蚀变岩体隧洞围岩变形响应模拟研究

贾超 廉明远

摘 要：蚀变岩体是影响隧洞围岩稳定和变形的重要因素，为分析蚀变岩体对围岩变形的影响，在有限元理论的基础上，选择最常见的城门洞形隧洞为研究对象，对围岩变形进行模拟，对比分析了正常微风化岩和3种蚀变岩隧洞洞室顶拱和侧壁的位移，结果表明：蚀变程度不同，无论是顶拱还是侧壁围岩的位移不同，蚀变越严重围岩位移越大；岩体一旦蚀变后，一定范围内顶拱和侧壁围岩位移变化具有相同的趋势，蚀变越严重，位移量越大；隧洞不同部位对蚀变影响的敏感程度不同，顶拱位移比洞室上下游侧壁的大，是变形观测和围岩支护的关键部位。

关键词：蚀变岩体：围岩稳定：位移：隧洞

中图分类号：TV223.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.028

随着施工手段和工程技术的发展，我国对地下空间的利用越來越多，工程规模不断增大。隧道、水电站地下厂房、岩盐储库群等隧洞开挖工程的地质环境极其复杂，岩体特性相差很大，因此在施工前应进行详细的地质勘察，并对隧洞围岩稳定性进行分析和预测。研究发现，影响隧洞围岩变形的因素除隧道埋深、地下水、断面形式和尺寸外，蚀变岩体的影响也不容忽视[1-3]。选择合适的断面形式，充分考虑蚀变岩体对隧洞围岩稳定性的影响进行围岩稳定性和安全性分析，对工程质量和围岩支护方案的选择具有重要意义。有限元法是研究地下工程应力和应变本构关系的有效方法，笔者在有限元理论的基础上，选择最常见的城门洞形隧洞为研究对象，采用有限元程序ANSYS计算隧洞顶拱和侧壁处的位移，并进行对比分析，从而得出不同蚀变程度岩体隧洞的位移响应结果。

1 蚀变岩体特性分析

蚀变岩体是浅埋地下开挖工程中经常遇到的软弱岩体，其对隧洞围岩稳定及变形起着决定性作用。岩体蚀变是云母富集化及黏土岩化的复杂过程，新鲜岩石受强烈混合岩化过程和岩浆热力作用，岩石的成分发生变化，通过石英溶解、钠代谢、新生石英沉淀、黏土岩化及含黏土矿物岩石崩解，以及晚期碳酸盐化、云母富集化等蚀变作用，形成了岩体中较大范围的蚀变体[4-7]，其成分主要包括黑云母、伊利石、高岭石和蒙脱石等。蚀变岩体往往分布在断裂破碎带内或其附近，其产状与T程区主构造线基本一致，疏松多孔，呈透明状，使原本就薄弱的软弱结构面更加易于破坏[8]。蚀变岩天然容重为24.5～ 25.8 kN/m3，蚀变越严重其天然含水率越高，一般为2.55%～ 3.14%，孔隙率为4.06%～10.26%，岩体自由膨胀率轴向为0.4%～4.2%、径向为1.2%～2.4%，膨胀力为11～13 kPa，抗压强度为55～72 MPa[9]。

2 算例分析

2.1 计算模型及分析方案

模拟的节理岩体隧洞的断面形式为城门洞形，断面尺寸为9.4 mx9.4 m（宽×高），见图1。模型中考虑了3组软弱结构面节理组，角度分别为45°、65°和85°，节理间距为6.0～ 20.0Cm，取平均值13 cm。采用弹塑性模型对蚀变岩体和结构面进行分析。选取的微风化岩和3种不同计算方案蚀变岩结构面力学参数见表1、表2。

2.2 主要监测点

隧洞变形的主要部位与工程区结构面产状、地应力、侧压力系数及断面形式有关。在控制隧洞埋深、断面形式、结构面倾角和间距一定的情况下，仅改变蚀变岩体的力学性质，对城门洞形断面形式进行位移分析计算，从而得出蚀变岩体对节理隧洞围岩变形的影响。考虑的主要因素有隧洞关键部位位移及岩体蚀变程度。选取的监测点有3个（见图1），分别为城门洞形隧洞顶拱、弧形拱和侧壁的交点及侧壁中点，通过计算不同蚀变方案和不同部位位移量的大小得出蚀变岩体隧洞围岩的位移响应。

2.3 计算结果及分析

计算时隧洞埋深为200 m，初始地应力为12 MPa，对模型中主要监测点的横向和竖向位移进行模拟，以Mohr-Coulomb屈服准则为基础，利用程序确定不同方案下围岩的变形量。由不同方案下洞室横向和竖向位移（图2～图4）可知，正常微风化岩体和蚀变岩体方案三、方案二、方案一下城门洞形隧洞顶拱处的最大竖向位移分别为12.1、21.0、22.5、31.5 mm，弧形拱和侧壁交点处的最大横向位移分别为7.5、11.2、12.4、14.5 mm.上下游侧壁中点处的最大横向位移分别为6.9、10.6、11.8、13.8 mm。最大位移发生在蚀变程度最大时的顶拱位置，达31.5 mm，为竖向位移。顶拱处竖向位移远大于侧壁处的横向位移。根据计算结果，最大横向位移发生在方案一弧形拱和侧壁交点处，为14.5 mm。

2.4 结果分析

2.4.1 蚀变对隧洞不同部位位移的影响

对比隧洞不同部位的位移响应结果（见图2～图4）可知，无论是隧洞顶拱还是侧壁，蚀变岩体隧洞的位移都远大于未蚀变岩体隧洞的。顶拱处蚀变岩体隧洞的最大位移为31.5 mm，未蚀变岩体隧洞的仅为12.1 mm.而且蚀变岩体的位移不断发展呈发散趋势，远高于未蚀变岩体隧洞顶拱处竖向位移的发展程度。说明岩体蚀变严重影响隧洞顶拱的安全稳定，严重时会出现落石、坍塌等灾害，危及顶拱安全。顶拱处的位移增加都呈先慢后快，最后趋于稳定的趋势。以方案1为例，位移从0增大到5 mm用了5个工作步，而从5 mm增大到20 mm仅用了2个工作步。究其原因可能是，开挖使得地应力释放，加之蚀变岩体的黏聚力大大降低而容重却减小较少，使得围岩在重力作用下的位移增大。各方案下，弧形拱和侧壁交点处及侧壁中点横向位移有相似的变化趋势，只是前者同一时间的横向位移普遍大于后者0.2～0.7 mm。同样也是蚀变岩体的位移较未蚀变岩体的明显增大，弧形拱和侧壁交点处未蚀变岩体的最大横向位移仅为7.5 mm，蚀变岩体的最大横向位移为14.5 mm，蚀变岩体最大横向位移约为未蚀变岩体最大横向位移的两倍。蚀变岩体和未蚀变岩体侧壁中点横向位移最大值分别为13.8 mm和6.9 mm，也具有类似的结论。

无论是蚀变岩体还是未蚀变岩体，顶拱竖向位移和侧壁横向位移变化趋势不同。前者的位移增大先慢后快，后趋于稳定，位移量最大为31.5 mm；后者开挖后横向位移迅速增大，随即位移稍有增大但变化不大，最大位移仅为14.5 mm。产生这种不同变化的原因是，不同位置围岩受力不同。

2.4.2 蚀变程度对围岩位移的影响

蚀变程度不同，无论是顶拱还是侧壁围岩的位移不同，蚀变越严重围岩位移越大。由计算结果和位移變化曲线可知，岩体从未蚀变到蚀变位移增大显著，但岩体一旦蚀变后，一定范围内顶拱和侧壁围岩位移变化具有相同的趋势，蚀变越严重，位移越大。其原因是蚀变程度决定岩体力学参数的变化幅度，尤其是岩体黏聚力的变化程度，宏观上反映为蚀变越严重，隧洞开挖地应力释放后，岩体位移越大，严重时会影响围岩的安全稳定，应注意合理支护。

3 结语

岩体蚀变会大大增加隧洞顶拱及侧壁的位移，考虑蚀变岩体对洞室围岩稳定性的影响，利用有限元程序ANSYS对比分析各关键部位的位移，判定隧道围岩的稳定性及安全性，进而选择合适的围岩支护方案是研究洞室稳定性的重要方法和有效手段。岩体蚀变作用大大降低了隧道围岩的力学强度，对隧洞围岩稳定性和位移产生重要影响。通过对城门洞形隧洞顶拱、弧形拱和侧壁交点处及侧壁中点位移的对比分析可知，岩体蚀变使隧道顶拱竖向位移及侧壁的横向位移增大，在洞室围岩稳定性分析中不容忽视，且蚀变越严重围岩的位移越大，严重时危及洞室安全，应引起重视。通过模拟研究，可以了解不同蚀变程度下围岩的位移响应，从而对不同蚀变程度洞室采取不同的支护方案。

参考文献：

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