层状岩体倾角对围岩开挖变形特征的影响分析

王志强

摘要：层状岩体在现阶段城市地下工程建设过程中十分常见，对围岩变形特征的影响不同于常规地下工程项目。本文依托某轨道交通环线车站特有的工程地质背景，结合现场实时监测数据，利用Midas/NX软件对车站主体工程所涉及到的7个特征断面逐一进行数值模拟计算，在此基础上总结分析其具体的围岩变性特征，并对监测方案提出改进措施，为类似工程提供借鉴。

Abstract： Stratified rock mass is very common in the process of urban underground engineering construction at present， and it has different influence on the deformation characteristics of surrounding rock than conventional underground engineering project. Based on the unique engineering geological background of a rail transit station and the real-time monitoring data， the Midas/NX software is used to simulate the seven characteristic sections involved in the main project of the station. On this basis， the specific characteristics of the surrounding rock denaturation are summarized and the improvement measures of the monitoring scheme are put forward to provide reference for similar projects.

关键词：层状岩体；隧道开挖；Midas/NX；围岩变形

Key words： stratified rock mass；tunnel excavation；Midas/NX；surrounding rock deformation

中图分类号：U452.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0075-02

0 引言

岩体在形成的过程中，要经受各种复杂的地质作用。各种断层、节理及裂隙等结构面发育使得岩体的物理力学性质十分复杂[1]。隧道的开挖是在岩土体环境中进行，受围岩地质结构、赋存状态、施工方法影响较大，开挖过程中的变形分析，是隧道安全施工的关键点，也是隧道建设中的一个难题。柳厚祥，郑智雄[2]等人在研究了在高地应力的初始条件下不同锚杆支护方式对大倾角倾斜层状岩体稳定性的影响；彭焱森，邱奎[3]分析了当岩层倾角不同时，隧道围岩中不同位置的锚杆对于洞室变形及围岩应力的约束作用也有显著的不同；刘学增，林亮伦[4]研究逆断层粘滑错动影响下，隧道断面周边的围岩应力变化特征及破坏模式的分类研究，并给出了当岩层倾角在75°的时候的隧道断面围岩接触压力的影响范围和应力大小的变化区间；刘红兵[5]分析了岩层倾角对偏压作用的影响程度和规律，通过数值模拟，发现围岩最大主应力线最大梯度方向与节理层面方向具有一致性；杨修[6]总结和归纳了位移判别法、强度准则法、极限应变法、塑性区尺寸判别法四种层状岩体中适用的失稳判别依据；Wang.Y，Yin.J.M[7]等对层状岩体的各向异性特性运用FLAC3D软件用于分析的变形，得出当岩层的倾向保持不变，随岩层倾角的增大，隧道周边位移是有减少的趋势的结论。所以针对大倾角层状岩体地铁隧道开挖围岩稳定性进行研究具有十分重要的理论与工程意义。

1 工程概况

某轨道交通环线一期工程车站南北两侧均为山地，位于山体下方，车站采用矿山法施工，车站结构包括车站主体结构及站前配线区间，设计起点里程为YDK29+739.859，线设计终点里程为YDK30+007.860，长268.001m，轨面标高为226.716m。开挖断面为直墙圆拱形断面，为深埋隧道，采用双侧壁島坑法施工。拟建工程场地地貌单元为构造剥蚀浅丘地貌。场地地面高程240～312m。地形总体呈东高西低的特征，地形起伏较大，坡角为30～200，局部斜坡、陡坎处可达500～800。

车站主体拟采用矿山法施工，跨度23.6m，洞高21.09m，断面为曲墙圆拱形，走向1970，与地质构造线交角近于平行，场地地面高程283～313m，横向地形坡度较大，上覆土层一般厚0.0～1.5m，主要为素填土、粉质粘土，下伏侏罗系中统沙溪庙组砂质泥岩夹砂岩。本段隧道围岩主要为较完整的块状镶嵌结构砂质泥岩，预测正常单位涌水量2.13L/min·10m，地下水状态为一级，呈滴状或线状排出。洞顶中等风化岩体厚46.3～71.3m>2.5Hq，为深埋隧道。围岩参数建议值如表1所示。

2 施工过程模拟与监测数据对比分析

基于本文工程的特殊地质条件，采用摩尔库伦模型来模拟开挖过程的应力-应变状态，由于该轨道交通环线主体工程全长约268m，取其中具有代表性的岩层分布断面，由于Midas/NX计算软件可将板单元和实体单元所产生的误差降低到5%以内，各断面的衬砌均采用板单元进行模拟，衬砌结构与典型断面模型如图1所示。

通过模拟隧道开挖后第一次衬砌施加过程之后的围岩变形，得到各岩层分布断面的位移云图，如图2。通过七个断面的计算结果可知，当岩层倾角为六十度时，隧道断面附近一定区域内砌块与岩体均发生了倾斜，出现了沿结构面滑动的趋势，岩层交错程度越复杂，产生的位移也更大。

根据监控量测规范和监测方案要求，按照每20m一个监测断面布设测监控量测点，将整个车站主体各个监测断面的监控量测数据分别于与对应监测布点位置的数值模拟結果进行对比以及该断面拱顶沉降和洞内收敛位移最大模拟值进行对比，结果如图3。

数值模拟结果与监控量测结果总体趋势比较吻合，实测值通常情况下都略小于数值模拟结果，这中情况发生的主要原因可能是衬砌的施工不够及时，在衬砌完工后，再进行布点监测，隧道断面围岩的应力和位移可能已经出现部分的流失。

通过数值模拟与监测数据的对比分析，验证了模型的可靠性，所以整个隧道断面在施工过程中最大拱顶沉降值约为13.4mm，最大洞内收敛约为7.5mm，均在监控量测报警值30mm以内，所以整个主体工程各个断面的围岩位移状态均处在规范要求的许可范围之内，现场监控量测的确起到了确保安全施工的作用。

3 结论

本文依托某轨道交通环线一期工程车站的具体工程，从实际工程地质情况出发，对大倾角层状岩体隧道开挖引起的围岩破坏形式和受力情况改变，位移变化等规律进行了研究，并与监测数据进行对比分析，得出以下结论：

①通过数值模拟发现大倾角层状岩体交错时，会使整个围岩的位移影响范围扩大，若发生在隧道断面处，会造成拱顶位移明显偏大现象，上覆土层分布不均时会对这种偏移现象带来显著影响；

②当岩层交错现象比较几种出现在隧道断面附近，并贯穿隧道断面时，这种围岩会加剧位移云图偏移的影响范围；

③在围岩在隧道开挖过程中，岩层倾角对隧道开挖的稳定性有着显著的影响，随着开挖岩层倾角的逐步增大，拱顶沉降变形呈现先增大后减小的趋势，并在某一个状态下出现峰值，在以后的工程开挖中可利用此规律，适当的避免在最不利倾角岩层进行开挖。

参考文献：

[1]龚书贤.层状围岩隧道力学特性及稳定性研究[D].重庆：重庆大学.

[2]柳厚祥，郑智雄，胡勇军，赵明纲.层状岩体不同倾角对高地应力隧道稳定性影响分析[J].交通科学与工程，2014，30（2）：46-50.

[3]彭焱森，邱奎.陡倾层状不同倾角岩体下的隧道的施工力学行为分析[J].公路隧道，2013（4）：17-22.

[4]刘学增，林亮伦.75°倾角逆断层粘滑错动对公路隧道影响的模型实验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（12）：2523-2530.

[5]刘红兵.岩层倾角对层状岩体隧道稳定性影响分析[J].公路工程，2013（8）：167-169.

[6]杨修.深埋水平岩层隧道开挖围岩稳定性分析[D].北京交通大学.2012.

[7]Wang.Y， Yin.J.M， Xiao.G.Q. Three-dimensional stability analysis of stratified rock mass tunnel based on anisotropic theory.[C]. Rock Stress and Earthquakes-Proceedings of the 5th International Symposium on In-Situ Rock Stress 2010. 617-621.