节理倾角及组数对铁路隧道围岩稳定性的影响

2023-10-14罗胜利伍容兵张志强

铁道勘察 2023年5期

罗胜利伍容兵张志强

(1. 中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司,昆明 650200; 2. 西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

引言

节理作为岩体中存在的天然软弱结构面,普遍存在于工程地质中。而这些节理面又将完整的岩体切割得极为破碎,使得围岩的结构完整性大幅降低[1-4]。越来越多的隧道工程表明,岩体内部节理面的存在,是造成隧道工程围岩变形过大、隧道整体塌方失稳的主要原因之一[5-9]。

目前,隧道围岩失稳分析常用方法主要分为室内试验、现场监测、数值模拟等。在室内试验与现场监测方面,张志强等采用正交试验研究裂隙岩体节理对隧道稳定性的影响[10];索超峰等通过模型试验研究多组节理情况下隧道施工扰动后围岩的塌落范围变化情况[11];李唱唱等利用水压致裂法和三维水压致裂法对地应力进行现场监测与分析,研究深埋高地应力下引水隧洞节理围岩的稳定性问题[12];戚伟等采用理论分析、现场监测多种手段结合,对焦家金矿优势节理组不同组合形成的块体稳定性进行分析[13]。

常用的数值模拟方法主要包括有限单元法和离散单元法。其中有限单元法是基于连续介质理论的,把物体划分为有限个单元,节点之间用数学方程联系起来。马天辉等采用有限元模拟节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程,研究节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理,分析岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律[14];袁铁等通过数值模拟方法研究节理岩体隧道开挖后围岩塑性区分布,得出水平节理使拱顶及仰拱周边围岩的塑性区增大的结论[15];王昊等建立导洞遍布节理模型,进行参数敏感性分析[16]。离散单元法是典型的非连续数值计算方法,已大量应用在地下巷道的稳定性分析中。李军等采用UDEC 对隧道岩体节理进行模拟,得出单组节理下隧道拱顶变形为多组节理下的1/4 左右[17];郑余朝等采用3DEC 软件对不同节理情况下的隧道安全系数进行分析,评价各因素对隧道稳定性的影响[18];袁彬等利用UDEC 离散元软件分析了在0～90°倾角范围内的隧道围岩变形破坏特征[19];张斌等基于三维离散元计算方法,模拟分析不同倾角下层状隧道围岩的稳定性[20]。

综上所述,很少有学者针对节理围岩发生塑性破坏的主控因素进行深入研究。基于此,以下采用遍布节理本构模型,分析节理倾角、节理组数对围岩稳定性的影响,并探究围岩发生塑性破坏的主控因素,为以后进一步研究节理发育围岩失稳破坏提供参考。

1 工程概况

玉磨铁路线路位于云南省,由昆玉铁路的玉溪西站起,经峨山、元江、普洱、景洪止于勐腊边境磨憨口岸,是中老铁路的重要组成部分。玉磨铁路线路全长507 km,设计速度160 km/h,是“一带一路”建设的标志性工程之一。西双版纳双线铁路隧道位于野象谷站—西双版纳站区间,全长10 680 m,最大埋深620 m。隧址区属低中山地貌,地面高程580～1 325 m,相对高差20～750 m。受区域构造影响,测段构造极为发育,发育3 条断层、1 个背斜,走向均为NW 向。隧道施工现场实际开挖揭示为:Ⅲ级围岩为0.4%,Ⅳ级围岩为29%,Ⅴ级围岩为70.6%。 DK354+000～DK357+750 段以炭质片岩为主,受软弱节理面影响,呈弹塑性体,岩体强度较低。掌子面岩体节理发育且呈碎裂状,并存在许多分离体,掌子面岩体状况见图1。

图1 玉磨铁路西双版纳隧道掌子面岩体状况

根据隧道已开挖段初支表面监控量测情况,西双版纳隧道2 号斜井工区小里程方向,DK354+131 ～DK354+075 段拱顶沉降累计最大为31.2 cm,最大累计收敛416 mm,DK354+103 左拱腰最大侵限为56.3 cm。针对大变形段,为了防止变形进一步扩大,进而发生大规模的围岩垮塌事故,现场采取临时套拱和临时斜撑的方案,对变形未稳定段落进行临时支护。在变形稳定后,为了满足隧道限界要求,需要凿除已侵限的围岩和初支,进行换拱施工。

2 计算模型

为揭示穿越节理发育地层时由于施工开挖引起的隧道周边围岩变形及破坏特征,计算模型见图2,根据圣维南原理,隧道距离计算模型边界均大于3.5 倍洞径,计算模型尺寸为103.8 m(X)×30 m(Y)×101.6 m(Z)。考虑计算结果的收敛性,隧道计算埋深取100 m,隧道拱顶至模型上表面的高度为50 m,其余覆土厚度采用施加等效表面荷载形式表示。计算模型共离散成65 580 个六面体网格,除模型上表面为荷载边界外,其余表面均采用位移边界,左右表面限制X方向自由度,前后表面限制Y方向自由度,底面限制X、Y和Z方向自由度。为了突显断层破碎带节理围岩在隧道开挖影响下的变形和破坏特征,计算过程采用全断面开挖,且不考虑支护结构,隧道处于毛洞状态,开挖进尺取1.0 m。

图2 三维整体计算模型

根据隧道节理发育区域的围岩资料以及TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》,确定计算模型中围岩及节理的参数,具体参数见表1。

表1 围岩及节理力学参数

在节理发育的断层带中,岩体在节理的“切割”作用下,岩体呈现出破碎、碎裂的状态,围岩越破碎,对隧道施工越不利。对于隧道施工而言,围岩的节理倾角和节理数量不同,隧道开挖后围岩的变形特征和破坏形态将会有较大的差异。现场显示平均节理间距0.05 m,节理之间的间距相比起模型的结构尺寸足够小。遍布节理模型不考虑节理面厚度,且节理贯通整个遍布节理模型。单组节理和两组节理工况见图3。节理倾角、节理组数设置情况见表2。

表2 模型工况设置

图3 节理工况示意

3 节理倾角对隧道围岩稳定性的影响

针对单组节理围岩,开挖完成后,截取计算模型Y=15 m 处截面的节理屈服云图和塑性应变云图,见图4～图9。

图4 0°节理各工况下围塑性破坏特征

由图4 可知,当节理倾角为0°,由于模型的节理、模型的几何对称性,节理屈服、围岩塑性应变呈现出左右对称、上下对称的特点,主要分布于拱部两侧拱肩和仰拱两侧区域,此区域受施工扰动明显,在施工影响、重力以及应力重分布等综合作用下,发生了塑性屈服,施工过程中不及时加以控制,易发生较大变形甚至是坍塌事故。

由图5 ～图8 可知,当倾角由0°逐渐增大至90°时,随着倾角增大,受隧道开挖扰动围岩及节理塑性屈服分布特征发生改变,不再是对称分布。相较于水平节理,围岩及节理塑性屈服分布形态和发展趋势发生偏转,倾角较小(20°、40°)时,塑性区主要沿着垂直于节理的方向分布,此时岩体性质是影响塑性区形成和分布主控因素;随着倾角进一步增加(60°、80°),塑性分布区及发展域包括两部分,一部分是沿着节理方向;另一部分是垂直于节理方向。其中,沿着节理方向的塑性区范围更大,由此说明在此倾角情况下,节理是围岩整体发生塑性破坏的主控因素。

图5 20°节理各工况下围塑性破坏特征

图6 40°节理各工况下围塑性破坏特征

图7 60°节理各工况下围塑性破坏特征

图8 80°节理各工况下围塑性破坏特征

由图9 可知,当节理倾角为90°时,由于模型的节理、模型的几何对称性,围岩及节理屈服区域主要分布在隧道两侧,沿着节理方向垂向分布且影响范围深入地层中。节理是影响围岩发生塑性破坏的主控因素。由此可知,对于垂直节理岩体,施工过程中一旦节理屈服且发生显著的剪切滑移,则可能导致拱顶岩体整体垮塌,造成施工灾难,所以隧道穿越90°节理围岩施工较为危险。

图9 90°节理各工况下围塑性破坏特征

当倾角由90°逐渐增大至180°时,节理倾角越接近90°,围岩倾角越陡,节理倾角越接近180°,围岩倾角越平缓。根据反对称性,节理倾角较陡时,岩体性质是影响塑性区形成和分布主控因素;节理倾角较平缓,围岩发生沿节理面的剪切滑移破坏节理是围岩整体发生塑性破坏的主控因素,与节理倾角由0°～90°时的规律相同。

提取单组节理各倾角工况的塑性应变最大值,并绘制曲线,见图10。由图10 可知,当节理倾角为60°或120°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.197,说明节理倾角为60°或120°时,在开挖扰动下,隧道周边围岩发生塑性破坏的趋势最明显,对隧道施工最为不利。该结论与通过隧道洞周围岩变形量分析结论一致。

图10 单组节理各倾角组合工况的塑性应变

4 节理组数对隧道围岩稳定性的影响

计算完成后,截取2 组节理工况下计算模型Y=15 m 处截面的围岩塑性应变及节理屈服云图,见图11～图14。

图11 0°+60°节理各工况下围塑性破坏特征

图12 30°+60°节理各工况下围塑性破坏特征

图13 90°+60°节理各工况下围塑性破坏特征

图14 120°+60°节理各工况下围塑性破坏特征

由图11～图14 可知,2 组节理将围岩进一步“切割”,围岩变得较为破碎,根据节理屈服云图,节理屈服区域主要分布在洞周两侧拱肩至拱脚区域,节理屈服区域不再沿着节理或垂直节理方向深入围岩内部,由此说明,2 组节理条件下节理面塑性屈服与节理方向无明显关系。岩体发生塑性应变的部位与节理屈服部位重合,且塑性应变区域面积和深度均小于节理塑性屈服。因此,对于存在2 组节理的地层,围岩整体破碎,开挖后洞周塑性区主要分布在隧道两侧拱肩至墙脚区域,造成围岩塑性破坏的主要原因是节理面的塑性屈服。

提取2 组节理各倾角工况的塑性应变最大值,并绘制曲线,见图15。由图15 可知,当节理倾角组合为60°+90°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.521,说明节理倾角为60°+90°时,在开挖扰动下,隧道周边围岩发生塑性破坏的趋势最明显,对隧道施工最为不利。该结论与通过隧道洞周围岩变形量分析结论一致。