及參數選取

2.1 計算模型及邊界條件

以山西省大梁山隧道為依據建立模型。模型橫向取100 m，下邊界距離隧道中心35 m，上邊界距離隧道中心80 m。左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界施加自重應力邊界，計算模型如圖1所示。采用離散元UDEC軟件，重點考慮節理傾角對隧道穩定性影響。在埋深150 m，節理間距3 m的條件下，研究 0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90°時圍巖穩定性狀況。

2.2 計算參數

根據大梁山隧道工程現場地質勘查報告、相關規范和文獻，巖塊和節理物理力學參數取值如表1、表2所示，塊體和節理均采用Mohr-Coulomb本構模型。

表1 巖塊物理力學參數

表2 節理物理力學參數

3 對隧道穩定性影響分析

復雜地質運動使得節理成為巖體中天然的軟弱面，不同節理傾角下隧道失穩模式必定存在差異，產生地質偏壓，其產狀變化對圍巖應力場重分布產生重要影響，甚至出現節理沿著節理面滑移趨勢。

3.1 水平層狀巖體力學響應

隧道開挖后，可以看出圍巖內應力發生了重分布，且與巖體內不連續面方向密切相關。水平層狀巖體洞周切向應力和主應力分布如圖2所示。

圖2 切應力分布

從圖2看出:由于結構面的存在，使結構面附近產生切應力集中，不僅影響其方向，而且也影響其大小分布，容易使結構面發生剪切滑移或張開。另外，結構面參數相對巖塊來說要低得多，進一步證明結構面是隧道穩定性控制部位，結構面錯動可能成為洞室破壞的潛在區域。

隧道開挖后，結構面從根本上改變了圍巖應力重分布，主應力方向也發生了變化，最大主應力和最小主應力方向不再是切向和徑向，而是和結構面關聯起來。平行結構面方向主應力分布較均勻，在垂直于結構面方向洞周主應力分布極不均勻，拱部和底部巖層容易發生彎折破壞。

3.2 傾角對圍巖應力影響

圖3表示不同節理方向下主應力分布特征，隨著節理傾角增大，主應力大小和方向發生明顯變化。

圖3 不同傾角節理隧道圍巖主應力分布特征

從圖3看出，節理方向不僅影響著主應力的方向，而且也影響其大小。在與不連續面平行的方向，應力得到了釋放，巖體松弛明顯，甚至出現了拉應力。而在與不連續面垂直的方向，應力增加。同時在結構面附近主應力集度較大，其破壞形式表現為層狀節理巖體彎曲壓潰。這些與現場所觀察到的現象非常吻合，表明本仿真模擬方法較真實地反映了不連續體的力學行為。

3.3 傾角對位移影響

位移是隧道穩定性最直接的評判標準，不同巖層傾角(0°，30°，60°)位移分布如圖4所示。從圖4中可以看出，由于巖體中不連續面的存在，隧道開挖引起的洞周位移中，沿節理面的位移比較大。這主要是由于隧道上部圍巖失去支撐，而結構面參數較弱，極易發生剪切滑移，邊墻上部位移大于下部位移。當巖層水平時，如圖4(a)所示，最大的位移發生在拱肩處，而并不是拱頂、仰拱或邊墻，其破壞形式表現為拱部巖層彎折破壞。當節理傾角為30°和60°時，如圖4(b)和圖4(c)所示，最大的位移發生在右拱肩和左拱腳。當豎向節理時，位移主要在拱部以向下發展為主，破壞模式主要表現為節理面滑移。因此必須采取支護措施，增強節理面黏聚力和摩擦角，提高巖層抗剪強度，最終達到穩定圍巖目的。

圖4 圍巖強度應力比及塑性區分布特征

4 結論

結合大梁山特長隧道，研究不同節理傾角時公路隧道圍巖的穩定性，研究結果完全不同于傳統松散介質理論的層狀巖質隧道失穩模式，結論如下:

1)節理面極大削弱巖體力學特性，往往成為工程失穩關鍵所在。隧道施工會導致層狀巖體沿節理面發生滑移破壞，巖體強度和變形特性強烈地受制于節理方位。節理面引起的順層偏壓，使圍巖的受力特征明顯不同于傳統松散介質理論。

2)節理水平時，失穩模式為拱部和仰拱層狀巖體彎折屈服。節理傾角較小時(＜45°)，節理面間滑移力難以克服黏聚力，破壞模式為邊墻巖體的壓碎和節理面張開。

3)當節理面傾角為45°時，失穩模型表現為左拱肩和右墻腳彎折破壞。節理角度為60°～70°時巖體最不穩定，圍巖失穩模式主要為層間剪切滑移，同時包含層狀節理法向彎折破壞。

4)當豎向節理時，位移主要在拱部以向下發展為主，破壞模式主要表現為拱部節理面的滑移。因此必須采取支護措施，增強節理面黏聚力和摩擦角，提高層間抗剪強度，最終達到穩定圍巖目的。

5)在節理發育條件下，隧道施工會導致巖層沿節理面發生剪切滑移破壞和地質偏壓。因此，從結構安全和經濟出發，非對稱支護參數設計顯得尤為重要，而現行《公路隧道設計規范》以等長、等間距系統錨桿設計的合理性，值得進一步商榷。

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