不同倾角层状围岩隧道开挖松动圈的范围与分布

王 睿，赵志清，邓祥辉，姚 军

（1.西安工业大学建筑工程学院，陕西西安 710021；2.陕西省交通规划设计研究院，陕西西安 710065）

层状岩体因层间黏结力差，不仅其变形和强度具有明显的各向异性，而且其破坏机理及方式也明显不同于其他岩体［1］。在隧道开挖过程中，岩体的原始应力平衡状态被破坏，应力重分布使洞室周边局部区域围岩应力超过岩体强度，围岩进入塑性破坏状态，形成松动圈。

由于数值计算可以较真实地模拟岩体材料的构造特征以及施工过程，现已成为众多学者分析隧道围岩松动圈范围及分布规律的重要手段。徐坤等［2］依托兰新铁路大梁隧道工程，采用有限差分软件FLAC 3D计算了Ⅴ级围岩大变形段的受力情况，确定了围岩松动圈范围；肖明等［3］通过建立地下洞室三维有限元模型计算了洞周围岩损伤系数，并与围岩损伤系数阈值进行比较，确定了在开挖爆破作用下围岩松动圈范围；张俊明等［4］以莫尔-库仑本构模型为计算准则，采用有限差分软件FLAC 3D 计算了隧道围岩最大松动圈厚度，并结合松动圈系数，全面分析了隧道围岩松动圈的分布情况；孙希奎等［5］采用MIDAS/GTS FLAC 3D耦合模拟技术，对巷道围岩松动圈的形成过程进行了模拟，得出可将巷道围岩最大主应力小于原岩应力范围判定为巷道围岩松动圈范围；张书强等［6］以岩石应变值超过岩石的最大拉应变值作为隧道围岩松动圈的判别准则，应用有限差分软件FLAC 3D 对隧道围岩松动圈的发展进行了数值模拟，并将模拟结果与现场测试值对比，从而确定了围岩松动圈范围。

截至目前，用数值计算方法分析隧道围岩松动圈范围，国内大多数学者采用的是有限元法，且无统一判别标准，而运用离散元法的文献很少。

离散元法是由美国学者康德尔在1971年首次提出。该方法将节理岩体看成是由不连续的块体和块体之间的接触面组成的，在计算中假设单元体是离散的，由于新的接触面能够被自动识别，故求解速度快，精度高。在层状岩体的受力过程中，不连续的岩层可以发生变形、平移和转动，结构面可以发生压缩、分离和滑动，因此层状围岩可以看作是不连续的离散介质。故本文采用离散元软件UDEC 进行数值模拟，分析不同倾角层状围岩隧道开挖后无支护措施时围岩的自稳状态、松动圈范围及其分布规律。

1 工程概况

延安安塞经志丹至吴起（简称延志吴）高速公路大梁峁隧道为直墙分离式双车道特长隧道，开挖跨度12.0 m。左线全长4 278 m，里程桩号为ZK79+030—ZK83+308；右线全长4 310 m，里程桩号为YK79+045—YK83+355。隧道洞身段为白垩系下统环河华池组中风化砂岩，呈褐红色，中～厚层状结构，层理发育，钙质胶结，多与泥岩呈互层状产出，岩层较完整。由于长期的地质作用，在隧道各区段岩层倾角各不相同且差异较大。根据现场地质勘测，隧道洞身段大多属于Ⅲ级围岩，拟采用全断面法开挖。

2 离散元数值分析

2.1 模型建立

2.1.1 工况及尺寸

岩层倾角分别取0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°，共建立7个模型。模型中隧道断面是依据工程隧道实际断面经过简化而成，为直墙半圆拱形，计算开挖跨度取12.0 m，高度取9.0 m，岩层厚度取30 cm。

根据弹性力学中的圣维南原理，隧道开挖后应力重分布只发生在靠近洞室的一侧，当超过3 倍洞径则认为开挖对围岩影响较小，可忽略不计。因此，建模时模型水平方向取84 m，以模型洞室下边界为基准，竖直向下取36 m。为了简化计算，以模型洞室拱顶为基准，竖直向上取72 m，其余地层换算成等效荷载施加在模型上部。

2.1.2 网格划分

考虑到数值计算的精确性，网格形状定为等边三角形。岩层倾角为0°时在隧道洞室区域网格边长取0.3 m，向上和向下延伸的求解区域网格边长依次取1.0，2.0 m；岩层倾角为15°，30°，45°，60°，75°时网格边长均取0.3 m；岩层倾角为90°时隧道洞室区域网格边长取0.3 m，向左和向右延伸的求解区域网格边长依次取1.0，2.0 m。

2.1.3 边界约束条件

采用位移法铰接约束边界。水平方向左右两边界施加法向约束使该方向速度为0，前后方向两边界也施加法向约束使该方向位移为0；模型底部边界施加法向约束，上部边界为自由面，同时在模型上边界施加厚54 m岩土层的等效荷载1.242 MPa。

2.2 参数的确定

根据隧道围岩现场实测资料，并结合JTG D70/2—2014《公路隧道设计规范》和《工程地质手册》（第4版），最终确定的泥岩、砂岩及接触面参数见表1和表2。

表1 岩体参数

表2 泥岩与砂岩接触面力学参数

2.3 模拟结果与分析

对7 种模型经过循环迭代运算，并采用Tecplot 进行后处理，得到最小主应力云图，见图1。当最小主应力大于岩体极限强度时围岩进入屈服状态。屈服区域即围岩松动圈范围。

图1 不同倾角层状围岩隧道开挖后最小主应力云图

由图1和对应的网格尺寸（0.3，1.0，2.0 m）计算得出不同倾角时层状围岩隧道各部位的松动圈范围，见表3。可知：①层状围岩隧道松动圈沿隧道横断面分布并不均匀，这是围岩压力分布不均、地层产状复杂多变、岩体力学性质各向异性综合作用的结果。②岩层倾角为0°（水平）和90°（竖直）时，由于隧道两侧围岩岩性相同，围岩压力相等，使得松动圈以隧道轴线为中线对称分布，且呈现出由隧道拱顶向两边墙逐渐减小的趋势。③岩层倾角为15°，30°，45°，60°和75°时，层状围岩隧道存在明显的偏压现象，且右侧围岩压力均大于左侧，使得右侧松动圈范围明显大于左侧。④随着岩层倾角的增大，隧道拱顶和左拱腰的松动圈范围呈先减小后增大的趋势，而右拱腰和右边墙松动圈范围呈现出先增大后减小的趋势。这种偏压现象在岩层倾角为15°～60°时比较明显。

表3 不同倾角时层状围岩隧道各部位松动圈范围

3 结论

1）倾角为0°（水平）时，层状围岩隧道的松动圈范围最大，且出现在隧道拱顶处。松动圈范围在1.6～2.6 m，使得隧道在支护时需要的支护力也最大。

2）倾角为0°（水平）和90°（竖直）时，层状围岩隧道松动圈以隧道轴线为中线呈对称分布，且呈现出由隧道拱顶向两边墙逐渐减小的变化趋势。

3）倾角为15°，30°，45°，60°和75°时，层状围岩隧道松动圈分布不对称，存在明显的偏压现象。