鄂北丘陵岗地区浅埋隧洞劣质围岩支护数值模拟研究

赵 军，王金鑫，曾志全，邱士利

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.中国电建集团华东勘测设计研究院华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310014; 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室，湖北 武汉 430071；4.中国科学院大学工程科学学院，北京 100049)

围岩稳定性问题是浅埋隧洞工程中最为突出的工程地质问题，比如拱顶塌落、边墙挤入、突发岩爆、支护断裂、底板隆起和围岩开裂等[1]。岩体历经无数次地质构造作用，岩体中生成了错综复杂的结构面[2]。这些地质问题直接导致岩体成为劣质岩，劣质岩的最显著特征是在工程环境中具有显著的“劣化”特性，是与工程灾害和事故密切关联的“问题岩体”[3]。劣质岩既涉及到岩石自身的材料性质、结构组成又涉及到外界环境改变的控制作用，因而劣质岩的工程问题具有极其的复杂性[4]。目前，国内外专家及学者针对隧道劣质围岩的变形机理[5-9]及围岩支护技术和作用效果[10-11]等做了大量研究。

尽管大量学者们针对不同类型的劣质岩已开展了特性总结工作，但目前对劣质岩的认知上还停留在工程行为的定性总结阶段，对劣质围岩条件下隧洞岩体力学参数估计、围岩力学行为与支护结构间相互作用机制和数值模拟[12-14]等方面研究仍十分欠缺。鉴于此，本文通过岩石力学实验与数值模拟结合的方法探究劣质岩在浅埋隧洞中的围岩稳定性问题。

1 工程背景与工程问题

鄂北地区水资源配置工程是湖北省委省政府规划实施的从根本上解决鄂北地区干旱缺水问题的重大战略民生工程。唐县-尚市隧洞全长16.55km，埋深浅(约20～65m)，断面大(最大开挖直径7.8m)，穿越地层复杂，围岩条件差(其中Ⅴ类围岩14.7km，占89%)，围岩稳定性差且大都是劣质岩，施工难度大。隧洞沿线穿越复杂的软弱破碎岩层，围岩完整性差，无自稳能力。隧洞施工与地表耦联性强大，断面隧洞开挖存在顶拱沉降过大、施工爆破振动控制不当等问题，均对上部建筑物安全和人民生活带来极大负面影响。

2 劣质岩体力学参数估计方法

在岩土工程稳定性研究中，工程岩体力学参数的研究及确定是关键问题之一[15]，参数选择的正确与否对计算结果的准确性起着至关重要的作用[16]。在目前的围岩分级系统中，只有GSI围岩分级系统是直接与岩体参数相联系的。而通过定量的围岩分级系统，可以减少对工程经验的依赖，且方便易行[17]。

2.1 GSI分类与Hoek-Brown准则

GSI围岩分级系统是在多年实践经验的基础上发展起来的，目的是为了修正 Hoek-Brown岩体破坏准则，估算岩体的Hoek-Brown准则参数s、α和mb，修正不同地质条件下岩体的强度。Hoek和Brown基于Griffith的脆性断裂理论，通过对大量岩石三轴试验资料和岩体现场试验成果的统计分析，得出了岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系式，即为Hoek-Brown强度准则[18]。Hoek-Brown岩体破坏准则的表达式如式(1)所示

(1)

σci/|σt|=0.81mi+7

(2)

mb=miexp[(GSI-100)/(28-14F)]

(3)

s=exp[(GSI-100)/(9-3F)]

(4)

a=1/2+1/6(e-GSI/15-e-20/3)

(5)

2.2 岩石抗压强度尺寸效应

由于钻取的岩芯较少，在加工岩样时，加工为直径37.5mm，高度为75mm的圆柱体试样和少量直径50mm，高度为100mm的标准试样，开展力学试验研究。因此，在评估标准试样的抗压强度时，需考虑岩石强度的尺寸效应，将非标准试样获得的抗压强度转化为标准试样的抗压强度。在此，采用了文献[19]提出的岩石尺寸效应对抗压强度影响的方法，如公式(6)所示

(6)

式中：σc50为50mm×100mm的圆柱体试样单轴抗压强度；D为实际圆柱体试样的直径；σc为岩石实际尺寸的单轴抗压强度。

2.3 岩体的弹性模量估计

岩体的弹性模量采用Hoek和Diederichs提出的岩体模量经验估计法[20]，如式(7)所示

(7)

式中：F为爆破扰动系数，Ei为试验测得的杨氏模量，Erm为变形模量。

3 绿泥石片岩力学参数估计

3.1 岩石力学试验分析

为了获得岩石的各项力学参数，开展了单轴、三轴抗压和巴西劈裂试验。本次试验的单轴和三轴均在MTS815.04岩石三轴试验机下进行，巴西劈裂试验在RMT-150C多功能岩石试验机进行。单轴、三轴加载试验采用位移控制，轴压加载位移速率为2×10-4mm/s。

为了获得岩样的抗拉强度，在RMT-150C多功能岩石试验机上做了巴西劈裂实验，试验采用位移控制，轴压加载位移速率为2×10-3mm/s。

常规三轴压缩试验设定了4个围压水平：0、1、2.5、5MPa。得到单轴、三轴抗压强度与Mohr-Coulomb强度准则线性拟合确定岩样的单轴抗压强度约为15MPa左右。图1为绿泥石片岩在不同围压下单轴、三轴压缩全过程曲线(曲线上的数字为围压)。

图1 绿泥石片岩不同围压下单轴、三轴压缩全过程曲线

巴西劈裂抗拉强度转换公式如式(8)所示

(8)

记录下巴西劈裂试验得到绿泥石片岩的最大垂直力为1.7、1.9、2.1、2.2、2.5kN运用式(8)可以得到它们的抗拉强度为0.86、0.97、1.07、1.12、1.27MPa，平均抗拉强度为1.06MPa。约为其单轴抗压强度的1/15。根据单轴压缩试验数据获得绿泥石片岩力学参数汇总如表 1所示。

表1 绿泥石片岩力学参数汇总

3.2 GSI指标估计

根据实际揭露围岩条件可初步推断，包括围岩片理在内，存在3组以上结构面切割岩体，且结构面较为发育，强风化到全风化，结构面表层物质改变较大，岩体结构较为破碎。因此，可初步估计围岩GSI指标介于10～40之间，为了简化分析，这里取中间值GSI为25。

3.3 强风化绿泥石片岩力学参数估计

根据试验所得的三轴压缩试验数据，采用Hoek-Brown方法估计岩体力学参数时，在不考虑爆破损伤的前提下，即取D为0，根据公式(2)、(3)、(4)、(5)求出Ⅴ类围岩类别下Hoek-Brown强度准则参数，mb为0.678，s为0.000 2，a为0.531。岩体强度通常用线性Mohr-Coulomb准则表示[21]。这里采用RocData软件获得等效Mohr-Coulomb参数，Ⅴ类围岩的粘聚力为0.175MPa，内摩擦角为35.39°。变形模量用公式(6)计算为0.918 4GPa。

从力学性能上来看，对于真实揭露的V类围岩而言，其弹性模量较小，弹性变形大；粘聚力、内摩擦角小，实际工程中可能会遇到很大的围岩收敛变形和破坏程度。

4 围岩稳定性分析与支护设计

4.1 隧洞模型建立

本次分析采用表3中Ⅴ类围岩支护设计方案。目的是获得实际揭露的最差围岩条件下，研究该支护方案对隧洞围岩稳定性的控制作用，并评估支护参数能否满足围岩稳定性控制需求以及揭示不同支护单元在强风化绿泥石片岩条件下的受力状态与围岩相互作用行为。

表2 V类围岩设计方案

采用有限元差分软件FLAC3D进行分析计算，锚杆采用Cable单元模拟，初期喷砼+挂网采用Shell单元模拟型钢拱架，采用Beam单元模拟，钢筋混凝土衬砌采用实体单元模拟。

模型两侧的边界条件(X=0m，X=120m)为限定水平移动的滑动支撑、前方边界(Y=30m)为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型底面(Z=0m)也为位移约束边界，仅约束垂直方向的位移；模型上部为自由边界。

4.2 围岩稳定性分析结果

1)围岩垂直位移分布情况。在V类围岩支护条件下，隧洞开挖支护后围岩垂直位移的分布规律如图2所示。

图2 V类围岩支护方案下开挖后垂直位移分布规律

图2可见V类围岩的掌子面效应显著，在掌子面后1.5～2倍洞径洞段围岩变形场趋于稳定。变形的总体特征是，隧洞顶拱产生下沉位移，而底板由于未进行支护，底板倒拱出现向上抬升的位移，即表现为“顶拱下沉，底拱隆起”。

2)围岩损伤区分布情况。围岩损伤区是评价围岩开挖后稳定性的重要参数。在V类围岩设计方案下，且开挖紧跟及时支护的条件下，开挖损伤区的分布规律如图3所示。

图3 V类围岩支护方案下洞周开挖损伤区分布规律(最大深度1.5m，图中黄色线段位置)

从图3可见，在V类围岩支护方案条件下开挖损伤区分布在拱肩两侧及底部，最大深度出现在断面的拱腰以下部位，损伤区深度可达1.5m左右。顶拱未出现显著的损伤区，对支护结构增加了荷载作用是较为有利。

4.3 支护结构受力分析

1)钢拱架的受力分布规律。在V类围岩设计方案下，I18型钢拱架的受力分布规律如图4所示。

(a)剪力分布

(b)弯矩分布图4 V类围岩支护方案下型钢拱架剪力和弯矩分布

由图4可知，最大剪力部分发生在腰线和拱脚部位，这是荷载由钢拱架传递的结果，同时弯矩较大的部位与剪力的分布有类似之处。钢拱架有效承担了来自上部岩体的荷载。

2)喷砼层的受力分布规律。在V类围岩设计方案下，喷砼层的受力分布规律如图5所示。

图5 V类围岩支护方案下喷砼内最大主应力分布规律

由图5可知，在V类围岩设计方案下，喷砼层的整体受力较小，最大压应力出现在拱脚附近，这对支护结构的安全性是十分有利的，平均压应力为27MPa左右，但拱脚最底部外侧喷层受力过大，形成压力集中。整体来说，受力较均匀，支护效果良好。

3)锚杆支护结构中杆体轴向受力分布规律。在V类围岩设计方案下，锚杆支护结构中杆体轴向受力分布规律如图6所示。

(a)轴向应力分布

(b)轴力分布图6 V类围岩支护方案下锚杆轴向受力状态

由图6可知给出了锚杆支护结构中杆体轴向受力状态，最大轴向拉应力为28MPa，最大轴向拉力为44.05kN，且大部分锚杆轴力集中在锚杆靠近隧洞开挖面近区，端部则表现出受压状态。特别的，在拱脚局部位置纵向沿线上的锚杆承受最大拉力。受掌子面效应的影响，远离掌子面锚杆轴力越显著。

5 结论与讨论

(1)对于工程区劣质绿泥石片岩采用钢拱架与喷锚支护联合控制支护结构能够有效抑制顶拱沉降和底拱上鼓等变形行为。

(2)围岩力学参数控制着开挖损伤区的分析规律，同时也控制了支护结构受力状态。

(3)足够刚性的钢拱架支护结构能够有效将上覆荷载传递至拱架立柱，进而传递至隧洞底板岩体中。

(4)锚杆受力状态受围岩力学参数的影响成非均匀分布状态，拉应力集中在开挖面附近，充分发挥了锚杆的作用。

本工程采用的连续介质力学的分析方法，旨在分析在该围岩设计方案下的支护效果，但围岩岩体结构局部较为破碎，这与正确揭示开挖过程与支护结构对围岩力学响应和支护结构受力状态的控制作用还是有一定的出入。对于工程区绿泥石片岩，探究在Ⅴ类围岩设计方案下的支护力学行为，对有类似软弱围岩隧洞开挖支护工程具有一定的参考价值。