碎裂結(jié)構(gòu)巖體圍巖壓力對隧道襯砌內(nèi)力的影響

徐 紅, 曾博文, 李永明, 張志強

(1. 烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊830001; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031; 3. 烏魯木齊市軌道交通項目建設(shè)執(zhí)行辦公室，新疆烏魯木齊830001)

碎裂結(jié)構(gòu)巖體圍巖壓力對隧道襯砌內(nèi)力的影響

徐 紅1, 曾博文2, 李永明3, 張志強2

(1. 烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊830001; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031; 3. 烏魯木齊市軌道交通項目建設(shè)執(zhí)行辦公室，新疆烏魯木齊830001)

文章以烏魯木齊軌道交通2號線高鐵站—華山路區(qū)間隧道為工程依托背景，隧道穿越斷層帶破碎節(jié)理發(fā)育較好的巖體地層，分析了碎裂結(jié)構(gòu)巖體的基本力學(xué)特性，得到了碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形破壞的模式，并建立碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道模型，基于離散元的方法，分析不同埋深下，即不同圍巖壓力下，隧道襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律，得出了一些適用于碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道施工的重要結(jié)論，以期指導(dǎo)同類工程。

隧道工程； 碎裂結(jié)構(gòu)巖體； 圍巖壓力； 襯砌內(nèi)力

烏魯木齊軌道交通2號線高鐵站—華山路區(qū)間隧道所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，所穿越的地層均含有發(fā)育較好的節(jié)理破碎帶巖體，其中以碎裂結(jié)構(gòu)的巖體為主。具有這種結(jié)構(gòu)的巖體在無圍壓和低圍壓的條件下在傳播應(yīng)力上和變形發(fā)展上經(jīng)常呈現(xiàn)不連續(xù)特性，在力學(xué)性質(zhì)上具有明顯的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。故圍巖壓力對碎裂結(jié)構(gòu)巖體的力學(xué)性能具有較大的影響，需要對隧道襯砌受力的狀態(tài)進行相關(guān)的研究。

國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)對碎裂結(jié)構(gòu)巖體圍巖壓力對隧道襯砌內(nèi)力影響展開了研究，如周洪福等人[1]對碎裂結(jié)構(gòu)巖體似連續(xù)性的特點進行初步地分析，得到了水電工程可利用巖體的一種新的評價方法；李鵬飛等人[2]討論隧道圍巖壓力沿洞周的分布規(guī)律和不均勻系數(shù)的分布特征，分析隧道圍巖壓力作用機制和完善支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；韓勇等人[3]采用UDEC數(shù)值分析軟件，建立碎裂結(jié)構(gòu)巖體數(shù)值模型，研究碎裂結(jié)構(gòu)巖體應(yīng)力傳播的結(jié)構(gòu)效應(yīng)；龔建伍等人[4]對淺埋小凈距隧道的圍巖壓力進行理論分析和探討，提出考慮隧道雙洞先后施工過程的圍巖壓力分析模型和計算方法；譚忠盛等人[5]經(jīng)過對算法的比較分析，提出一種簡單、實用的二次二階矩法；李鵬飛等人[6]選取隧道圍巖壓力計算的7種常用方法，分別計算隧道埋深和隧道跨度等參數(shù)對圍巖壓力計算結(jié)果的影響；劉德軍等人[7]為了克服隧道襯砌內(nèi)表面常用補強方法的不足，探索纖維編織網(wǎng)增強混凝土加固隧道襯砌的適用性；劉學(xué)增等人[8]基于隧道襯砌拱頂結(jié)構(gòu)1∶1的荷載試驗，建立襯砌裂縫深度與襯砌剛度的關(guān)系，提出裂縫處襯砌剛度計算的梁彈簧模型。

高鐵站—華山路站區(qū)間隧道沿線分布的風(fēng)化巖主要為強風(fēng)化～中等風(fēng)化的泥巖，成巖較差易軟化易形成軟弱夾層。圍巖等級為III、IV級，可以將該區(qū)段的地層看作是破碎狀節(jié)理巖體。本文基于碎裂結(jié)構(gòu)巖體中隧道的變形和破壞模式，建立碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道模型，分析不同圍壓對隧道襯砌內(nèi)力的影響。

1 工程概況

高鐵站—華山路站起點里程DK15+750 m，終點里程DK17+100，長1 350 m。位于山前丘陵區(qū)，地勢南高北低，既有蘭新鐵路穿越DK16+850～DK17+050段西側(cè)為維泰路挖方路塹地，起伏較大，地面標(biāo)高在810～855 m之間。

烏魯木齊市區(qū)地下水位、含水層厚度、滲透系數(shù)、富水性等受基巖埋深、補給斷裂等影響存在明顯的差異。地表水分布于DK15+800～DK15+835段，為一側(cè)溝內(nèi)流水。側(cè)溝內(nèi)流水較淺，水深0.2 m左右。該水源補給主要為上游近山丘陵地帶的荒山綠化灌溉用水和大氣降水，水量不大。車站內(nèi)地下水為松散層孔隙潛水，主要埋藏于第四系中更新統(tǒng)圓礫土中，水位埋深1.0～30.5 m，水位高程792.4～834.5 m，地下水主要接受大氣降水，水量不大。擬建區(qū)間隧道在左線ZDK16+360～ZDK16+455以及右線YDK16+355～YDK16+450，經(jīng)過九家灣斷層組中的F5-3斷層，其下破碎帶區(qū)域巖石呈現(xiàn)明顯的碎裂狀(圖1)。

圖1 碎裂狀巖體

2 碎裂結(jié)構(gòu)巖體基本力學(xué)特性

2.1 碎裂結(jié)構(gòu)巖體

碎裂結(jié)構(gòu)巖體是指在III、IV級堅硬結(jié)構(gòu)面切割下形成分離的結(jié)構(gòu)巖體。碎裂結(jié)構(gòu)巖體，既不同于塊裂結(jié)構(gòu)巖體，也不同于完整結(jié)構(gòu)巖體。這不僅表現(xiàn)在巖體結(jié)構(gòu)上，而且更重要的是表現(xiàn)在巖體力學(xué)作用上。就巖體力學(xué)性質(zhì)來說，塊裂結(jié)構(gòu)巖體主要受軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)控制，而碎裂結(jié)構(gòu)巖體則既受結(jié)構(gòu)面控制，又受結(jié)構(gòu)體—巖塊力學(xué)性質(zhì)控制。就巖體力學(xué)作用來說，同樣，它既不同于塊裂結(jié)構(gòu)巖體，又不同于完整結(jié)構(gòu)巖體力學(xué)作用。

構(gòu)成碎裂結(jié)構(gòu)巖體有兩種結(jié)構(gòu)類型，即碎裂結(jié)構(gòu)和粗碎屑散體結(jié)構(gòu)。其中碎裂結(jié)構(gòu)又可以分為許多種亞類，主要有三種亞類：等厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)，不等厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀碎裂結(jié)構(gòu)。以上各種巖體結(jié)構(gòu)按力學(xué)作用可以歸并為兩種典型結(jié)構(gòu)，即對縫砌體碎裂結(jié)構(gòu)和錯縫砌體碎裂結(jié)構(gòu)。本文依托工程區(qū)間隧道為不等厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)。

2.2 碎裂結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞模式

碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形是比較復(fù)雜的，它的變形中常有四種成分，即結(jié)構(gòu)體壓縮變形、結(jié)構(gòu)體剪切變形、結(jié)構(gòu)面壓縮閉合變形、結(jié)構(gòu)面剪切滑移變形。這四種成分不僅在具體的巖體變形中影響程度不同，而且發(fā)揮作用的階段亦不相同。

碎裂結(jié)構(gòu)巖體的破壞主要有四種方式，即結(jié)構(gòu)體被壓碎，這種情況比較少有；結(jié)構(gòu)體沿著結(jié)構(gòu)面滑動，使巖體結(jié)構(gòu)解體；巖體結(jié)構(gòu)崩潰，解體；結(jié)構(gòu)體滾動，使巖體結(jié)構(gòu)解體。碎裂結(jié)構(gòu)巖體破壞是比較復(fù)雜的，屬于多種方式的復(fù)合破壞。

3 基本假設(shè)與模型的建立

3.1 基本假設(shè)

由于離散元法特別適合于富含節(jié)理弱面和大變形的工程問題，因而較多應(yīng)用于碎裂結(jié)構(gòu)巖體的模擬，本文采用UDEC離散元軟件。為研究碎裂結(jié)構(gòu)巖體在隧道開挖圍巖穩(wěn)定性，做如下假設(shè)：

(1)模型處于平面應(yīng)變狀態(tài)；考慮第三維方向的應(yīng)力分布，建立平面計算模型；

(2)巖石為均質(zhì)彈塑性材料，由于節(jié)理的存在而非各向同性材料；

(3)結(jié)構(gòu)面平直全長貫通，兩組結(jié)構(gòu)面相互正交，各組間距相等；兩組結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能是相同的，計算選取的結(jié)構(gòu)面參數(shù)均相同；

(4)固定左右邊界水平位移及下邊界豎向位移；超淺埋和淺埋情況下上邊界自由直接取到地表，深埋情況下上邊界取隧道開挖跨徑的3倍，并于上邊界施加均布壓力p模擬上覆巖層壓力。

3.2 模型的建立

為研究碎裂結(jié)構(gòu)巖體中隧道的基本力學(xué)響應(yīng)，按照復(fù)合襯砌斷面圖建模。巖體結(jié)構(gòu)為兩組結(jié)構(gòu)面形成的對縫式碎裂結(jié)構(gòu)，兩組結(jié)構(gòu)面間距均為0.4 m，隧道跨度B=8.02 m，模型寬度為10倍跨徑約81 m，底板距下邊界約35 m，當(dāng)拱頂距上邊界覆土深度大于35 m時取35 m，并在上邊界施加均布巖層壓力模擬上覆巖層壓力；當(dāng)拱頂距上邊界的覆土深度小于等于35 m時，上邊界取到地表(圖2)。

圖2 碎裂結(jié)構(gòu)計算模型

如圖2所示，約束模型左右邊界的水平位移和下邊界的上下位移。S為巖層厚度，p為上覆土壓。計算共取22個工況，埋深從10～900 m不等。

模型選取以下參數(shù)：GSI=50，GCI=75 MPa，m=8，D=0；JRC=11，JCS=75 MPa，φr=26，容重γ=26 kN/m3，泊松比μ=0.27，變形模量Em=8 660.25 MPa，巖石抗拉強度σt=0.216 1 MPa;節(jié)理法向剛度均為Kn=18.141 GPa，抗拉強度為0，其余圍巖物性指標(biāo)及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)如表1所示。

考慮到二次襯砌主要作為安全儲備來使用，故分析時不考慮二次襯砌，選取初襯參數(shù)如表2所示。

4 隧道襯砌內(nèi)力分析

為了在開挖后加入支護，研究支護后圍壓效應(yīng)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，采用struct梁單元模擬襯砌，對于襯砌的模擬我們采用厚度36 cm的struct梁單元一次施作完成，襯砌沿開挖斷面全環(huán)封閉。采用地層—結(jié)構(gòu)模式分析襯砌在不同圍壓水平下的內(nèi)力變化，研究圍壓變化對隧道暗挖法施工情況下開挖隧道后主體支護結(jié)構(gòu)受力的影響。

4.1 襯砌彎矩分析

各工況襯砌彎矩分布如圖3所示。隧道埋深超過100 m后，襯砌彎矩分布基本與埋深100 m時相同，因此只給出襯砌彎矩分布有明顯變化工況。

根據(jù)計算獲得的各工況下襯砌最大彎矩值(絕對值)隨隧道埋深變化圖如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出：

(1)隧道埋深較小情況下，襯砌拱頂部位彎矩較大，邊墻部位彎矩相對要小；隧道埋深較大的情況下，襯砌拱頂部位彎矩較小，而邊墻彎矩較大。

(2)從襯砌彎矩最大絕對值變化上看，隨埋深增大，襯砌彎矩緩慢增大，由20 kN·m左右增大到40 kN·m左右。

4.2 襯砌軸力分析

由于計算工況較多，此處僅給出軸力分布有明顯變化的工況(圖5)。當(dāng)隧道埋深大于100 m后，襯砌軸力分布基本與埋深100 m時相同，只是絕對數(shù)值上有差異。

表1 各工況下圍巖物性指標(biāo)和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

圖4 襯砌最大彎矩值隨隧道埋深變化

根據(jù)計算獲得的各工況下襯砌最大軸力值(絕對值)隨隧道埋深變化圖如圖6所示。

從圖5、圖6可以看出：

(1)從襯砌軸力分布情況看，隧道埋深小于100 m時，襯砌軸力分布較為均勻；隧道埋深大于等于100 m時，襯砌軸力分布變的有差異，拱頂軸力很小幾乎為零，而兩側(cè)邊墻軸力較大。

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

圖6 襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化

(2)從襯砌軸力的最大絕對值隨隧道埋深變化圖上看，隧道埋深10～35 m，襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化幾乎呈線性增大的趨勢，其數(shù)值從700 kN左右迅速上升到1 100 kN左右；隧道埋深35～40 m，襯砌最大軸力值隨埋深增大急劇減小，其數(shù)值從1 100 kN左右迅速減少到300 kN左右；隧道埋深40～900 m，襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化呈緩慢增大趨勢，其數(shù)值從300 kN左右上升到700 kN左右。

4.3 安全性評價

取10 m、50 m、100 m埋深三個工況，討論支護結(jié)構(gòu)安全性，計算出安全系數(shù)如表3～表5所示。

表3 埋深10 m時支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

從以上各表可以看出：埋深較淺時，墻腳處安全系數(shù)較小，是整個斷面最為危險的位置。隨著埋深的增大，拱頂位置處的安全系數(shù)接近限值，斷面其他位置的安全系數(shù)呈下降趨勢。埋深達到100 m時，除拱腳位置外，斷面其余位置安全系數(shù)均較小，均處于較危險的狀態(tài)。

表4 埋深50 m時支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

表5 埋深100 m時支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

5 結(jié)論

(1)巖體的力學(xué)作用和力學(xué)性能密切地與它所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，這被稱為巖體的圍壓效應(yīng)。當(dāng)圍壓超過于一定水平時，巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)迅速減少到可以忽略的程度，這個圍壓水平本文稱其為巖體喪失結(jié)構(gòu)效應(yīng)的臨界圍壓水平。巖體喪失結(jié)構(gòu)效應(yīng)后，可以將其簡化為連續(xù)介質(zhì)處理，但是巖體存在明顯結(jié)構(gòu)效應(yīng)時，必須用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的方法處理。

(2)通過離散單元法數(shù)值模擬，得到了襯砌內(nèi)力與圍巖壓力之間的關(guān)系，由襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律可看出，在埋深35～40 m處，襯砌內(nèi)力出現(xiàn)突變，說明圍巖穩(wěn)定性出現(xiàn)突變，這與巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)喪失相吻合。同時可得出，隧道圍巖穩(wěn)定性隨圍壓的增大呈先增大后降低的變化趨勢，即隨著圍壓的增大，隧道圍巖穩(wěn)定性先由較差向較好變化，當(dāng)圍壓達到巖體喪失結(jié)構(gòu)效應(yīng)的臨界圍壓水平后再向較差變化。

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U451+.4

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[定稿日期]2017-06-21

國家自然科學(xué)基金(編號:51478396)；新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃項目(編號:2013-1)

徐紅(1970～)，女，高級工程師，主要從事地鐵隧道工程設(shè)計與管理工作。

四川省土木建筑學(xué)會首套專家叢書問世