不同节理位置及倾角对隧道围岩稳定性的影响分析

贺暄

摘要：文章以黄土含节理地区隧道开挖为例，采用有限元软件Midas建立模型，并考虑不同节理位置和节理倾角两种工况，对隧道围岩变形以及应力变化规律进行了分析。结果表明：（1）考虑不同节理位置时，对于水平位移，节理的存在会略减小靠近节理一侧拱腰的最大水平位移;对于竖向位移，节理的存在使得最大竖向位移向节理处靠近。节理在拱腰、拱肩和拱顶时，其最大竖向位移比无节理时分别大8.8%、10.3%和0.3%，节理在拱肩处应力比拱腰和拱顶时围岩应力分别大3.2%和4.0%。（2）节理倾角为30°、45°、60°和90°时的最大竖向位移值比无节理时分别大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，随着节理倾角的增大，最大竖向位移值逐渐减小;节理倾角为45°、60°和90°时的最大应力比节理倾角为30°时分别小0.4%、1.1%和2.0%，随着节理倾角的增大，最大围岩应力逐渐减小，但整体变化趋势不大。

关键词：隧道工程;黃土;节理;位移;倾角;应力

0 引言

节理是影响岩土稳定性的重要因素之一，不同节理位置和节理倾角对于隧道工程都有较大的影响，尤其在我国西南地区，遍布的黄土中又常常伴有节理出现，因此，研究黄土中节理的存在对隧道稳定性的影响至关重要。近年来，国内一些学者对此进行了相关研究：朱劲、张志强等人[1-2]以沙坝湾隧道靠近洞口偏压段为研究对象，采用数值模拟的方法研究了红层地区不同节理倾角下隧道围岩力学响应、变形特性;赵作富、王贵君等人[3-4]通过分析隧道不同走向条件下岩层节理倾角对顶平衡拱内层状围岩应力状态的影响，研究节理倾角对隧道拱顶围岩稳定性的影响，结果显示岩层倾斜、隧道走向与岩层走向相同时拱顶围岩的稳定性随节理倾角增大而减小，隧道走向与岩层走向垂直时拱顶围岩的稳定性随节理倾角增大而增大;马天辉、贾超等人[5-6]在二轴围压条件下，数值模拟了节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程，研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理，分析了岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律等。

本文主要以某处黄土含节理地区隧道开挖为例，通过采用有限元软件Midas建立模型，并考虑不同节理位置和节理倾角两种工况，对隧道围岩变形以及应力变化规律进行了分析，以期研究结果可为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

我国西南地区广泛分布着黄土，黄土是具有第四纪中风力搬运的黄色粉土沉积物，常伴有节理发育等特性。由于节理的存在，不仅会影响黄土本身的稳定性，而且会造成软土中形成不同方向的软弱结构面，若在存在节理的黄土中施工，很容易造成安全事故。某铁路隧道穿越黄土地区山岭，经过地质勘探发现该建设地区节理较发育，岩土体比较破碎。隧道最大洞径为10.6m，高度为9.5m，上覆土体埋深约为37.8～47.6m。为了保证隧道建设的安全性，本文采用数值模拟手段，分析了节理的存在对隧道稳定性的影响。

2 数值建模

2.1 模型建立

如图1所示，为采用有限元软件Midas建立的开挖前后数值模型图，其中图1（a）和图1（b）分别为开挖前和开挖支护后的模型图。为了减小模型尺寸带来的影响，建模时模型上表面即为山岭顶部，隧道中心埋深取48m，模型长宽高分别为50m、10m和80m。网格共计15756个，均采用实体单元，均采用摩尔库伦本构模型。由于本文主要研究节理的影响，故初支和二次支护一次进行，衬砌厚度为0.35m。节理采用无厚度的接触单元模拟，节理具体形态与位置在下节进行详细描述。表1给出了土体、节理以及衬砌的相关物理力学计算参数。

2.2 不同计算工况建立

如图2所示，本文仅考虑一条节理的情况，并分别探讨不同节理位置以及不同节理倾角两种工况的影响。如图2（a）所示，考虑三种不同垂直节理位置的影响，分别为拱腰处（A处）、拱肩处（B处）和拱顶处（C处）;如图2（b）所示，考虑4种不同节理倾角的影响，节理均通过左侧拱腰处，节理倾角分别为30°（D1处）、45°（C1处）、60°（B1处）和90°（A1处）。

3 数值结果分析

3.1 不同节理位置的分析

位移是反映隧道稳定性以及安全性的重要因素之一。如下页图3所示，分别给出了无节理和有节理在拱腰、拱肩和拱顶时的隧道开挖稳定后水平位移以及竖向位移云图。由图3（a）可知，当无节理时，隧道位移表现为沿隧道竖直中线两侧对称分布，其中拱顶最大竖向位移为83.8mm;当节理在拱腰处时，隧道两侧拱腰处水平位移最大，且位移方向为远离隧道方向，同时隧道拱顶位移最大，且拱顶表现为沉降，拱底表现为隆起。观察图3（b）云图可以发现，对于水平位移云图，节理的存在会略减小靠近节理一侧拱腰的最大水平位移;对于竖向位移云图，节理的存在使得最大竖向位移向节理处靠近。图3（c）、图3（d）分别为节理在拱肩和拱顶时的位移云图，其位移变化规律与图3（b）均一致，即节理的存在会略减小靠近节理一侧拱腰的最大水平位移以及使得最大竖向位移向节理处靠近。

为了对无节理和有节理在不同位置处的变形值进行对比分析，下页图4提取出无节理工况下以及有节理在拱腰、拱肩和拱顶时的最大竖向位移值。由图4可知，无节理时产生的竖向位移最小，其次是节理在拱顶时，最大的为节理在拱肩处。节理在拱腰、拱肩和拱顶时，其最大竖向位移比无节理时分别大8.8%、10.3%和0.3%。

隧道开挖会导致围岩卸荷并释放压力，围岩应力是反映围岩稳定性的另一重要因素。如下页图5所示，分别为节理在拱腰、拱肩和拱顶时的围岩拱腰处最大应力。由图5可知，节理在拱肩处应力比拱腰和拱顶时围岩应力分别大3.2%和4.0%。

3.2 不同节理倾角的分析

如图6所示，分别给出了节理倾角分别为30°、45°、60°和90°时的隧道开挖稳定后水平位移以及竖向位移云图。由图6（a）可知，当节理倾角为30°时，节理以上部分水平位移方向均为负，这与无节理时水平位移云图不同;而对于竖向位移云图，当节理倾角为30°时，导致位移在节理面发生突变，节理面处位移明显增大。图6（b）～图6（d）分别为节理倾角为45°、60°和90°时的位移云图，其位移变化规律与图6（a）较一致，且随着节理倾角的增大，最大竖向位移存在减小的趋势。

为了对不同节理倾角的隧道变形值进行对比分析，图7提取出节理倾角分别为30°、45°、60°和90°时的最大竖向位移值。由上节可知，无节理时最大竖向位移为83.9mm，则节理倾角为30°、45°、60°和90°时的最大竖向位移值比无节理时分别大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，随着节理倾角的增大，最大竖向位移值逐渐减小。

如图8所示，为节理倾角分别为30°、45°、60°和90°时的最大应力变化图。由图8可知，节理倾角为45°、60°和90°时的最大应力比节理倾角为30°时分别小0.4%、1.1%和2.0%。随着节理倾角的增大，最大围岩应力逐渐减小，但整体变化趋势不大。

4 结语

本文以某黄土含节理地区隧道开挖为例，通过采用有限元软件Midas建立模型，并考虑不同节理位置和节理倾角两种工况，对隧道围岩变形以及应力变化规律进行了分析，结论如下：

（1）考虑不同节理位置时，对于水平位移，节理的存在会略减小靠近节理一侧拱腰的最大水平位移;对于竖向位移，节理的存在使得最大竖向位移向节理处靠近。无节理时位移最小，其次是节理在拱顶时，最大的为节理在拱肩处。节理在拱腰、拱肩和拱顶时，其最大竖向位移比无节理时分别大8.8%、10.3%和0.3%;节理在拱肩处应力比拱腰和拱顶时围岩应力分别大3.2%和4.0%。

（2）考虑不同节理倾角，当节理倾角为30°时，位移在节理面发生突变，节理面处位移明显增大。节理倾角为30°、45°、60°和90°时的最大竖向位移值比无节理时分别大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，随着节理倾角的增大，最大竖向位移值逐渐减小;节理倾角为45°、60°和90°时的最大应力比节理倾角为30°时分别小0.4%、1.1%和2.0%，随着节理倾角的增大，最大围岩应力逐渐减小，但整体变化趋势不大。

参考文献：

[1]朱 劲，徐幼建，许瑞宁.不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响[J].四川建筑，2015，35（2）：91-93.

[2]张志强，何本国，关宝树，等.节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究[J].现代隧道技术，2012，49（1）：12-19.

[3]赵作富，陈 建，胡国军，等.岩层倾角与隧道走向间关系对大断面隧道围岩稳定性的影响[J].公路与汽运，2014（5）：190-194.

[4]王贵君，任杨茹.节理特性对隧道围岩稳定性影响的研究[J].河北工业大学学报，2017，46（1）：103-107.

[5]马天辉，张文东，徐 涛.节理岩体中隧洞围岩的损伤破坏机理[J].东北大学学报（自然科学版），2013（10）：1485-1489.

[6]賈 超，廉明远，李 辉.开挖走向对某节理隧洞块体稳定性的影响[J].人民黄河，2016（4）：106-108.