隧道穿越節理巖體引起的圍巖變形特征研究

李金明,肖鳳春,謝 彬,楊鑫茹,師啟蒙

(1.青島市市政公用工程質量安全監督站 青島市 266400;2.青島市地鐵四號線有限公司 青島市 266400;3.中鐵二十五局集團第五工程有限公司 青島市 266400;4.青島理工大學 土木工程學院 青島市 266400)

0 引言

巖體未受擾動的情況下,其本身具有保持自我穩定的能力。但是當隧道在節理巖體中施工時,由于節理面切割巖體,使巖體的整體強度和力學參數出現明顯降低,周圍巖體沿節理面滑移會發生錯層現象,從而導致圍巖穩定性降低、變形增大,同時引起上覆巖體的脫落甚至坍塌,嚴重影響隧道施工安全。

針對隧道在節理巖體中施工引起的圍巖穩定性問題,國內外學者進行了大量研究。耿萍[1]為研究富水地區地應力、水位高度和節理法向剛度等因素對隧道開挖后節理巖體滲流場重分布的影響,針對節理巖體下隧道施工圍巖穩定性和圍巖突水災害等問題,運用離散元理論,建立了垂直交叉節理巖體模型;劉君等[2]通過改變節理傾角,研究了隧道施工時節理巖體中的應力分布特征、隧道圍巖的變形規律以及隧道施工工序對圍巖變形及其穩定性的影響;吳軍[3]首先對節理的物理力學特性進行分析,然后通過數值模擬研究了不同節理傾角、不同節理間距和不同節理類型下隧道圍巖的變形特征;何長江等[4]通過建立節理巖體模型,改變節理傾角和節理間距,分析了隧道分別穿越硬巖和硬軟巖互層時圍巖的穩定性;黃定一[5]使用離散元軟件建立了隧道穿越節理巖體時的三維數值模型,通過分析節理巖體各項參數來研究圍巖的變形規律,并從中得出影響圍巖穩定性的主要因素;鄭穎人等[6]基于強度折減法,從巖體強度和穩定性入手,主要研究了隧道在節理巖體中施工時的破壞模式和安全系數,得出隧道發生破壞的位置主要受節理傾角控制的結論;此外還有學者對隧道穿越節理巖體時的力學機理、隧道圍巖的變形機制等進行了廣泛研究[7-11]。

綜上,圍巖作為隧道施工過程中的主要承載體,其變形問題至關重要,尤其是隧道在節理巖體中施工且巖體較為破碎時問題更為顯著。為了避免因圍巖變形過大導致隧道出現開裂、坍塌等工程事故,研究隧道在節理巖體中施工引起的圍巖變形具有重要現實意義。文章基于有限元理論,以青島地鐵四號線西登瀛站—大河東站區間為工程背景,建立隧道在節理巖體中施工的數值模型,針對隧道在節理巖體中施工引起的圍巖變形問題展開具體研究。

1 隧道穿越節理巖體的三維數值模型

1.1 數值模擬依托工程概況

西登瀛—大河東區間的節理主要由區域斷層構造控制,節理面形態較為平直,多呈緊閉～閉合狀,傾角一般在60°～80°,且節理面在靠近斷裂帶兩側的地方分布較密集。該段區間左、右線為分修的兩條單線隧道,采用礦山法施工,區間隧道拱頂埋深在19.2～38.0 m。

1.2 模型的基本假定

針對隧道在節理巖體中施工引起的圍巖變形問題,采用Midas GTS NX軟件進行數值模擬分析。為方便三維實體模型的建立和邊界條件的確定,設定如下基本假定:

(1)將地層視為半無限空間體;(2)視巖土體為均質的、各向同性的連續介質;(3)只考慮自重應力場,不考慮巖土體的構造應力;(4)在分析圍巖變形時,不考慮因節理間的相互滑移而引起的巖體結構改變,且兩條節理間互不影響。

1.3 模型的尺寸和邊界條件

巖土體采用莫爾-庫倫本構模型,節理采用無厚度的界面單元進行模擬。

(1)模型尺寸

根據已有研究成果可知,隧道影響范圍為3D～5D(D為隧道的直徑)。因此通過查閱西登瀛—大河東區間的工程資料及相關規范確定隧道在節理巖體中施工的三維模型尺寸為:90 m×30m×60m?？紤]依托工程實際情況,結合現場考察與工程資料定義如下:按照工程實際,隧道采用臺階法施工,隧道拱頂距地面距離取22 m,隧道拱底至模型底部約21.524 m。模型中節理長度定義為20 m,隧道長度取30 m,左右線兩條隧道沿開挖方向均設置10個開挖長度,每個開挖長度均為3 m,節理存在于模型中沿隧道開挖方向的微風化花崗巖5～25 m處。

(2)邊界條件

模型中的地層下表面施加固定端約束,左右表面施加X方向約束,前后表面施加Y方向約束,地表面為自由邊界。模擬時考慮巖土體自重應力的作用,且重力荷載系數取9.807m/s2。建立模型時,初期支護采取噴射混凝土和植入錨桿共同作用,其中,噴射混凝土采用2D板單元進行模擬,錨桿采用植入式桁架進行模擬。

1.4 物理力學參數的選取

隧道主體位于微風化花崗巖中,上覆巖土體為素填土和粉質粘土。巖土體及支護結構的物理力學參數如表1所示,界面單元的計算參數如表2所示。

表1 地層及支護結構計算參數

表2 界面單元計算參數

1.5 模擬所需的工況界定

隧道在節理巖體中施工時的隧道圍巖穩定性分析主要包括以下兩方面:(1)不同節理傾角下隧道的圍巖變形分析;(2)不同節理間距下隧道的圍巖應力和圍巖變形分析。

圖1 模型中選取的監測斷面圖

2 數值模擬計算結果分析

2.1 不同節理傾角下隧道圍巖變形特征分析

當研究不同節理傾角下隧道圍巖變形特征問題時,節理傾角是變量,因此設定節理傾角分別為15°、30°、45°、60°、75°和90°六種不同工況,以此分析圍巖變形特征問題。在此將從圍巖豎向位移變化方面分析圍巖的變形特征問題。

圍巖豎向位移結果計算分析:選取傾角為30°時左線隧道開挖完成后G2斷面隧道圍巖的豎向位移云圖,從圖2、圖3可以看出,拱頂豎向變形影響范圍比拱底豎向變形影響范圍大,由上述分析可知,巖體在節理處會發生相對滑動,當節理穿過隧道左側拱腰和右側拱肩時,由隧道開挖引起的拱部沉降和隧道在均質巖體中開挖引起的拱部沉降有所不同。隧道穿越節理巖體時引起的拱部沉降變形不僅發生在拱頂位置,還會由拱頂位置向隧道左右方向延伸,圍巖沉降范圍從拱頂向左下方擴展至隧道左側壁和節理面相交位置,向右下方擴展至隧道右拱肩和節理面相交位置。

圖2 G2斷面隧道圍巖的豎向位移云圖

圖3 G2斷面隧道圍巖的豎向位移曲線圖

2.2 不同節理間距下隧道圍巖變形特征分析

(1)圍巖水平位移結果計算分析

表3 不同節理間距下隧道各斷面左、右拱腰水平位移值

(2)圍巖豎向位移結果計算分析

表4 不同節理間距下各斷面拱頂、拱底豎向位移值

從表4可以看出,拱頂和拱底的豎向變形均表現出隨節理間距的增大而逐漸減小的趨勢。當節理間距較大時,拱頂上方容易形成“壓力拱”,而“壓力拱”的存在可以使隧道保持自穩能力,圍巖穩定性較高。同時,隧道在不同節理間距巖體中施工時,同一斷面處拱底的隆起變形要稍大于拱頂的沉降變形,原因為兩條節理不在隧道輪廓線內,而是位于左線隧道右下方,兩條節理距離左線隧道較近,距離右線隧道較遠,當隧道開挖時節理處發生剪切變形,圍巖沿著節理面發生滑移,而隧道拱底靠近節理。綜上所述,隧道圍巖以拱底隆起變形為主。

2.3 數值模擬結果與監測結果對比分析

選取左線隧道開挖完成后ZDK29+400斷面和YDK29+400斷面作為監測斷面。隧道拱頂埋深22 m,圍巖等級為Ⅳ級,節理傾角75°。對拱頂沉降結果進行分析,從數值模型中提取左線隧道監測斷面的拱頂沉降模擬值,同時收集左線隧道監測斷面處拱頂沉降實測值,并對拱頂沉降模擬值和拱頂沉降實測值進行對比分析,二者對比曲線圖如圖4所示。

圖4 ZDK29+40斷面拱頂沉降模擬值與實測值對比曲線圖

圖4中,距監測斷面的距離從-24 m變化到6m表示隧道開挖逐漸向監測斷面推進,隨之又逐漸遠離監測斷面。從曲線走勢來看,拱頂沉降模擬值和實測值變化趨勢大致相同,拱頂沉降實測值稍大于模擬值。隧道在距離監測斷面較遠處開挖時,監測斷面上拱頂沉降值較小,隨著開挖面距離監測斷面越來越近,監測斷面上拱頂沉降值則越來越大,拱頂最大累計沉降模擬值約為7.2 mm,最大累計沉降實測值約為8.9 mm,誤差約為19.1%?？傮w來看,模擬值和實測值誤差一般在20%以內,一定程度上可以反映出運用有限元軟件進行數值模擬是合理可行的。

3 結論

文章研究隧道在節理巖體中開挖引起的圍巖變形特征問題,主要從不同節理傾角、間距條件出發,對圍巖的應力及不同節理間距下圍巖的位移變化進行具體分析。收集現場監控量測數據,對數值模擬值和現場實測值進行對比驗證,得出以下結論:隨著節理間距的減小,隧道圍巖的水平位移值和豎向位移值均呈現遞增趨勢,主要原因為當節理間距較小時節理排列密集,巖體受節理的切割作用明顯,與節理間距較大時相比,隧道圍巖的整體穩定性較差,故圍巖變形較大。