不同产状岩质隧道稳定性数值模拟

赵丽雪

(中铁十三局 第二工程公司，广东 深圳 518083)

近年来，我国在西南、西北地区交通基础建设大规模的发展，正在兴建和规划中的高速公路数量日益增多，其中穿越山岭的隧道越来越长，标准也越来越高。在岩体生成过程中，经受各个年代复杂地质力学作用，发育着丰富断层、节理和各种裂隙等结构面[1-2]。大量的工程实例证明，工程岩体的失稳往往都是沿结构面发生的，甚至有的学者提出优势结构面的概念。而当前研究多把围岩看作连续、各向同性均质介质，通过弹、塑性力学理论分析应力重分布的规律[3-5]。显然，连续介质理论并不能准确得到岩体力学行为结果。

王刚、李术才等将断裂损伤计算结果与一般弹塑性计算结果进行对比分析，认为节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响至关重要[6]。刘刚、赵坚等通过模型试验研究节理密度对围岩变形及破坏影响，得出断续节理密度控制着围岩稳定性[7]。王贵君进行节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞稳定性离散元法分析[8]。陈寿根、漆泰岳也分别对节理岩体进行离散元分析[9-10]。通过调研国内外相关文献，深埋层状岩体隧道研究并不多见，因此，研究不同节理倾角下大断面公路隧道围岩稳定性及支护要点具有显著的理论意义和学术价值。

1 工程概况

以在建山西高速公路大梁山特长隧道工程为依托，隧道为双洞分修型，双洞轴线相距20～23 m。隧址区地层单斜，层理产状 N28°E/35°SE，节理裂隙较发育，节理产状 N57°W/90°，N50°E/35°NW，岩层走向与线路方向基本一致。节理切割，边墙、拱脚存在不稳定结构体，易产生坍方。隧道范围无地表水流，地下水主要为基岩裂隙水，段内斜坡坡面顺直，降雨多沿坡面流走，泥岩隔水性较好，下渗条件差，隧道区地下水贫乏。断层带内变辉绿岩脉较为破碎，断层与围岩接触带挤压明显。其中，带有层状岩体的隧道开挖后，易引起地质偏压，其围岩力学行为不容忽视。

2 计算模型及参数选取

2.1 计算模型及边界条件

以山西省大梁山隧道为依据建立模型。模型横向取100 m，下边界距离隧道中心35 m，上边界距离隧道中心80 m。左、右边界水平位移约束，下边界竖向位移约束，上边界施加自重应力边界，计算模型如图1所示。采用离散元UDEC软件，重点考虑节理倾角对隧道稳定性影响。在埋深150 m，节理间距3 m的条件下，研究 0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90°时围岩稳定性状况。

2.2 计算参数

根据大梁山隧道工程现场地质勘查报告、相关规范和文献，岩块和节理物理力学参数取值如表1、表2所示，块体和节理均采用Mohr-Coulomb本构模型。

表1 岩块物理力学参数

表2 节理物理力学参数

3 对隧道稳定性影响分析

复杂地质运动使得节理成为岩体中天然的软弱面，不同节理倾角下隧道失稳模式必定存在差异，产生地质偏压，其产状变化对围岩应力场重分布产生重要影响，甚至出现节理沿着节理面滑移趋势。

3.1 水平层状岩体力学响应

隧道开挖后，可以看出围岩内应力发生了重分布，且与岩体内不连续面方向密切相关。水平层状岩体洞周切向应力和主应力分布如图2所示。

图2 切应力分布

从图2看出:由于结构面的存在，使结构面附近产生切应力集中，不仅影响其方向，而且也影响其大小分布，容易使结构面发生剪切滑移或张开。另外，结构面参数相对岩块来说要低得多，进一步证明结构面是隧道稳定性控制部位，结构面错动可能成为洞室破坏的潜在区域。

隧道开挖后，结构面从根本上改变了围岩应力重分布，主应力方向也发生了变化，最大主应力和最小主应力方向不再是切向和径向，而是和结构面关联起来。平行结构面方向主应力分布较均匀，在垂直于结构面方向洞周主应力分布极不均匀，拱部和底部岩层容易发生弯折破坏。

3.2 倾角对围岩应力影响

图3表示不同节理方向下主应力分布特征，随着节理倾角增大，主应力大小和方向发生明显变化。

图3 不同倾角节理隧道围岩主应力分布特征

从图3看出，节理方向不仅影响着主应力的方向，而且也影响其大小。在与不连续面平行的方向，应力得到了释放，岩体松弛明显，甚至出现了拉应力。而在与不连续面垂直的方向，应力增加。同时在结构面附近主应力集度较大，其破坏形式表现为层状节理岩体弯曲压溃。这些与现场所观察到的现象非常吻合，表明本仿真模拟方法较真实地反映了不连续体的力学行为。

3.3 倾角对位移影响

位移是隧道稳定性最直接的评判标准，不同岩层倾角(0°，30°，60°)位移分布如图4所示。从图4中可以看出，由于岩体中不连续面的存在，隧道开挖引起的洞周位移中，沿节理面的位移比较大。这主要是由于隧道上部围岩失去支撑，而结构面参数较弱，极易发生剪切滑移，边墙上部位移大于下部位移。当岩层水平时，如图4(a)所示，最大的位移发生在拱肩处，而并不是拱顶、仰拱或边墙，其破坏形式表现为拱部岩层弯折破坏。当节理倾角为30°和60°时，如图4(b)和图4(c)所示，最大的位移发生在右拱肩和左拱脚。当竖向节理时，位移主要在拱部以向下发展为主，破坏模式主要表现为节理面滑移。因此必须采取支护措施，增强节理面黏聚力和摩擦角，提高岩层抗剪强度，最终达到稳定围岩目的。

图4 围岩强度应力比及塑性区分布特征

4 结论

结合大梁山特长隧道，研究不同节理倾角时公路隧道围岩的稳定性，研究结果完全不同于传统松散介质理论的层状岩质隧道失稳模式，结论如下:

1)节理面极大削弱岩体力学特性，往往成为工程失稳关键所在。隧道施工会导致层状岩体沿节理面发生滑移破坏，岩体强度和变形特性强烈地受制于节理方位。节理面引起的顺层偏压，使围岩的受力特征明显不同于传统松散介质理论。

2)节理水平时，失稳模式为拱部和仰拱层状岩体弯折屈服。节理倾角较小时(＜45°)，节理面间滑移力难以克服黏聚力，破坏模式为边墙岩体的压碎和节理面张开。

3)当节理面倾角为45°时，失稳模型表现为左拱肩和右墙脚弯折破坏。节理角度为60°～70°时岩体最不稳定，围岩失稳模式主要为层间剪切滑移，同时包含层状节理法向弯折破坏。

4)当竖向节理时，位移主要在拱部以向下发展为主，破坏模式主要表现为拱部节理面的滑移。因此必须采取支护措施，增强节理面黏聚力和摩擦角，提高层间抗剪强度，最终达到稳定围岩目的。

5)在节理发育条件下，隧道施工会导致岩层沿节理面发生剪切滑移破坏和地质偏压。因此，从结构安全和经济出发，非对称支护参数设计显得尤为重要，而现行《公路隧道设计规范》以等长、等间距系统锚杆设计的合理性，值得进一步商榷。

[1]王睿，康辰.隧道施工中围岩与初期支护监测技术研究[J].铁道建筑，2010(12):57-59.

[2]LEI X Y，SWOBODA G，ZENZ G.Application of contactfriction interface element to tunnel excavation in faulted rock Original Research Article[J].Computers and Geotechnics，1995，17(3):349-370.

[3]午向阳，蒋宗全，李鹏飞，等.大断面隧道下穿高速公路施工方案优化研究[J].铁道建筑，2010(11):40-42.

[4]史赵鹏.偏压超浅埋大断面黄土隧道施工技术[J].铁道建筑，2010(5):59-61.

[5]王明年，李玉文.公路隧道围岩亚级分级方法[M].成都:西南交通大学出版社，2008.

[6]王刚，李术才，王书刚，等.节理岩体大型地下洞室群稳定性分析[J].岩土力学，2008，29(1):261-267.

[7]刘刚，赵坚，宋宏伟，等.节理密度对围岩变形及破坏影响的试验研究[J].岩土工程学报，2007，29(11):1737-1741.

[8]王贵君.节理裂隙岩体中大断面隧洞围岩与支护结构的施工过程力学状态[J].岩石力学与工程学报，2005，24(8):1328-1334.

[9]梁自强，邓稀肥，陈寿根.偏桥水电站引水隧洞施工全过程离散单元法仿真模拟研究[J].隧道建设，2009，29(1):45-49，53.

[10]龚建平，漆泰岳，俞凯.一组节理的岩体中开挖圆形洞室应力重分布的数值模拟[J].四川建筑，2008，28(3):59-60，63.