层状岩体隧道变形特征数值模拟研究

2019-03-24汪海波赵孝学

安徽理工大学学报（自然科学版） 2019年6期

李烁，汪海波，赵孝学，宗琦，徐颖

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2. 贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550008)

层状岩体因其明显的各向异性变形和强度特征，在岩土工程设计、施工中不容忽视。国内外专家学者开展了较多的研究，文献[1]在Jaeger研究的基础上开发了层状岩体各向异性的弹塑性及三维粘弹塑性有限元程序。文献[2]根据层状岩体微观电镜观测结果，引入损伤变量及损伤扩展系数，建立整体的岩体损伤演化过程的方程，逐步分析层状岩体从损伤萌发到破坏结束的影响因素。文献[3]从层状岩石自身的结构特征入手来研究岩石的各向异性、强度特性、破坏特征及其影响因素。在层状围岩隧道方面，文献[4]从空间方位、几何参数等方面详细分析了结构面对隧道围岩稳定性的影响。文献[5]从岩层的受力方面对层状岩石倾角与隧道走向关系对隧道围岩稳定性进行了研究，得出层状岩体在水平和倾斜时的主要破坏部位。文献[6]引入细观层次的微元体，采用损伤力学和统计理论研究了具有软弱结构面的隧道破坏失稳机理。文献[7]分析了单轴、三轴压缩情况下层状岩体的应力应变响应以及强度特征。文献[8]详细分析了层状软岩隧道塌方原因以及治理措施。文献[9]将层岩的破坏形式分为了对称模式和非对称模式两种变形破坏模式。文献[10]研究得出隧道拱腰易造成大变形及侵限的危害，并提出隧道的支护参数、开挖方法、施工工序等处理措施。文献[11]通过模拟试验研究单层岩石在复杂的荷载作用下的破坏规律，发现了初始纵向荷载对岩石破坏的影响。文献[12-14]研究了倾斜岩层隧道破坏过程的演变、岩层倾角在隧道底鼓中作用，以及结构面参数对隧道的稳定性影响。文献[15]从强度及稳定性出发为节理岩体隧道稳定分析提供新的途径。

在实际工程中，岩层厚度和倾角并不是一成不变的，基于现有研究成果，采用有限元软件ANSYS，对不同层厚和倾角时隧道、衬砌结构的变形特征进行模拟分析，为层状岩体隧道施工和支护提供参考。

1 研究背景

新建栗木山隧道位于贵州省黔南州平塘县，岩层水平节理发育，施工过程中实际揭露的岩层如图1(a)所示，图1(b)为典型断面尺寸与支护参数。

(a)开挖工作面岩层 (b)典型隧道断面尺寸与支护参数(cm)图1 隧道设计和施工情况

该隧道设计为分离双洞长隧道、双向四车道，主洞建筑限界10.25m、净高5.0m。隧址区属溶蚀、侵蚀中低山地貌类型，覆盖层岩性为粉质粘土、块石土、碎石土，下伏基岩为石炭系上统马平组(C3mp)白云质灰岩、二叠系下统茅口组(P1m)灰岩、二叠系下统栖霞组(P1q)灰岩及炭质页岩。

2 数值模型及参数

2.1 计算模型

由于只研究围岩变化的影响，建立二维平面模型，为减小边界效应的不利影响，左右边界取隧道宽度的3～5倍，最终确定模型尺寸为100m×100m。

岩层间软弱夹层厚度按2cm计算，计算模型按岩体层厚和结构面倾角分别建立，如图2所示。坐标原点在隧道拱底正下方10m处(隧道埋深81.4m)，其余深度换算成相应层厚的压力载荷；倾角模型时均施加的压力荷载为岩土各半时的自重荷载。下部边界固定水平和竖向的位移，左、右仅约束水平方向位移。

(a)层厚模型 (b)倾角模型图2 计算模型局部图

2.2 计算参数

选用材料的物理力学参数如表1所示，模型计算模式采用plane strain及D-P准则。

表1 主要材料的物理力学参数

模拟时，采用的单位制为kg-m-s。

3 模拟分析

3.1 层状岩体厚度对隧道的影响分析

研究层状岩体厚度对隧道稳定性影响时，假定岩层的结构面倾角为零，隧道围岩白云质灰岩岩层厚度分别按0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m和0.9m进行计算。在计算结果中选择竖向位移进行分析，得到典型层厚时，隧道围岩与衬砌的位移如图3所示。

(a)层厚0.3m时岩层的竖向位移云图

(b)层厚0.3m时衬砌的竖向位移云图

(c)层厚0.5m时岩层的竖向位移云图

(d)层厚0.5m时衬砌的竖向位移云图

(e)层厚0.9m时岩层的竖向位移云图

(f)层厚0.9m时衬砌的竖向位移云图图3 不同层厚时隧道与衬砌的位移云图(单位：mm)

由图3可知，当岩层倾角为零时，层状岩体可视为承受均布荷载的受弯构件，无论层厚如何变化，拱顶是隧道竖直位移变化幅度最大的部位。因此当层状节理岩层为水平时隧道掘进施工时衬砌支护的重点应该是拱顶部位。

选取紧贴拱顶正上方水平向长15m的不同厚度岩层和衬砌支护拱顶部位的竖向位移，绘制不同层厚时岩层的竖向沉降曲线和拱顶沉降累计值，如图4所示。

(a)不同层厚岩层的竖向位移曲线

(b)不同层厚拱顶处沉降累计值曲线图4 隧道拱顶沉降与岩层层厚的关系

图4(a)中，拱顶为横坐标原点，拱顶左边是正方向右边为负方向，其中竖向位移结果忽略模型在自重荷载导致的沉降量。可见，隧道顶部的竖向位移总体呈“V”型，即拱顶处沉降量最大；层厚0.3m时岩层竖向位移最大值为7.19mm、衬砌支护拱顶处总沉降为8.23mm，层厚0.9m时岩层竖向位移为5.13mm、衬砌支护拱顶处总沉降为5.22mm；层厚由0.9m到0.3m，岩层竖向位移最大值增加了140%、拱顶处沉降量增加了158%。可以清晰地看出岩层层厚对隧道的稳定有很大的影响。表明，随岩层厚度的增大，隧道顶部变形逐渐减小。且，层厚0.4～0.6m时岩层竖向位移减小更快，而层厚大于0.6m时，位移变化量很小，根据图4(b)拟合公式，拱顶沉降累计值与岩层层厚呈指数关系变化，随着岩层层厚的增大，围岩的稳定性越强。

3.2 岩层结构面倾角对隧道的影响分析

由于0.6m是隧道变形快慢的临界层厚，在研究结构面倾角隧道稳定性影响时选择岩层厚度0.6m，结构面倾角依次为5°、15°、30°、45°、60°、75°、85°进行模拟计算。得到不同倾角下的岩层和衬砌的位移云图如图5所示。

(a)倾角5°岩层竖向位移

(c)倾角30°岩层竖向位移

(d)倾角30°衬砌竖向位移

(e)倾角45°岩层竖向位移

(f)倾角45°衬砌竖向位移

(g)倾角60°岩层竖向位移

(h)倾角60°衬砌竖向位移

(i)倾角85°岩层竖向位移

(j)倾角85°衬砌竖向位移图5 不同倾角下的位移云图 (单位：mm)

图5表明岩层结构面倾角不为零时隧道围岩及衬砌发生明显的非对称位移，岩层倾向一侧的位移要小于另一侧；而且随着岩层倾角的增大，位移云图的非对称性先增大后减小，当岩层倾角接近90°时这种非对称性将近消失。此外，无论岩层的岩层倾角如何变化，对于衬砌结构来说沉降位移最大的变形处始终是隧道的拱顶。结合岩层水平时围岩变形情况，可得出拱顶部位是隧道层岩掘进时衬砌支护的重点。

衬砌竖向位移分布特征，在隧道围岩和衬砌上选取6关键点：拱顶、左右边墙中点、左右仰拱隅角处及隧道拱底如图6所示，得到关键点的竖向位移如图7所示。

图6 关键点位置分布

图7 关键点竖向位移曲线

由图7，关键点A(拱顶)和F(拱底)的竖向位移沉降量随着岩层倾角从5°到85°逐步增大而减小，尤其当岩层倾角从5°到45°之间竖向位移沉降量的变化幅度较大。随着岩层结构面倾角的变化左右两侧关键点的竖向位移沉降各不相同。随着岩层结构面倾角的增大，左侧关键点的竖向位移先增大后减小；右侧的关键点的竖向位移先减小后增大。而且随着岩层结构面倾角的增大，同一高度的关键点的位移沉降量差值先增大后减小，如B、C两点和D、E两点。由于岩层倾角从右侧开始增大，因此计算结果中隧道右侧的竖向位移沉降量大于隧道左侧的竖向位移量沉降量，比较明显的是左右两侧边墙上B、C两关键点竖向位移沉降量。结合图5，岩层结构面倾角从5°到45°逐步增大，两侧沉降量差值增大两侧岩体的位移呈现非对称逐步增大，导致左右两侧岩层之间的相对滑动趋势也会增大，甚至有可能导致隧道两侧的衬砌结构的破坏。岩层倾角45°时是沉降量差值最大，左右拱脚竖向位移相差1.7mm左右边墙竖向位移相差1.8mm。岩层结构面倾角θ从45°到85°逐步增大，两侧沉降量差值减小两侧岩体的位移呈现非对称逐步减小。

由图7还可以得出当隧道在岩层层厚恒定、倾角逐渐增大时，隧道衬砌结构由于左右两侧的不均匀沉降导致岩石错位形成张拉破坏。因此得出当隧道在倾斜的层状岩体中开挖，此时隧道支护的重点是衬砌结构的两侧和竖向沉降较大的拱顶处。