層狀地質公路隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

羅海燕 石俊 劉燈凱

摘要：層理作為一種層狀構造，其存在影響隧道圍巖穩(wěn)定性。為研究層理與隧道縱斷面成不同交角時，其對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，文章基于有限元模擬軟件MIDAS GTS，對5種角度層理巖體隧道進行了模擬，結果表明：隨著層理角度的增加，圍巖穩(wěn)定性逐漸變好，于45°時，圍巖穩(wěn)定性最好，隨后圍巖穩(wěn)定性逐漸變差。

Abstract： As a layered structure， bedding affects the stability of tunnel surrounding rock. In order to study the influence of the bedding on the stability of the tunnel surrounding rock when the bedding and the longitudinal section of the tunnel form different angles， the article simulates five angle bedding rock tunnels based on the finite element simulation software MIDAS GTS. The results show that： with the increase of the bedding angle， the stability of the surrounding rock gradually becomes better， when the angle is 45°， the stability of the surrounding rock is the best， and then the stability of the surrounding rock gradually deteriorates.

關鍵詞：公路隧道;層狀地質;圍巖穩(wěn)定性;層理角度;數(shù)值模擬

Key words： highway tunnel;layered geology;surrounding rock stability;bedding angle;numerical simulation

中圖分類號：U451? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0096-02

0? 引言

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素繁多，大致可概括為3類：地質因素、工程因素以及施工因素。地質因素包括巖石的物理力學性質、巖體結構與構造、巖塊堅硬程度、巖體的完整性程度、結構面的抗剪特性、地下水用、風化作用等;工程因素包括隧道埋深、斷面形狀、大小、高跨比等;施工因素包括施工方法和手段、支護時間及方式等，其中地質因素是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的最主要因素。層理作為巖石沿垂直方向變化所產生的層狀構造，其存在影響隧道圍巖穩(wěn)定性，因此，大量學者對含層理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性進行研究，為研究二次襯砌內力受蠕變效應影響的效果，張文居、楊清浩[1]以鷓鴣山隧道為依托，利用離散元軟件3DEC，建立了當層理面傾角β分別為0°、30°、60°和90°時隧道的數(shù)值模型并進行計算;在軟巖隧道中，巖石具有一定的蠕變特征，為了確保隧道長期穩(wěn)定性，汪俊波、孟陸波等[2]對不同層理構造砂巖開展了三軸蠕變試驗，分析了層理構造對砂巖力學特性的影響;為了研究層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性問題，吳渤[3]以武漢花山大道隧道工程為背景，通過采用室內模型試驗、理論建模、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)控量測與反演分析等方法，全面系統(tǒng)地研究了層狀巖體破損機理、圍巖穩(wěn)定性、錨固機理，并與花山大道隧道工程實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合對比分析;徐國文[4]采用室內試驗、數(shù)值模擬、理論分析等方法，對層狀千枚巖宏細觀各向異性力學特征進行了深入研究。

通過查閱大量文獻資料發(fā)現(xiàn)，研究層理對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究點很全面，但就研究層理角度對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的文章來說，大多數(shù)考慮的是層理與隧道橫斷面之間的角度關系，鮮有考慮層理與隧道縱斷面之間角度關系的文章。因此，本文基于MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件，研究當層理與隧道縱斷面成不同交角時，其對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1? 工程背景

云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣境內的某區(qū)段項目土建工程存在4座隧道，共長9265m，占線路總長的82.59%，隧道穿越地層含V級、Ⅳ級以及Ⅲ級圍巖。Ⅴ級圍巖以強風化白云巖為主，呈碎裂狀松散結構為主，巖溶發(fā)育，巖土體富水性較強;Ⅳ級圍巖以強風化白云巖、中風化白云巖、泥灰?guī)r為主，多為碎裂結構、中厚狀結構，局部賦存巖溶空腔，巖體富水性強;Ⅲ級圍巖以強風化白云巖、中風化白云巖、鈣質泥巖為主。地質結構復雜，圍巖地質條件差。對隧道穿越V級圍巖段，擬采用預留核心土三臺階分部開挖法（土質段）或三臺階分部開挖法（石質段）開挖;對隧道Ⅳ級圍巖及Ⅲ級圍巖段，擬采用上下斷面臺階法開挖;對隧道Ⅳ級圍巖緊急停車帶段，擬采用三臺階法開挖，對于隧道穿越煤層段，擬采用全斷面法開挖。

在此選取其中一條隧道為研究對象，采用二臺階法開挖，該隧道為一座單幅短隧道，隧道全長215m，其中穿越Ⅳ級圍巖段隧道長120m，穿越Ⅴ級圍巖段隧道長80m，明洞長15m，隧道最大埋深約為59.94m。隧道橫斷面圖見圖1，隧道開挖后及時采用Φ22砂漿錨桿、C25噴射混凝土以及I16型鋼拱架進行初期支護，其中錨桿長2.5m，采用梅花形布置，其中環(huán)向×縱向=1.0m×0.8m;噴射混凝土厚23cm;型鋼拱架梅榀間隔80cm。

2? 隧道模型的建立

建立隧道縱斷面與層理角度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°時隧道三維數(shù)值模型，考慮隧道橫斷面尺寸及該隧道所處地質條件，在建立數(shù)值模型時，模型邊界至隧道的橫向距離取為隧道的3倍跨徑，模型底部至隧道的距離取為3倍洞徑，隧道埋深取實際隧道最大埋深，即59.94m，層理面至隧道最近距離為1m，層理間間隔2m，共5條層理，模型長×高=83.9m×105m，部分模型具體尺寸見圖2。

進行網(wǎng)格劃分時，隧道及巖體采用3D實體單元進行模擬，采用三角形網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格;錨桿采用1D植入式桁架單元進行模擬;初支時選用的型鋼拱架以及噴射混凝土按照所占面積大小采用等效的殼單元進行模擬，部分網(wǎng)格劃分圖見圖3，模型物理力學參數(shù)見表1。

3? 結果分析

隧道開挖前，地下巖體處于初始地應力平衡狀態(tài)，隧道開挖后，初始地應力平衡狀態(tài)被打破，隧道圍巖具有向隧道內運動的趨勢，因此，可用從隧道開挖至支護后的隧道拱頂位移來描述隧道圍巖穩(wěn)定性。圖4表示隧道縱斷面與層理分別呈15°、30°、45°、60°、75°時隧道從開挖至支護完成后拱頂連線上最大位移。從圖3可以看出，隨著層理角度的增加，隧道拱頂位移先減小后增大，并當層理角度為45°時，隧道拱頂位移最小，說明該層理狀態(tài)下隧道開挖圍巖最為穩(wěn)定。

圖5為隧道縱斷面與層理呈不同角度時拱腰處錨桿受力圖，隧道圍巖位移越大，錨桿受力越大，故通過錨桿受力大小亦可反映隧道圍巖穩(wěn)定情況。從圖6可知，隨著層理逐漸增大，錨桿受力先減小后增大，且在45°層理下錨桿受力最小，故可知，當隧道縱斷面與層理呈45°時，隧道圍巖穩(wěn)定性較好。

4? 結論

基于數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS，對層理與隧道縱斷面成不同角度時圍巖穩(wěn)定性進行研究，得出主要結論如下：①隨著層理角度的增加，隧道拱頂位移先減小后增大，并當層理角度為45°時，隧道拱頂位移最小;②隨著層理逐漸增大，錨桿受力先減小后增大，且在45°層理下錨桿受力最小;③當層理角度小于45°時，隨著層理角度的增大，隧道圍巖穩(wěn)定情況越好，當層理角度大于45°時，隨著層理角度的增大，隧道圍巖越不穩(wěn)定，當隧道縱斷面與層理成45°時隧道圍巖最為穩(wěn)定。

參考文獻：

[1]張文居，楊清浩.層理面傾角對圍巖蠕變及支護結構力學特性的影響研究[J].施工技術，2019，48（11）：73-78.

[2]汪俊波，孟陸波，劉天毅，等.砂巖層理構造對力學特性影響分析[J].鐵道標準設計，2020，64（04）：130-135.

[3]吳渤.層狀巖體隧道圍巖擾動區(qū)演化與錨固機理研究[D].徐州：中國地質大學，2016.

[4]徐國文.層狀千枚巖地層隧道穩(wěn)定性分析[D].成都：西南交通大學，2017.