节理倾角对层状岩体大断面隧道稳定性研究

赵景彭

(大同市高速公路有限责任公司，山西 大同 037014)

1 情况介绍

在岩体生成过程中，经受各种复杂地质作用，发育着断层、节理和各种裂隙等结构面，使其物理力学性质十分复杂。而围岩破坏取决于节理，往往都是由优势结构面控制。用基于连续性假设数值方法来研究和设计［1-3］，离散元法特别适合于富含节理不连续面体，因而得到较为广泛应用。

Souley等研究不同本构结构模型对UDEC模拟计算结果的影响;Rajinder等用UDEC对喜马拉雅山大型地下工程稳定性进行探讨;王贵君等运用UDEC对节理岩体大断面隧道围岩和支护施工全过程进行数值分析;谭云亮等利用离散单元法探讨全长锚杆对节理围岩稳定性影响［4-6］。

对比国内外文献，针对深埋隧道不同节理倾角层状岩体稳定性研究并不多见，因此，研究不同节理倾角下围岩稳定性及支护力学响应具有显著理论意义和实践价值［7-10］。

2 工程概况

以大梁山特长隧道工程为依托，隧址区位于山西省北部阴山山脉大梁山基岩山区内。隧道全长6 058.00 m，最大埋深364.46 m。隧道洞轴平行地层走向，岩层倾向山体(倾向右侧)，倾角40°～50°，加之节理切割，左侧边墙、拱脚存在不稳定结构体，易产生滑坍坍方。岩层与隧道洞体小角度相交，对洞身影响段落较长，断层带内的变辉绿岩脉较为破碎，断层与围岩接触带挤压明显，长石类矿物高岭土化强烈。

3 计算模型及参数选取

3.1 数值模拟目的

采用离散元UDEC软件，把节理岩体视为由离散的块体和岩块间的节理面组成，研究岩层倾角变化(0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90°)时围岩稳定性影响规律，节理间距1 m。

3.2 计算模型及边界条件

为减小边界影响，模型横向取100.0 m，下边界距离隧道中心35.0 m，上边界距离隧道中心100.0 m。隧道跨度13.2 m，固定左右边界水平位移，下边界固定竖向位移，上边界施加自重应力边界，计算模型如图1所示，锚杆长度4.0 m，环向间距1.2 m。

图1 计算模型

3.3 计算参数

根据大梁山隧道工程现场勘查报告及现行《铁路隧道设计规范》和相关文献［2，6］，岩块和节理物理力学参数取值如表1、表2所示。块体采用 Mohr-Coulomb模型，结构面采用面接触滑动本构模型。埋深取300 m自重应力场，在隧道中心施加垂直地应力σy=6.90 MPa，水平方向的地应力σx=3.25 MPa，向四周围岩按应力梯度均匀变化。

表1 岩块物理力学参数

表2 节理物理力学参数

4 计算结果

由于节理的存在，其荷载出现明显顺层偏压现象，节理沿着节理面有滑动的趋势，甚至出现滑动，由此，在顺着节理方向产生较大的压力荷载。

4.1 锚杆轴力分析

各种倾角下锚杆轴力分布形式如图2所示，表3为不同倾角左右两侧对称锚杆轴力差值。

图2 隧道锚杆轴力分布特征

从图2和表 3看出，在倾角较小时(0°，15°)，两侧锚杆轴力差值不大，两侧锚杆基本对称，说明倾角较小时，不易发生顺层滑动，洞周围岩破坏形式与板裂介质理论一致。随着倾角增大(15°～60°)，两侧锚杆轴力差值增大，左侧明显大于右侧，岩层顺弱势节理面滑动趋势增大，洞周破坏主要取决于节理面强度。倾角75°～90°时，两侧锚杆轴力基本对称，洞周受力也趋于对称，围岩破坏主要为边墙岩层弯曲压溃。

表3 左右两侧锚杆轴力差值 kN

4.2 围岩力学响应

隧道开挖后，周向应力超过岩体强度处于屈服状态时，能量峰值会向围岩内部移动，隧道开挖后围岩会出现周向应力集中和径向应力松弛现象。不同岩层倾角(0°，30°，60°和 90°)主分布如图 3 所示，由于 15°，45°和75°与前述情况相似，在此不再叙述。

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方向，而且也影响其大小。在平行于节理方向洞室周边主应力分布相对较均匀，而在垂直于节理方向洞室周边主应力分布极不均匀，同时在结构面附近主应力集度较大。

对比不同倾角围岩主应力分布形式，锚杆应该与结构面成大角度交叉布置，发挥“销钉”作用，降低和传递主应力集中程度，锚杆能把数层层状岩体串连在一起，增大层间摩阻力，从而减小层间剪切错动，增强隧道稳定性，相当于增强了节理剪切刚度，抑制层状岩质隧道的剪切滑移，最终增强围岩稳定性。

4.3 围岩强度应力比及塑性区分析

隧道开挖必然引起岩体强度应力比改变及塑性化，围岩自承载能力下降。不同岩层倾角(0°，30°，60°和90°)下剪应力分布如图4所示。

图4 围岩强度应力比及塑性区分布特征

从图4中可以看出，隧道开挖引起围岩强度应力比等值线基本呈现椭圆形，长轴与结构面相垂直，短轴与结构面相平行。塑性区基本位于强度应力比为2的包络线内。为控制围岩塑性区的发展，在垂直节理方向宜打入一定刚度的钢筋，增强节理刚度，在平行节理方向，宜注浆加固，增强节理面的黏聚力和摩擦角，提高强度，最终达到稳定围岩目的。

4.4 节理张开区

节理张开区域反映围岩的潜破坏区域，不同岩层倾角(0°，30°，60°和 90°)下节理张开区分布如图 5所示。

图5 节理张开区分布特征

节理面之间法向应力、法向力均为零，即岩块处于脱落临界状态，如果进一步扰动，就可能发生脱落。从图5中看出，节理张开区主要与节理方向垂直，锚杆发挥了悬吊作用，针对节理的不稳定岩体，用锚杆固定在深层的坚固稳定岩体上，可将不稳定岩体重量传递给深层坚固岩体负担，以防止岩块弯折破坏。

因此对于层状岩体而言，现行铁道部客运专线250 km/h双线铁路隧道标准图以等长、等间距系统锚杆设计未必合理，建议将锚杆与岩层大角度布置，以增强其剪切刚度和层间摩阻力。

5 结论

结合大梁山特长隧道，研究不同岩层产状(倾角)隧道围岩稳定性，支护结构力学响应，阐明完全不同于传统松散介质理论的层状岩质隧道失稳模式，主要得出如下结论:

1)节理面极大削弱岩体力学性质及其稳定性，成为隧道失稳破坏关键所在;施工中一旦受到扰动，岩体就会沿层理面出现滑动，引起明显不对称的围岩力学响应，从而对支护产生地质偏压荷载。

2)倾角较小时，不易发生顺层滑动，拱顶容易发生弯折破坏;随着倾角增大(15°～60°)，岩层顺弱势节理面滑动趋势增大，洞周破坏主要取决于节理面强度;当倾角75°～90°时，洞周受力趋于对称，围岩破坏主要为边墙岩层弯曲压溃。

3)锚杆把数层层状岩体串连在一起，增大层间摩阻力，相当于增强了节理剪切刚度，抑制层状岩质隧道的剪切滑移，最终增强围岩稳定性。

4)宜将锚杆与节理呈大角度打设，以便更好发挥“销钉”和“组合梁”效果，而现行铁道部客运专线250 km/h双线铁路隧道标准图以等长、等间距系统锚杆设计的合理性，值得进一步商榷。

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