層狀巖體傾角對圍巖開挖變形特征的影響分析

王志強

摘要：層狀巖體在現階段城市地下工程建設過程中十分常見，對圍巖變形特征的影響不同于常規地下工程項目。本文依托某軌道交通環線車站特有的工程地質背景，結合現場實時監測數據，利用Midas/NX軟件對車站主體工程所涉及到的7個特征斷面逐一進行數值模擬計算，在此基礎上總結分析其具體的圍巖變性特征，并對監測方案提出改進措施，為類似工程提供借鑒。

Abstract： Stratified rock mass is very common in the process of urban underground engineering construction at present， and it has different influence on the deformation characteristics of surrounding rock than conventional underground engineering project. Based on the unique engineering geological background of a rail transit station and the real-time monitoring data， the Midas/NX software is used to simulate the seven characteristic sections involved in the main project of the station. On this basis， the specific characteristics of the surrounding rock denaturation are summarized and the improvement measures of the monitoring scheme are put forward to provide reference for similar projects.

關鍵詞：層狀巖體；隧道開挖；Midas/NX；圍巖變形

Key words： stratified rock mass；tunnel excavation；Midas/NX；surrounding rock deformation

中圖分類號：U452.1+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0075-02

0 引言

巖體在形成的過程中，要經受各種復雜的地質作用。各種斷層、節理及裂隙等結構面發育使得巖體的物理力學性質十分復雜[1]。隧道的開挖是在巖土體環境中進行，受圍巖地質結構、賦存狀態、施工方法影響較大，開挖過程中的變形分析，是隧道安全施工的關鍵點，也是隧道建設中的一個難題。柳厚祥，鄭智雄[2]等人在研究了在高地應力的初始條件下不同錨桿支護方式對大傾角傾斜層狀巖體穩定性的影響；彭焱森，邱奎[3]分析了當巖層傾角不同時，隧道圍巖中不同位置的錨桿對于洞室變形及圍巖應力的約束作用也有顯著的不同；劉學增，林亮倫[4]研究逆斷層粘滑錯動影響下，隧道斷面周邊的圍巖應力變化特征及破壞模式的分類研究，并給出了當巖層傾角在75°的時候的隧道斷面圍巖接觸壓力的影響范圍和應力大小的變化區間；劉紅兵[5]分析了巖層傾角對偏壓作用的影響程度和規律，通過數值模擬，發現圍巖最大主應力線最大梯度方向與節理層面方向具有一致性；楊修[6]總結和歸納了位移判別法、強度準則法、極限應變法、塑性區尺寸判別法四種層狀巖體中適用的失穩判別依據；Wang.Y，Yin.J.M[7]等對層狀巖體的各向異性特性運用FLAC3D軟件用于分析的變形，得出當巖層的傾向保持不變，隨巖層傾角的增大，隧道周邊位移是有減少的趨勢的結論。所以針對大傾角層狀巖體地鐵隧道開挖圍巖穩定性進行研究具有十分重要的理論與工程意義。

1 工程概況

某軌道交通環線一期工程車站南北兩側均為山地，位于山體下方，車站采用礦山法施工，車站結構包括車站主體結構及站前配線區間，設計起點里程為YDK29+739.859，線設計終點里程為YDK30+007.860，長268.001m，軌面標高為226.716m。開挖斷面為直墻圓拱形斷面，為深埋隧道，采用雙側壁島坑法施工。擬建工程場地地貌單元為構造剝蝕淺丘地貌。場地地面高程240～312m。地形總體呈東高西低的特征，地形起伏較大，坡角為30～200，局部斜坡、陡坎處可達500～800。

車站主體擬采用礦山法施工，跨度23.6m，洞高21.09m，斷面為曲墻圓拱形，走向1970，與地質構造線交角近于平行，場地地面高程283～313m，橫向地形坡度較大，上覆土層一般厚0.0～1.5m，主要為素填土、粉質粘土，下伏侏羅系中統沙溪廟組砂質泥巖夾砂巖。本段隧道圍巖主要為較完整的塊狀鑲嵌結構砂質泥巖，預測正常單位涌水量2.13L/min·10m，地下水狀態為一級，呈滴狀或線狀排出。洞頂中等風化巖體厚46.3～71.3m>2.5Hq，為深埋隧道。圍巖參數建議值如表1所示。

2 施工過程模擬與監測數據對比分析

基于本文工程的特殊地質條件，采用摩爾庫倫模型來模擬開挖過程的應力-應變狀態，由于該軌道交通環線主體工程全長約268m，取其中具有代表性的巖層分布斷面，由于Midas/NX計算軟件可將板單元和實體單元所產生的誤差降低到5%以內，各斷面的襯砌均采用板單元進行模擬，襯砌結構與典型斷面模型如圖1所示。

通過模擬隧道開挖后第一次襯砌施加過程之后的圍巖變形，得到各巖層分布斷面的位移云圖，如圖2。通過七個斷面的計算結果可知，當巖層傾角為六十度時，隧道斷面附近一定區域內砌塊與巖體均發生了傾斜，出現了沿結構面滑動的趨勢，巖層交錯程度越復雜，產生的位移也更大。

根據監控量測規范和監測方案要求，按照每20m一個監測斷面布設測監控量測點，將整個車站主體各個監測斷面的監控量測數據分別于與對應監測布點位置的數值模擬結果進行對比以及該斷面拱頂沉降和洞內收斂位移最大模擬值進行對比，結果如圖3。

數值模擬結果與監控量測結果總體趨勢比較吻合，實測值通常情況下都略小于數值模擬結果，這中情況發生的主要原因可能是襯砌的施工不夠及時，在襯砌完工后，再進行布點監測，隧道斷面圍巖的應力和位移可能已經出現部分的流失。

通過數值模擬與監測數據的對比分析，驗證了模型的可靠性，所以整個隧道斷面在施工過程中最大拱頂沉降值約為13.4mm，最大洞內收斂約為7.5mm，均在監控量測報警值30mm以內，所以整個主體工程各個斷面的圍巖位移狀態均處在規范要求的許可范圍之內，現場監控量測的確起到了確保安全施工的作用。

3 結論

本文依托某軌道交通環線一期工程車站的具體工程，從實際工程地質情況出發，對大傾角層狀巖體隧道開挖引起的圍巖破壞形式和受力情況改變，位移變化等規律進行了研究，并與監測數據進行對比分析，得出以下結論：

①通過數值模擬發現大傾角層狀巖體交錯時，會使整個圍巖的位移影響范圍擴大，若發生在隧道斷面處，會造成拱頂位移明顯偏大現象，上覆土層分布不均時會對這種偏移現象帶來顯著影響；

②當巖層交錯現象比較幾種出現在隧道斷面附近，并貫穿隧道斷面時，這種圍巖會加劇位移云圖偏移的影響范圍；

③在圍巖在隧道開挖過程中，巖層傾角對隧道開挖的穩定性有著顯著的影響，隨著開挖巖層傾角的逐步增大，拱頂沉降變形呈現先增大后減小的趨勢，并在某一個狀態下出現峰值，在以后的工程開挖中可利用此規律，適當的避免在最不利傾角巖層進行開挖。

參考文獻：

[1]龔書賢.層狀圍巖隧道力學特性及穩定性研究[D].重慶：重慶大學.

[2]柳厚祥，鄭智雄，胡勇軍，趙明綱.層狀巖體不同傾角對高地應力隧道穩定性影響分析[J].交通科學與工程，2014，30（2）：46-50.

[3]彭焱森，邱奎.陡傾層狀不同傾角巖體下的隧道的施工力學行為分析[J].公路隧道，2013（4）：17-22.

[4]劉學增，林亮倫.75°傾角逆斷層粘滑錯動對公路隧道影響的模型實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（12）：2523-2530.

[5]劉紅兵.巖層傾角對層狀巖體隧道穩定性影響分析[J].公路工程，2013（8）：167-169.

[6]楊修.深埋水平巖層隧道開挖圍巖穩定性分析[D].北京交通大學.2012.

[7]Wang.Y， Yin.J.M， Xiao.G.Q. Three-dimensional stability analysis of stratified rock mass tunnel based on anisotropic theory.[C]. Rock Stress and Earthquakes-Proceedings of the 5th International Symposium on In-Situ Rock Stress 2010. 617-621.