碎裂结构岩体围岩压力对隧道衬砌内力的影响

2017-11-09曾博文李永明张志强

四川建筑 2017年5期

徐红, 曾博文, 李永明, 张志强

(1. 乌鲁木齐城市轨道集团有限公司，新疆乌鲁木齐830001; 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031; 3. 乌鲁木齐市轨道交通项目建设执行办公室，新疆乌鲁木齐830001)

徐红1, 曾博文2, 李永明3, 张志强2

文章以乌鲁木齐轨道交通2号线高铁站—华山路区间隧道为工程依托背景，隧道穿越断层带破碎节理发育较好的岩体地层，分析了碎裂结构岩体的基本力学特性，得到了碎裂结构岩体变形破坏的模式，并建立碎裂结构岩体隧道模型，基于离散元的方法，分析不同埋深下，即不同围岩压力下，隧道衬砌内力的变化规律，得出了一些适用于碎裂结构岩体隧道施工的重要结论，以期指导同类工程。

隧道工程；碎裂结构岩体；围岩压力；衬砌内力

乌鲁木齐轨道交通2号线高铁站—华山路区间隧道所处地质环境复杂，所穿越的地层均含有发育较好的节理破碎带岩体，其中以碎裂结构的岩体为主。具有这种结构的岩体在无围压和低围压的条件下在传播应力上和变形发展上经常呈现不连续特性，在力学性质上具有明显的结构效应。故围岩压力对碎裂结构岩体的力学性能具有较大的影响，需要对隧道衬砌受力的状态进行相关的研究。

国内许多学者已经对碎裂结构岩体围岩压力对隧道衬砌内力影响展开了研究，如周洪福等人[1]对碎裂结构岩体似连续性的特点进行初步地分析，得到了水电工程可利用岩体的一种新的评价方法；李鹏飞等人[2]讨论隧道围岩压力沿洞周的分布规律和不均匀系数的分布特征，分析隧道围岩压力作用机制和完善支护结构设计方法；韩勇等人[3]采用UDEC数值分析软件，建立碎裂结构岩体数值模型，研究碎裂结构岩体应力传播的结构效应；龚建伍等人[4]对浅埋小净距隧道的围岩压力进行理论分析和探讨，提出考虑隧道双洞先后施工过程的围岩压力分析模型和计算方法；谭忠盛等人[5]经过对算法的比较分析，提出一种简单、实用的二次二阶矩法；李鹏飞等人[6]选取隧道围岩压力计算的7种常用方法，分别计算隧道埋深和隧道跨度等参数对围岩压力计算结果的影响；刘德军等人[7]为了克服隧道衬砌内表面常用补强方法的不足，探索纤维编织网增强混凝土加固隧道衬砌的适用性；刘学增等人[8]基于隧道衬砌拱顶结构1∶1的荷载试验，建立衬砌裂缝深度与衬砌刚度的关系，提出裂缝处衬砌刚度计算的梁弹簧模型。

高铁站—华山路站区间隧道沿线分布的风化岩主要为强风化～中等风化的泥岩，成岩较差易软化易形成软弱夹层。围岩等级为III、IV级，可以将该区段的地层看作是破碎状节理岩体。本文基于碎裂结构岩体中隧道的变形和破坏模式，建立碎裂结构岩体隧道模型，分析不同围压对隧道衬砌内力的影响。

1 工程概况

高铁站—华山路站起点里程DK15+750 m，终点里程DK17+100，长1 350 m。位于山前丘陵区，地势南高北低，既有兰新铁路穿越DK16+850～DK17+050段西侧为维泰路挖方路堑地，起伏较大，地面标高在810～855 m之间。

乌鲁木齐市区地下水位、含水层厚度、渗透系数、富水性等受基岩埋深、补给断裂等影响存在明显的差异。地表水分布于DK15+800～DK15+835段，为一侧沟内流水。侧沟内流水较浅，水深0.2 m左右。该水源补给主要为上游近山丘陵地带的荒山绿化灌溉用水和大气降水，水量不大。车站内地下水为松散层孔隙潜水，主要埋藏于第四系中更新统圆砾土中，水位埋深1.0～30.5 m，水位高程792.4～834.5 m，地下水主要接受大气降水，水量不大。拟建区间隧道在左线ZDK16+360～ZDK16+455以及右线YDK16+355～YDK16+450，经过九家湾断层组中的F5-3断层，其下破碎带区域岩石呈现明显的碎裂状(图1)。

图1 碎裂状岩体

2 碎裂结构岩体基本力学特性

2.1 碎裂结构岩体

碎裂结构岩体是指在III、IV级坚硬结构面切割下形成分离的结构岩体。碎裂结构岩体，既不同于块裂结构岩体，也不同于完整结构岩体。这不仅表现在岩体结构上，而且更重要的是表现在岩体力学作用上。就岩体力学性质来说，块裂结构岩体主要受软弱结构面力学性质控制，而碎裂结构岩体则既受结构面控制，又受结构体—岩块力学性质控制。就岩体力学作用来说，同样，它既不同于块裂结构岩体，又不同于完整结构岩体力学作用。

构成碎裂结构岩体有两种结构类型，即碎裂结构和粗碎屑散体结构。其中碎裂结构又可以分为许多种亚类，主要有三种亚类：等厚层状碎裂结构，不等厚层状碎裂结构，块状碎裂结构。以上各种岩体结构按力学作用可以归并为两种典型结构，即对缝砌体碎裂结构和错缝砌体碎裂结构。本文依托工程区间隧道为不等厚层状碎裂结构。

2.2 碎裂结构岩体的变形破坏模式

碎裂结构岩体变形是比较复杂的，它的变形中常有四种成分，即结构体压缩变形、结构体剪切变形、结构面压缩闭合变形、结构面剪切滑移变形。这四种成分不仅在具体的岩体变形中影响程度不同，而且发挥作用的阶段亦不相同。

碎裂结构岩体的破坏主要有四种方式，即结构体被压碎，这种情况比较少有；结构体沿着结构面滑动，使岩体结构解体；岩体结构崩溃，解体；结构体滚动，使岩体结构解体。碎裂结构岩体破坏是比较复杂的，属于多种方式的复合破坏。

3 基本假设与模型的建立

3.1 基本假设

由于离散元法特别适合于富含节理弱面和大变形的工程问题，因而较多应用于碎裂结构岩体的模拟，本文采用UDEC离散元软件。为研究碎裂结构岩体在隧道开挖围岩稳定性，做如下假设：

(1)模型处于平面应变状态；考虑第三维方向的应力分布，建立平面计算模型；

(2)岩石为均质弹塑性材料，由于节理的存在而非各向同性材料；

(3)结构面平直全长贯通，两组结构面相互正交，各组间距相等；两组结构面的力学性能是相同的，计算选取的结构面参数均相同；

(4)固定左右边界水平位移及下边界竖向位移；超浅埋和浅埋情况下上边界自由直接取到地表，深埋情况下上边界取隧道开挖跨径的3倍，并于上边界施加均布压力p模拟上覆岩层压力。

3.2 模型的建立

为研究碎裂结构岩体中隧道的基本力学响应，按照复合衬砌断面图建模。岩体结构为两组结构面形成的对缝式碎裂结构，两组结构面间距均为0.4 m，隧道跨度B=8.02 m，模型宽度为10倍跨径约81 m，底板距下边界约35 m，当拱顶距上边界覆土深度大于35 m时取35 m，并在上边界施加均布岩层压力模拟上覆岩层压力；当拱顶距上边界的覆土深度小于等于35 m时，上边界取到地表(图2)。

图2 碎裂结构计算模型

如图2所示，约束模型左右边界的水平位移和下边界的上下位移。S为岩层厚度，p为上覆土压。计算共取22个工况，埋深从10～900 m不等。

模型选取以下参数：GSI=50，GCI=75 MPa，m=8，D=0；JRC=11，JCS=75 MPa，φr=26，容重γ=26 kN/m3，泊松比μ=0.27，变形模量Em=8 660.25 MPa，岩石抗拉强度σt=0.216 1 MPa;节理法向刚度均为Kn=18.141 GPa，抗拉强度为0，其余围岩物性指标及结构面力学参数如表1所示。

考虑到二次衬砌主要作为安全储备来使用，故分析时不考虑二次衬砌，选取初衬参数如表2所示。

4 隧道衬砌内力分析

为了在开挖后加入支护，研究支护后围压效应对隧道围岩稳定性的影响，采用struct梁单元模拟衬砌，对于衬砌的模拟我们采用厚度36 cm的struct梁单元一次施作完成，衬砌沿开挖断面全环封闭。采用地层—结构模式分析衬砌在不同围压水平下的内力变化，研究围压变化对隧道暗挖法施工情况下开挖隧道后主体支护结构受力的影响。

4.1 衬砌弯矩分析

各工况衬砌弯矩分布如图3所示。隧道埋深超过100 m后，衬砌弯矩分布基本与埋深100 m时相同，因此只给出衬砌弯矩分布有明显变化工况。

根据计算获得的各工况下衬砌最大弯矩值(绝对值)随隧道埋深变化图如图4所示。

从图3、图4可以看出：

(1)隧道埋深较小情况下，衬砌拱顶部位弯矩较大，边墙部位弯矩相对要小；隧道埋深较大的情况下，衬砌拱顶部位弯矩较小，而边墙弯矩较大。

(2)从衬砌弯矩最大绝对值变化上看，随埋深增大，衬砌弯矩缓慢增大，由20 kN·m左右增大到40 kN·m左右。

4.2 衬砌轴力分析

由于计算工况较多，此处仅给出轴力分布有明显变化的工况(图5)。当隧道埋深大于100 m后，衬砌轴力分布基本与埋深100 m时相同，只是绝对数值上有差异。

表1 各工况下围岩物性指标和结构面力学参数

表2 衬砌结构材料参数

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

图4 衬砌最大弯矩值随隧道埋深变化

根据计算获得的各工况下衬砌最大轴力值(绝对值)随隧道埋深变化图如图6所示。

从图5、图6可以看出：

(1)从衬砌轴力分布情况看，隧道埋深小于100 m时，衬砌轴力分布较为均匀；隧道埋深大于等于100 m时，衬砌轴力分布变的有差异，拱顶轴力很小几乎为零，而两侧边墙轴力较大。

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

图6 衬砌最大轴力值随隧道埋深变化

(2)从衬砌轴力的最大绝对值随隧道埋深变化图上看，隧道埋深10～35 m，衬砌最大轴力值随隧道埋深变化几乎呈线性增大的趋势，其数值从700 kN左右迅速上升到1 100 kN左右；隧道埋深35～40 m，衬砌最大轴力值随埋深增大急剧减小，其数值从1 100 kN左右迅速减少到300 kN左右；隧道埋深40～900 m，衬砌最大轴力值随隧道埋深变化呈缓慢增大趋势，其数值从300 kN左右上升到700 kN左右。

4.3 安全性评价

取10 m、50 m、100 m埋深三个工况，讨论支护结构安全性，计算出安全系数如表3～表5所示。

表3 埋深10 m时支护结构安全系数

从以上各表可以看出：埋深较浅时，墙脚处安全系数较小，是整个断面最为危险的位置。随着埋深的增大，拱顶位置处的安全系数接近限值，断面其他位置的安全系数呈下降趋势。埋深达到100 m时，除拱脚位置外，断面其余位置安全系数均较小，均处于较危险的状态。

表4 埋深50 m时支护结构安全系数

表5 埋深100 m时支护结构安全系数

5 结论

(1)岩体的力学作用和力学性能密切地与它所处的应力状态有关，这被称为岩体的围压效应。当围压超过于一定水平时，岩体的结构效应迅速减少到可以忽略的程度，这个围压水平本文称其为岩体丧失结构效应的临界围压水平。岩体丧失结构效应后，可以将其简化为连续介质处理，但是岩体存在明显结构效应时，必须用非连续介质力学分析的方法处理。

(2)通过离散单元法数值模拟，得到了衬砌内力与围岩压力之间的关系，由衬砌内力的变化规律可看出，在埋深35～40 m处，衬砌内力出现突变，说明围岩稳定性出现突变，这与岩体结构效应丧失相吻合。同时可得出，隧道围岩稳定性随围压的增大呈先增大后降低的变化趋势，即随着围压的增大，隧道围岩稳定性先由较差向较好变化，当围压达到岩体丧失结构效应的临界围压水平后再向较差变化。

[1] 周洪福,韦玉婷,聂德新. 对碎裂结构岩体似连续介质特征的一点研究[J]. 工程地质学报,2008(1):17-21.

[2] 李鹏飞,赵勇,张顶立,等. 基于现场实测数据统计的隧道围岩压力分布规律研究[J]. 岩石力学与工程学报,2013(7):1392-1399.

[3] 韩勇,吴永清,陆孝如. 离散元模拟碎裂结构岩体应力传播特征[J]. 岩土工程界,2005(4):42-44.

[4] 龚建伍,夏才初,雷学文. 浅埋小净距隧道围岩压力计算与监测分析[J]. 岩石力学与工程学报,2010(S2):4139-4145.

[5] 谭忠盛,王梦恕. 隧道衬砌结构可靠度分析的二次二阶矩法[J]. 岩石力学与工程学报,2004(13):2243-2247.

[6] 李鹏飞,周烨,伍冬. 隧道围岩压力计算方法及其适用范围[J]. 中国铁道科学,2013(6):55-60.

[7] 刘德军,黄宏伟,薛亚东. 纤维编织网增强混凝土加固隧道衬砌数值研究[J]. 土木工程学报,2015(3):112-120.

[8] 刘学增,张鹏,周敏. 纵向裂缝对隧道衬砌承载力的影响分析[J]. 岩石力学与工程学报,2012(10):2096-2102.

U451+.4

[定稿日期]2017-06-21

国家自然科学基金(编号:51478396)；新疆维吾尔自治区科技计划项目(编号:2013-1)

徐红(1970～)，女，高级工程师，主要从事地铁隧道工程设计与管理工作。