節(jié)理特性對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究

王貴君，任楊茹

（河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

節(jié)理特性對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究

王貴君，任楊茹

（河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

以依托隧道工程為背景，應(yīng)用離散元軟件UDEC建立節(jié)理裂隙巖體中的未支護隧道數(shù)值模型，研究貫通節(jié)理特性對節(jié)理裂隙巖體中隧道圍巖穩(wěn)定性的影響.研究結(jié)果表明，隧道圍巖較大環(huán)向應(yīng)力的存在有利于隧道圍巖的穩(wěn)定性.貫通節(jié)理的傾角和間距對隧道拱頂圍巖環(huán)向應(yīng)力的分布影響很大，拱頂圍巖中較大環(huán)向應(yīng)力的出現(xiàn)會在拱頂形成“壓力拱”，將上覆巖層的自重荷載向隧道兩側(cè)圍巖傳遞，從而達到“自穩(wěn)”狀態(tài).節(jié)理面的抗剪強度對未支護隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和圍巖穩(wěn)定性有顯著影響，控制著圍巖可能的破壞形態(tài).

節(jié)理裂隙巖體；隧道；節(jié)理特性；離散單元法；圍巖穩(wěn)定性

0 引言

隧道圍巖的穩(wěn)定主要取決于隧道圍巖應(yīng)力的重新分布，這是在上部荷載與自重及開挖效應(yīng)作用下隧道圍巖自適應(yīng)結(jié)果.在未施做支護的情況下，較高的圍巖二次應(yīng)力只有通過圍巖自身支撐或被轉(zhuǎn)移到隧道兩側(cè)，進而傳遞到穩(wěn)定巖層，隧道才可以穩(wěn)定，否則將導(dǎo)致圍巖的過大變形甚至失穩(wěn)[1].節(jié)理裂隙巖體中富含斷層、節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu)面，強度明顯低于完整巖塊，也可發(fā)生過大滑動變形[2].節(jié)理破碎巖體中隧道圍巖的破壞往往受優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制[3].因此，研究節(jié)理特性對節(jié)理裂隙巖體中隧道圍巖穩(wěn)定性影響具有非常重要的科學(xué)與工程意義.

UDEC作為一種離散元軟件，可準確描述非連續(xù)介質(zhì)的接觸、運動和變形過程，用于節(jié)理裂隙巖體中隧道圍巖穩(wěn)定性分析具有突出的優(yōu)越性.本文采用離散單元法UDEC軟件研究節(jié)理特性對依托隧道——承赤高速公路連接線燒鍋隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，以全斷面開挖隧道為基礎(chǔ)，考慮貫通節(jié)理的分布性質(zhì)和節(jié)理面力學(xué)強度參數(shù)等因素，對隧道圍巖位移、應(yīng)力及穩(wěn)定性進行較全面的分析，以期為工程提供理論依據(jù).

1 計算模型

1.1 燒鍋隧道工程簡介

燒鍋隧道位于承德市雙灤區(qū)燒鍋村灤河電廠交界的山丘地段.隧道穿過的巖層為紫褐色侏羅系后城組中等風(fēng)化礫巖，隧道位于灤平凹斷束（Ⅳ212）灤平盆地東段，屬小型的帶狀陸相盆地堆積，以中侏羅世晚期的類磨拉斯建造為主，產(chǎn)狀平緩，巖體裂隙及節(jié)理較發(fā)育，巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu).巖層中2組主節(jié)理在掘進面上的投影分別接近于60°和120°.

1.2 計算模型

為方便計算，按平面問題研究隧道圍巖的變形和穩(wěn)定性[4].考慮到實際隧道尺寸與埋深和邊界效應(yīng)的影響[5]，取隧道埋深10 m，開挖斷面為馬蹄形，寬度為12.5 m，高度為10.512 m；計算模型寬度取50 m，高度取36 m，計算模型尺寸如圖1所示.

圖1 隧道斷面Fig.1 Cross section of the tunnel

在計算模型中，設(shè)定下邊界、左右邊界為法向約束邊界，上邊界為自由邊界[6].假定整體巖塊為彈塑性介質(zhì)，屈服條件選用摩爾-庫侖模型[7]，力學(xué)參數(shù)如表1所示.采用面接觸-庫侖滑動模型描述節(jié)理的滑動與破壞特性[8]，依據(jù)Kulatilake等人的研究結(jié)果[9]與計算經(jīng)驗[10]并結(jié)合工程實際，選用的典型節(jié)理力學(xué)參數(shù)如表2所示.

表1 巖塊力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rock blocks

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of joints

采用“先加載后開挖”的順序模擬隧道施工過程，即取得初始地應(yīng)力后，再按“全斷面開挖”將隧道內(nèi)巖體單元一次性刪除來模擬開挖過程，繼續(xù)計算，直到隧道圍巖變形穩(wěn)定或失穩(wěn)為止.

2 隧道埋深與節(jié)理分布性質(zhì)

上覆巖層對隧道而言既是加載體又是承載體，其自身的重力往往是構(gòu)成隧道豎向荷載的主要來源.隧道拱頂圍巖發(fā)生張拉或剪切破壞而塌落[11].隧道開挖后圍巖二次應(yīng)力分布受節(jié)理空間分布特性影響，或者在隧道頂部圍巖中形成“壓力拱”[12]，將上覆巖層的自重荷載向隧道兩側(cè)圍巖傳遞，從而使隧道圍巖能在無支護條件下達到“自穩(wěn)”狀態(tài)；或者因“開挖卸荷效應(yīng)”嚴重，不能形成“壓力拱”，隧道拱頂或側(cè)幫圍巖發(fā)生張拉或剪切破壞而塌落.

2.1 隧道埋置深度

隧道埋深小時，雖然拱頂荷載小，但卻無法形成“壓力拱”，極易造成無支護隧道整體坍塌.圖2為埋深10 m時隧道垮塌至地表的狀態(tài).隧道埋深較大時，雖然拱頂荷載大，隧道周邊圍巖有塑性區(qū)產(chǎn)生，但卻可形成“壓力拱”，使得隧道整體穩(wěn)定.圖3為埋深50 m時圍巖有塑性區(qū)的穩(wěn)定“壓力拱”.

2.2 節(jié)理傾角

仍然假定開挖面內(nèi)有2組貫通節(jié)理，設(shè)定節(jié)理間距為2 m，隧道埋深為10 m，取5種不同節(jié)理傾角組合進行模擬計算，即15°和165°、30°和150°、45°和135°、75°和105°、90°和0°.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當2組節(jié)理傾角均接近水平時，容易在拱頂形成“壓力拱”，隧道圍巖整體性較強，圍巖穩(wěn)定性較好；當2組節(jié)理傾角較大時，在隧道拱頂不容易形成“壓力拱”，或發(fā)生局部塊體掉落，或?qū)е滤淼勒w失穩(wěn).

以2組節(jié)理傾角分別為30°和150°為例，隧道頂部圍巖中形成“壓力拱”，未支護隧道的圍巖仍然保持穩(wěn)定，最大位移為5.6 mm（圖4a）、圖4b））.在2組節(jié)理傾角較大時，比如分別為60°和120°，隧道拱頂圍巖三角形區(qū)域水平應(yīng)力很小，且有豎向拉應(yīng)力產(chǎn)生，無法形成“壓力拱”，發(fā)生塌落現(xiàn)象（圖2、圖4c）、圖4d））.

圖2 埋深10 m時隧道整體垮塌Fig.2 Entire collapse of the tunnel

圖3 埋深50 m時穩(wěn)定“壓力拱”Fig.3 Stable pressure arch

圖4 不同節(jié)理傾角圍巖主應(yīng)力、位移與破壞形態(tài)Fig.4 Principal stresses,displacement vectors,and collapse under different joint angles

2.3 節(jié)理間距

設(shè)定隧道埋深為10 m，兩組貫通節(jié)理傾角分別為60°和120°，分別取節(jié)理間距為0.5 m、1 m、3 m、4 m、5 m進行模擬計算.結(jié)果表明，隨著節(jié)理面間距的減小，圍巖的整體性降低，隧道圍巖的坍塌區(qū)增大，圍巖整體性失穩(wěn)所需要的計算時步越少；節(jié)理間距越大，圍巖的整體性越強，越不容易失穩(wěn)，但也可能因隧道開挖造成拱頂局部小巖塊掉落.

3 節(jié)理面力學(xué)強度

節(jié)理破碎巖體中隧道圍巖穩(wěn)定性除了受節(jié)理分布特性的影響外，還受節(jié)理面的剪切滑移強度控制[13].本文采用庫侖滑動模型描述節(jié)理的強度特性，節(jié)理面的抗剪強度參數(shù)為節(jié)理面粘聚力cj和節(jié)理面摩擦角φj[14].

在節(jié)理面抗剪強度較低時，隧道圍巖可能失穩(wěn)，如在第2節(jié)中圖2、圖4c）與圖4d）所示情況.節(jié)理裂隙巖體中隧道圍巖的變形，可能由節(jié)理面的塑性屈服變形和節(jié)理面彈性變形組成，而巖塊的變形卻相對很小.本節(jié)主要研究節(jié)理面的強度參數(shù)對圍巖穩(wěn)定性和變形的影響.

3.1 節(jié)理面摩擦角

設(shè)定兩組貫通節(jié)理間距為2 m，隧道埋深為50 m，節(jié)理面粘聚力分別為cj=0.3 MPa和cj=0.5 MPa，再取節(jié)理面摩擦角φj分別為10°、15°、20°、25°、35°進行計算.圖5為圍巖位移與節(jié)理面摩擦角的關(guān)系曲線，此曲線具有先下降、后趨于平穩(wěn)的趨勢.

3.2 節(jié)理面粘聚力

保持節(jié)理分布特性與3.1節(jié)相同，分別取節(jié)理面摩擦角φj=20°和φj=30°，再取節(jié)理面粘聚力cj分別為0.1 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa和1.6 MPa進行計算.當cj=0.1 MPa，φj=20°時隧道垮塌失穩(wěn)，其他條件下隧道圍巖均穩(wěn)定.圖6為圍巖與節(jié)理面粘聚力的關(guān)系曲線，此曲線也具有先下降、后趨于平緩的趨勢.

分析圖5和圖6圍巖位移與抗剪強度參數(shù)的關(guān)系曲線可知，曲線的下降（曲線）段的圍巖位移中，包括了圍巖、尤其是節(jié)理的塑性位移，而水平段表示圍巖處于彈性狀態(tài)，圍巖位移不受抗剪強度參數(shù)大小的影響.據(jù)此可以得出如下結(jié)論：當巖層中賦存2組傾角分別為60°和120°、間距為2 m的貫通節(jié)理、隧道埋深為50 m時，節(jié)理的粘聚力為0.3～0.5 MPa，節(jié)理摩擦角為35°時，或者節(jié)理摩擦角為20°～30°，粘聚力為0.9～1.0 MPa時，此隧道圍巖是穩(wěn)定的.

圖5 不同節(jié)理面摩擦角的圍巖位移Fig.5 Displacements vs.joint friction angle

圖6 不同粘聚力的圍巖位移Fig.6 Displacements vs.joint cohesion

4 結(jié)論

節(jié)理裂隙巖體中未支護隧道的穩(wěn)定性在很大程度上取決于是否產(chǎn)生有效“壓力拱”，有效“壓力拱”的存在，可使圍巖充分發(fā)揮自撐能力，在未支護的情況下也能保持穩(wěn)定.如果圍巖應(yīng)力狀態(tài)不能在隧道頂部形成“壓力拱”，未支護隧道即極易掉塊、塌落、滑落，直至整體失穩(wěn).通過研究又一次充分證明了“壓力拱”理論的合理性.

節(jié)理裂隙巖體中隧道圍巖頂部“壓力拱”的形成，除了巖體構(gòu)造、強度等條件外，隧道埋深起著至關(guān)重要的作用，本文研究條件下，10 m埋深時，隧道穩(wěn)定性很差；50 m埋深時，因有條件形成“壓力拱”，隧道圍巖穩(wěn)定性大大提高.

圍巖穩(wěn)定性受節(jié)理分布特性影響很大.貫通節(jié)理間距小時，隧道圍巖穩(wěn)定性差，塌落區(qū)大，或者達到失穩(wěn)所需要的計算時間短.兩組貫通節(jié)理面與隧道開挖面組合形成不利于隧道圍巖穩(wěn)定的塊體時，塊體塌落、滑落的現(xiàn)象增多，圍巖穩(wěn)定性差.

節(jié)理面抗剪強度除了影響圍巖的穩(wěn)定性外，對圍巖位移的影響僅反映在圍巖中是否產(chǎn)生塑性變形，有塑性變形時圍巖位移值大.由節(jié)理面抗剪強度參數(shù)與圍巖位移關(guān)系曲線可獲得圍巖穩(wěn)定時的節(jié)理面抗剪強度參數(shù).

[1]Zhu Weishen，Li Shucai，Chen Weizhong.Failure mechanism and anchoring effect of jointed rock mass and its engineering application[M].Beijing：Science Press，2002.

[2]Shen B，Barton N.The disturbed zone around tunnels in jointed rock masses[J].Int J Rock Mech Min Sci，1997，37（1）：117-125.

[3]張志強，何本國，關(guān)寶樹．節(jié)理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性判定指標合理性研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49（1）：12-19.

[4]石益東，李志忠，李軍，等.兩組耦合節(jié)理工況下隧道變形的數(shù)值研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51（6）：89-93.

[5]Brown E T.The nature and fundamentals of rock engineering[M].London：Elsevier，1993：1-23.

[6]Wang Guijun.Numerische untersuchungen zum bruch-und verformungsverhalten vongeklüfteten gebirgsbereichen beim tunnelbau[M].Freiberg：TU Bergakademie Freiberg，2001.

[7]Souley M，Homand F，Thoraval A.The effect of joint constitutive laws on the modeling of an underground excavation and comparison with in-situ measurements[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1997，34（1）：97-115.

[8]Souley M，Homand F.Stability of jointed rock masses evaluated by UDEC with an extended Saeb-Amadei constitutive law[J].International Journal of Mechanics and Mining Sciences，1996，33（3）：233-234.

[9]Kulatilake P H S W，Ucirti H，Wang S，et al.Use of the distinct element method perform stress analysis in rock with non-persistent joints and to study the effect of joint geometry parameters on the strength and deformability of rock masses[J].Rock Mech Rock Eng，1992，25（4）：253-274.

[10]Xu Jun，Zhao Mingjie.Research overview of the progressive failure mechanism for jointed rock mass[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，4（3）：554-560.

[11]索超峰，石益東，李軍.節(jié)理特征對破碎圍巖穩(wěn)定性影響的模型試驗[J].公路交通科技，2013，30（4）：82-87.

[12]王貴君.節(jié)理裂隙巖體中不同埋深無支護暗挖隧洞穩(wěn)定性的離散元法數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（7）：1154-1157.

[13]杜時貴.巖體節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng)研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，1994，8（2）：198-208.

[14]重慶建筑工程學(xué)院，同濟大學(xué).巖體力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981.

[責(zé)任編輯 楊 屹]

Influence of joint characteristics on the stability of the tunnel surrounding rock

WANG Guijun，REN Yangru
（School of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

Combined with the specific engineering,the discrete element software UDEC was applied to establish a numerical model of tunnel without supporting in jointed rock mass to study the effect of connected fissures on the stability of surrounding rock of tunnels in jointed rock mass.The results show that the existence of larger circumferential stress in surrounding rock of tunnel is in favor of the stability of surrounding rock.The inclination and distances have significant influence on the distribution of hoop stress of surrounding rock in vault.Larger circumferential stress of surrounding rock in vault will contribute to the formation of"pressure arch"in vault,which can deliver the gravity load of overlying rock to the both sides of surrounding rock and the state of self-stabilization can then be realized.The shear strength of joint surface has a significant impact on the stress state and stability of surrounding rock,and controls of the possible failure modes of surrounding rock.

joint characteristics;jointed rock;discrete element method;stability of the surrounding rock of tunnel

TU45

A

1007-2373（2017）01-0103-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.018

2016-11-01

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃重點基礎(chǔ)研究項目（14965409D）

王貴君（1956-），男，教授，博士，guijun2001@126.com.