不同節理位置及傾角對隧道圍巖穩定性的影響分析

賀暄

摘要：文章以黃土含節理地區隧道開挖為例，采用有限元軟件Midas建立模型，并考慮不同節理位置和節理傾角兩種工況，對隧道圍巖變形以及應力變化規律進行了分析。結果表明：（1）考慮不同節理位置時，對于水平位移，節理的存在會略減小靠近節理一側拱腰的最大水平位移;對于豎向位移，節理的存在使得最大豎向位移向節理處靠近。節理在拱腰、拱肩和拱頂時，其最大豎向位移比無節理時分別大8.8%、10.3%和0.3%，節理在拱肩處應力比拱腰和拱頂時圍巖應力分別大3.2%和4.0%。（2）節理傾角為30°、45°、60°和90°時的最大豎向位移值比無節理時分別大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，隨著節理傾角的增大，最大豎向位移值逐漸減小;節理傾角為45°、60°和90°時的最大應力比節理傾角為30°時分別小0.4%、1.1%和2.0%，隨著節理傾角的增大，最大圍巖應力逐漸減小，但整體變化趨勢不大。

關鍵詞：隧道工程;黃土;節理;位移;傾角;應力

0 引言

節理是影響巖土穩定性的重要因素之一，不同節理位置和節理傾角對于隧道工程都有較大的影響，尤其在我國西南地區，遍布的黃土中又常常伴有節理出現，因此，研究黃土中節理的存在對隧道穩定性的影響至關重要。近年來，國內一些學者對此進行了相關研究：朱勁、張志強等人[1-2]以沙壩灣隧道靠近洞口偏壓段為研究對象，采用數值模擬的方法研究了紅層地區不同節理傾角下隧道圍巖力學響應、變形特性;趙作富、王貴君等人[3-4]通過分析隧道不同走向條件下巖層節理傾角對頂平衡拱內層狀圍巖應力狀態的影響，研究節理傾角對隧道拱頂圍巖穩定性的影響，結果顯示巖層傾斜、隧道走向與巖層走向相同時拱頂圍巖的穩定性隨節理傾角增大而減小，隧道走向與巖層走向垂直時拱頂圍巖的穩定性隨節理傾角增大而增大;馬天輝、賈超等人[5-6]在二軸圍壓條件下，數值模擬了節理巖體中隧洞圍巖損傷破壞過程，研究了節理巖體中隧洞圍巖體的破壞機理，分析了巖體中節理傾角對隧洞圍巖穩定性的影響規律等。

本文主要以某處黃土含節理地區隧道開挖為例，通過采用有限元軟件Midas建立模型，并考慮不同節理位置和節理傾角兩種工況，對隧道圍巖變形以及應力變化規律進行了分析，以期研究結果可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

我國西南地區廣泛分布著黃土，黃土是具有第四紀中風力搬運的黃色粉土沉積物，常伴有節理發育等特性。由于節理的存在，不僅會影響黃土本身的穩定性，而且會造成軟土中形成不同方向的軟弱結構面，若在存在節理的黃土中施工，很容易造成安全事故。某鐵路隧道穿越黃土地區山嶺，經過地質勘探發現該建設地區節理較發育，巖土體比較破碎。隧道最大洞徑為10.6m，高度為9.5m，上覆土體埋深約為37.8～47.6m。為了保證隧道建設的安全性，本文采用數值模擬手段，分析了節理的存在對隧道穩定性的影響。

2 數值建模

2.1 模型建立

如圖1所示，為采用有限元軟件Midas建立的開挖前后數值模型圖，其中圖1（a）和圖1（b）分別為開挖前和開挖支護后的模型圖。為了減小模型尺寸帶來的影響，建模時模型上表面即為山嶺頂部，隧道中心埋深取48m，模型長寬高分別為50m、10m和80m。網格共計15756個，均采用實體單元，均采用摩爾庫倫本構模型。由于本文主要研究節理的影響，故初支和二次支護一次進行，襯砌厚度為0.35m。節理采用無厚度的接觸單元模擬，節理具體形態與位置在下節進行詳細描述。表1給出了土體、節理以及襯砌的相關物理力學計算參數。

2.2 不同計算工況建立

如圖2所示，本文僅考慮一條節理的情況，并分別探討不同節理位置以及不同節理傾角兩種工況的影響。如圖2（a）所示，考慮三種不同垂直節理位置的影響，分別為拱腰處（A處）、拱肩處（B處）和拱頂處（C處）;如圖2（b）所示，考慮4種不同節理傾角的影響，節理均通過左側拱腰處，節理傾角分別為30°（D1處）、45°（C1處）、60°（B1處）和90°（A1處）。

3 數值結果分析

3.1 不同節理位置的分析

位移是反映隧道穩定性以及安全性的重要因素之一。如下頁圖3所示，分別給出了無節理和有節理在拱腰、拱肩和拱頂時的隧道開挖穩定后水平位移以及豎向位移云圖。由圖3（a）可知，當無節理時，隧道位移表現為沿隧道豎直中線兩側對稱分布，其中拱頂最大豎向位移為83.8mm;當節理在拱腰處時，隧道兩側拱腰處水平位移最大，且位移方向為遠離隧道方向，同時隧道拱頂位移最大，且拱頂表現為沉降，拱底表現為隆起。觀察圖3（b）云圖可以發現，對于水平位移云圖，節理的存在會略減小靠近節理一側拱腰的最大水平位移;對于豎向位移云圖，節理的存在使得最大豎向位移向節理處靠近。圖3（c）、圖3（d）分別為節理在拱肩和拱頂時的位移云圖，其位移變化規律與圖3（b）均一致，即節理的存在會略減小靠近節理一側拱腰的最大水平位移以及使得最大豎向位移向節理處靠近。

為了對無節理和有節理在不同位置處的變形值進行對比分析，下頁圖4提取出無節理工況下以及有節理在拱腰、拱肩和拱頂時的最大豎向位移值。由圖4可知，無節理時產生的豎向位移最小，其次是節理在拱頂時，最大的為節理在拱肩處。節理在拱腰、拱肩和拱頂時，其最大豎向位移比無節理時分別大8.8%、10.3%和0.3%。

隧道開挖會導致圍巖卸荷并釋放壓力，圍巖應力是反映圍巖穩定性的另一重要因素。如下頁圖5所示，分別為節理在拱腰、拱肩和拱頂時的圍巖拱腰處最大應力。由圖5可知，節理在拱肩處應力比拱腰和拱頂時圍巖應力分別大3.2%和4.0%。

3.2 不同節理傾角的分析

如圖6所示，分別給出了節理傾角分別為30°、45°、60°和90°時的隧道開挖穩定后水平位移以及豎向位移云圖。由圖6（a）可知，當節理傾角為30°時，節理以上部分水平位移方向均為負，這與無節理時水平位移云圖不同;而對于豎向位移云圖，當節理傾角為30°時，導致位移在節理面發生突變，節理面處位移明顯增大。圖6（b）～圖6（d）分別為節理傾角為45°、60°和90°時的位移云圖，其位移變化規律與圖6（a）較一致，且隨著節理傾角的增大，最大豎向位移存在減小的趨勢。

為了對不同節理傾角的隧道變形值進行對比分析，圖7提取出節理傾角分別為30°、45°、60°和90°時的最大豎向位移值。由上節可知，無節理時最大豎向位移為83.9mm，則節理傾角為30°、45°、60°和90°時的最大豎向位移值比無節理時分別大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，隨著節理傾角的增大，最大豎向位移值逐漸減小。

如圖8所示，為節理傾角分別為30°、45°、60°和90°時的最大應力變化圖。由圖8可知，節理傾角為45°、60°和90°時的最大應力比節理傾角為30°時分別小0.4%、1.1%和2.0%。隨著節理傾角的增大，最大圍巖應力逐漸減小，但整體變化趨勢不大。

4 結語

本文以某黃土含節理地區隧道開挖為例，通過采用有限元軟件Midas建立模型，并考慮不同節理位置和節理傾角兩種工況，對隧道圍巖變形以及應力變化規律進行了分析，結論如下：

（1）考慮不同節理位置時，對于水平位移，節理的存在會略減小靠近節理一側拱腰的最大水平位移;對于豎向位移，節理的存在使得最大豎向位移向節理處靠近。無節理時位移最小，其次是節理在拱頂時，最大的為節理在拱肩處。節理在拱腰、拱肩和拱頂時，其最大豎向位移比無節理時分別大8.8%、10.3%和0.3%;節理在拱肩處應力比拱腰和拱頂時圍巖應力分別大3.2%和4.0%。

（2）考慮不同節理傾角，當節理傾角為30°時，位移在節理面發生突變，節理面處位移明顯增大。節理傾角為30°、45°、60°和90°時的最大豎向位移值比無節理時分別大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，隨著節理傾角的增大，最大豎向位移值逐漸減小;節理傾角為45°、60°和90°時的最大應力比節理傾角為30°時分別小0.4%、1.1%和2.0%，隨著節理傾角的增大，最大圍巖應力逐漸減小，但整體變化趨勢不大。

參考文獻：

[1]朱 勁，徐幼建，許瑞寧.不同節理傾角對紅層地區偏壓隧道圍巖穩定性的影響[J].四川建筑，2015，35（2）：91-93.

[2]張志強，何本國，關寶樹，等.節理巖體隧道圍巖穩定性判定指標合理性研究[J].現代隧道技術，2012，49（1）：12-19.

[3]趙作富，陳 建，胡國軍，等.巖層傾角與隧道走向間關系對大斷面隧道圍巖穩定性的影響[J].公路與汽運，2014（5）：190-194.

[4]王貴君，任楊茹.節理特性對隧道圍巖穩定性影響的研究[J].河北工業大學學報，2017，46（1）：103-107.

[5]馬天輝，張文東，徐 濤.節理巖體中隧洞圍巖的損傷破壞機理[J].東北大學學報（自然科學版），2013（10）：1485-1489.

[6]賈 超，廉明遠，李 輝.開挖走向對某節理隧洞塊體穩定性的影響[J].人民黃河，2016（4）：106-108.