节理对岩体隧道变形影响的数值分析

2021-10-13高俊义

延安大学学报（自然科学版） 2021年3期

吴乔，高俊义

(1.延安大学网络信息中心；2.延安大学建筑工程学院，陕西延安 716000)

目前，以“一带一路”为契机，长、大深埋隧道将会迎来一股崭新的建设高潮，我国也将更加重视对地下空间的利用。修建隧道所遇到的环境复杂多变，节理岩体是一种常见的地质条件，岩体介质的变形表现出非连续、大变形的特点，这就为工程安全带来诸多隐患。而如何采取有效的措施来维持节理隧道的稳定性以及保证施工的安全性将是隧道建设的一大瓶颈。针对此类问题,现有的理论与技术手段仍有许多不完善的地方。因此，在隧道工程中，节理发育的岩体的变形预测应当引起足够的重视。

王文等[1]对已有的非连续变形分析程序进行了SSOR-PCG方法的改进，采用改进的方法对某公路隧道进行了稳定性分析，并且加入了位移收敛准则，通过对关键点位移的监测优化了开挖顺序。郑颖人等[2]开展了节理岩体隧道的稳定分析与破坏规律探讨讲座。郑艾辰等[3]运用离散单元法，模拟了相同隧道尺度条件下不同节理间距的4组情况。张志明等[4]选取隧道典型开挖断面，从总体位移和塑性变形角度对隧道开挖围岩稳定性及成形进行了有限元分析。高振光[5]针对某隧道所处的节理岩体条件，通过现场监测和UDEC离散元数值模拟，对节理岩体隧道开挖引起地表沉降特征进行了分析。王兵[6]基于非连续变形分析方法的节理岩体隧道稳定性开展了研究。张文胜[7]、彭双喜[8]、杨忠民等[9]开展了岩体节理对隧道开挖稳定性的影响分析、节理岩体隧道的稳定性分析及破坏机理和节理岩体中纵向间距对连拱隧道稳定性的影响研究。综上所述，节理岩体隧道的稳定分析研究虽然取得了一定的成果，但是节理对岩体隧道变形影响的数值分析的复杂模型探究的报道较少。鉴于此，开展节理对岩体隧道变形影响的数值分析研究工作显得十分必要。

本文首先采用3DEC离散元软件构建完整岩体隧道模型、1条节理岩体隧道模型和2条节理岩体隧道模型；然后在三种计算工况条件下，计算完整岩体隧道模型和节理岩体隧道模型对岩体隧道位移与应力的影响；最后由计算结果对比分析，揭示节理对岩体隧道变形影响的规律。

1 模型构建

岩体隧道模型尺寸为50 m×50 m×50 m，假定隧道位于模型的中部位置，隧道模型为圆形。分别构建完整岩体隧道模型、1条节理岩体隧道模型和2条节理岩体隧道模型，其中1条水平节理构建在隧道中部，2条水平节理构建在隧道顶部以上1 m处，假定隧道直径为10 m。单条节理岩体隧道模型网格划分如图1所示。

图1 单条节理岩体隧道模型网格划分

岩体隧道计算的相关参数如表1所示。

表1 岩体隧道的参数

模型各边界条件固定，X、Y、Z方向各施加5 MPa的地应力，重力加速度假定为10 m/s2。经过多次试算，模型为计算600步的数值结果，岩体隧道在地应力的作用下，发生蠕变变形。

2 节理对岩体隧道位移影响

模型计算600步时，完整岩体与节理岩体隧道位移场如图2所示。

由图2A知，在完整岩体条件下，岩体的最大位移在隧道顶部达到6.7×10-4m，隧道由内到外其位移逐渐减小，在特定荷载下，位移只波及其前、后、左、右4面，并未波及模型的上、下部。由图2A、B对比知，隧道中部增加一条水平节理后，岩体隧道最大位移仍然出现在隧道顶部，达到7.25×10-4m，隧道由内到外其位移逐渐减小；由图2A、C对比知，隧道中、上部各增加一条水平节理后，岩体隧道最大位移仍然出现在隧道顶部，达到1.03×10-3m，隧道由内到外其位移逐渐减小；由图2A、B、C综合对比知，随着模型隧道节理的增加，节理接触处发生应力集中现象，这从B、C两图中位移值发生突变即可看出，导致隧道内顶部最大位移越来越大，增大幅度约为25.2%，隧道底部位移场由“凹”字形曲线转化成“凸”字形曲线，说明随着节理的增加，隧道底部产生的位移越来越大。

3 节理对岩体隧道拱梁位移影响

模型计算600步时，完整岩体与节理岩体隧道拱梁位移场如图3所示。

图3 完整岩体与节理岩体隧道拱梁位移场

由图3A知，在完整岩体条件下，岩体隧道拱梁最大位移在拱梁顶部达到6.18×10-4m，岩体隧道拱梁由上到下其位移逐渐减小。由图3A、B对比知，隧道中部增加一条水平节理后，岩体隧道拱梁最大位移仍然出现在拱梁顶部，达到6.74×10-4m，隧道拱梁由上到下其位移逐渐减小；由图3A、C对比知，隧道中部和上部各增加一条水平节理后，岩体隧道拱梁最大位移仍然出现在隧道顶部，达到1.01×10-3m，隧道拱梁由上到下其位移逐渐减小；由图3A、B、C与图2综合对比知，随着隧道模型节理的增加，节理接触处发生应力集中现象，岩体隧道位移大处其相应接触处拱梁位移也对应较大，体现了隧道顶部传力予拱梁的一致性，增大幅度约为29.5%，这与图2完整岩体与节理岩体隧道位移场结果吻合。

4 节理对岩体隧道应力与位移影响

模型计算600步时，完整岩体与节理岩体隧道观察点应力、位移如图4、5所示。

由图4知，三种工况下，隧道内顶部Z方向观察点应力呈现出由小到大的压应力，在计算约20步时，隧道Z方向观察点位移呈现出急剧减小的态势，这是由于加载初期，地应力和荷载共同作用显著，其后隧道Z方向观察点应力逐渐增大，这是因为隧道内顶部Z方向隧道拱梁承受(抵消)了向下的一部分作用力。由图4与图2综合对比知，随着隧道模型节理的增加，节理接触处发生应力集中现象，隧道内顶部Z方向观察点压位移呈现出越来越大的态势，模型计算达到约200步时，隧道内顶部Z方向观察点压应力达到稳态。

图4 完整岩体与节理岩体隧道观察点应力

由图5知，三种工况下，隧道内顶部Z方向观察点位移呈现出由小到大的趋势，在计算约20步时，隧道Z方向观察点应力呈现出急剧减小的态势，这是由于加载初期，地应力和荷载共同作用显著，其后隧道Z方向观察点位移逐渐趋于稳态，模型计算达到约200步时，隧道内顶部Z方向观察点位移达到稳态。由图5与图4综合对比知，随着隧道模型节理的增加，节理接触处发生应力集中现象，隧道内顶部Z方向观察点应力与位移呈现出较为一致的规律，即随着节理增多，隧道内顶部Z方向观察点位移与其应力呈正相关。