尺寸效应对节理化岩体硐室开挖稳定性的影响分析

陈文义，杨朝帅

(1.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009；2.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

( 1.China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Luoyang 471009,Henan,China; 2.Technical Centre,China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Luoyang 471009,Henan,China)

尺寸效应对节理化岩体硐室开挖稳定性的影响分析

陈文义1，杨朝帅2

(1.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009；2.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

为了研究不同开挖尺寸和围岩节理组倾角对隧道开挖变形稳定的影响，应用UDEC程序，通过一些假设，设定计算域内包含有水平垂直节理组(0°-90°)和倾斜节理组(45°-135°)2种计算情况，对硐室不同开挖尺寸下围岩的变形稳定情况进行数值模拟。结果表明：1)水平垂直节理组岩体中围岩变形随硐室开挖尺寸增大先缓慢增加，后呈指数形式急剧增加且失稳，围岩失稳表现为贯穿地表的拱部上方岩体整体塌落；2)倾斜节理组岩体中围岩变形随硐室开挖尺寸增大先缓慢增加，后急剧增大且失稳，围岩失稳表现为拱部围岩局部塌落；3)倾斜节理组岩体中硐室开挖后变形比相应水平垂直节理组的要大。

尺寸效应；节理组；节理倾角；硐室开挖

0 引言

工程区域岩体一般都是在形成过程中以及形成以后又经历了复杂的地质构造活动，从而成为有不同尺度结构面的复杂岩体。岩石的抗压强度与试件的形状及尺寸密切相关，即不同尺寸岩石的强度与变形特性存在很大力学差异，这使得特定尺寸岩石的强度和变形特性不能直接应用于岩土工程设计。因此，研究岩体岩石的尺寸效应对众多工程建设有重要意义。

目前，对岩石尺寸效应的研究，成果颇丰，但还不很成熟。文献[1]首次基于不同尺度大理岩石的单轴压缩实验结果,得出强度随岩样长径比变化而变化,显示出其具有尺度效应。随后，众多学者在各个领域都开始进行一些关于岩石尺寸效应的研究。文献[2-3]对岩石材料的非均质性与强度尺寸效应之间的关系进行了探讨,指出岩样尺寸效应不仅体现在强度的平均值上,而且与强度的离散性有关,同时对单轴拉伸强度随尺寸的增大而降低的规律进行了研究。文献[4]指出，随着试件尺寸的增大,岩石的瞬弹性变形能力随之增大,岩石抵抗蠕变变形的能力随之减小，但当试件足够大时,这种变化会趋于缓和而变得不再明显；同时可表明，随着岩石尺寸增加到一定程度，尺寸效应将越来越不明显，也就证明了尺寸效应是由于岩石中包含的节理裂隙的多少决定的。文献[5-11]通过具体的数学推导，得出具体计算岩体力学参数与特征体单元REV的关系表达式，从而在具体的工程应用中，可以根据岩体的具体尺度大小选择合理的力学参数。文献[12-14]通过生成随机节理，对岩体岩块进行了相应的数值模拟。文献[15]基于物理力学试验与细观参数统计分布理论，建立试样尺度的随机概率模型，将完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应有机连接。

上述文献对尺寸效应的研究主要是针对岩体或岩块尺寸与其力学性质之间的关系，所采用的方法主要是试验手段。在节理岩体中的地下工程，围岩的稳定性与硐室开挖尺寸、节理产状、间距等因素间的关系的定量研究还不多。本文采用离散元程序UDEC，对节理化岩体下不同尺寸的硐室开挖进行数值计算，研究不同节理组倾角对硐室稳定性的影响。

1 硐室开挖的尺寸效应

地下岩体一般都不是一个完整的岩块，而是一个由错综复杂的节理裂隙分割而成的不连续体(见图1)。对尺寸一定的一个岩体范围，当节理密度较大时，所分割成的岩块相对较小；当节理密度较小时，所分割出来的岩块就相对较大。本文要研究的硐室开挖的尺寸效应是指：由节理分割出来的岩块尺寸大小与硐室开挖尺寸大小之间的规律，即随节理密度增大，岩块被切割的越小，一定开挖尺寸下的硐室越不稳定；也可以认为在一定节理密度下，岩块被切割的尺寸固定下来，则随着硐室开挖尺寸的增大，围岩的稳定性将会如何减弱，变形将会如何增大。另外，本文还将研究不同节理组倾角对硐室稳定性的影响。因此，本文所研究的尺寸效应与前人研究的关于岩块尺寸与其力学性质之间规律的尺寸效应是不同的。

2 模型建立和讨论

2.1 模型假设

本文的研究方法是应用UDEC离散元程序进行数值计算，对计算模型有如下假设。

1)在计算域内，将实际情况下的不规则节理化岩体假设为一组水平节理组和一组垂直节理组(0°-90°节理组)，这2组节理组的节理相互平行，且间距相等(均为0.5 m)，2组节理组物理力学参数相同。在保持节理组间距不变的情况下，逐渐增大硐室开挖尺寸，依次为5，6，7，8，9，10 m，且硐室的高跨比均为1.5。0°-90°节理组岩体中不同开挖尺寸的硐室见图2。

图1 不规则节理岩体示意图Fig.1 Schematic drawing of rock mass with irregular joints

图2 0°-90°节理组岩体中不同开挖尺寸的硐室Fig.2 Caverns with different excavation sizes in rock mass with 0°-90°joint sets

2)研究节理组倾角对硐室开挖围岩稳定性影响时，将2组节理组调整为与水平方向夹角为45°和135°倾角即可，其他假设条件参照水平-垂直节理组(0°-90°节理组)的情况。45°-135°节理组岩体中不同开挖尺寸的硐室见图3。

图3 45°-135°节理组岩体中不同开挖尺寸的硐室Fig.3 Caverns with different excavation sizes in rock mass with 45°-135° joint sets

2.2 模型建立

计算域范围为水平方向50 m，垂直方向40 m,硐室埋深为30 m，硐室形状为直墙圆拱形。

1)边界条件。在垂直方向上限制模型底部的位移，在水平方向上限制模型两侧的位移，顶部承受上覆岩体的自重应力。

2)初始地应力场。主要考虑自重应力场，水平应力与垂直应力之比为0.5。

3)本构关系的选择。对岩体采用摩尔-库伦塑性模型，对节理采用面-面接触库伦滑动模型。

4)计算参数的选取。岩体及节理有关力学参数大致相当于IV类围岩，其参数参照TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》取得。岩石、节理的物理力学参数见表1和表2。

表1 岩石的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 节理的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of joints

具体模拟过程为：首先建立模型，形成初始应力场，然后分别计算开挖尺寸为5，6，7，8，9，10 m，硐室高跨比均为1.5，计算至平衡即可。

根据上述假设条件和计算模型，应用UDEC离散元程序，分别研究了水平-垂直节理组和45°-135°节理组岩体中不同硐室尺寸开挖后围岩变形情况，并对比分析了节理组倾角对围岩变形的影响。

3 计算结果分析与讨论

3.1 0°-90°节理组模型

拱顶沉降随硐室开挖尺寸的变化曲线见图4。硐室不同开挖尺寸下围岩周边位移见图5。由图4和图5计算结果可知：当开挖跨度小到5 m时，拱顶沉降非常小，只有4.4 mm，相应的硐室围岩最稳定(见图5(a))；随着开挖尺寸增加到8 m，围岩变形急剧增大并出现开始失稳，此时拱顶沉降为116 mm，但由图5(d)看出，硐周围岩并未出现局部失稳现象，而是出现了贯穿至地表的硐室拱部上方围岩整体塌落；随开挖尺寸的继续增大，这种连带地表塌陷的拱部上方围岩整体下滑越明显，见图5(e)和5(f)。另外，由图4还可以看出：在硐室开挖尺寸较小时(<7 m)，随开挖尺寸的增大，拱顶沉降增加较小，尺寸效应对围岩的稳定性影响也较小；但当开挖尺寸逐渐增大超过7 m时，拱顶沉降开始急剧呈指数增大，尺寸效应对围岩的稳定性影响越大。实际上，在开挖尺寸超过8 m后，过大的拱顶沉降已不再是围岩变形所致，而是贯穿地表的整体塌陷引起的。

图4 0°-90°节理组模型拱顶沉降随硐室开挖尺寸的变化关系Fig.4 Crown settlement Vs excavation size of caverns in rock mass with 0°-90° joint set dip angle

3.2 45°-135°节理组模型

拱顶沉降随硐室开挖尺寸的变化曲线见图6。硐室不同开挖尺寸下围岩周边位移见图7。由图6和图7计算结果可知：当开挖跨度小到5 m时，拱顶沉降非常小，只有18 mm，相应的硐室围岩最稳定(见图7(a))；当开挖尺寸从6 m增大到7 m时，拱顶沉降从33 mm增大到5 m多，围岩失稳；随着开挖尺寸增加超过6 m时，围岩变形开始急剧增大并出现失稳，此时拱顶沉降为116 mm，从图7(c)看出，与0°-90°节理组模型计算结果不同的是，没有出现贯穿至地表的硐室拱部上方围岩整体塌落，而是出现了拱部围岩的局稳塌落。另外，由图6还可以看出：在硐室开挖尺寸较小时(<6 m)，随开挖尺寸的增大，拱顶沉降增加较小，尺寸效应对围岩稳定性的影响较小；但当开挖尺寸逐渐增加超过7 m时，过大的拱顶沉降已不再是围岩变形所致，而是拱部围岩局部塌落引起的，此时尺寸效应对围岩稳定性的影响很大。

3.3 不同节理组倾角的对比

0°-90°节理组模型与45°-135°节理组模型拱顶沉降差随硐室开挖尺寸的变化关系见图8。由图8可知:在相同开挖尺寸下，倾斜节理组岩体中硐室变形要比水平垂直节理组的大，其中在开挖尺寸小于6 m时，两者拱顶沉降量相差不大，约为27 mm，但当开挖尺寸为7 m时，此时水平垂直节理组还未出现大变形，而倾斜节理组已经出现拱部围岩局部塌落，因此两者位移差值接近6 m;随着开挖尺寸继续增大，水平垂直节理组开始出现贯穿地表的整体下塌，两者的沉降量差值又开始减小。因此，倾斜节理组岩体中，由于控制围岩失稳的是拱部局部围岩的塌落，这在较小开挖尺寸下就能够出现；而在水平垂直节理岩体中，由于控制围岩失稳的是贯穿地表的拱部上方围岩整体塌落，这在有较大地应力情况下，需要开挖较大的硐室尺寸才能够出现。

图5 0°-90°节理组岩体中硐室围岩位移
Fig.5 Displacement of surrounding rock of caverns in rock mass with 0°-90° joint set dip angle

图6 45°-135°节理组模型拱顶沉降随硐室开挖尺寸的变化关系

Fig.6 Crown settlement Vs excavation size of caverns in rock mass with 45°-135° joint set dip angle

图7 45°-135°节理岩体中硐室围岩位移
Fig.7 Displacement of surrounding rock of caverns in rock mass with 45°-135° joint set dip angle

图8 0°-90°节理组模型与45°-135°节理组模型拱顶沉降差随硐室开挖尺寸的变化关系

Fig.8 Crown settlement difference between rock mass with 45°-135° joint set dip angle and that with 0°-90° joint set dip angle Vs excavation size

4 结论与探讨

1)水平垂直节理组岩体中围岩变形随硐室开挖尺寸增大先缓慢增加，后呈指数形式急剧增加且失稳，围岩失稳表现为贯穿地表的拱部上方岩体整体塌落。

2)倾斜节理组岩体中围岩变形随硐室开挖尺寸增大先缓慢增加，后急剧增大且失稳，围岩失稳表现为拱部围岩局部塌落。

3)倾斜节理组岩体中硐室开挖后变形比相应水平垂直节理组的要大，这是因为倾斜节理组岩体硐室开挖失稳方式较水平垂直节理组岩土的容易实现。

本文所得到的研究结论，能够从理论上给相关科研人员提供一个研究方向，从而更深层次探索节理化岩体硐室不同开挖尺寸下围岩失稳破坏的机制。在今后的研究中，需要现场工程技术人员进行相应的监测数据来进一步验证本文的结论，这也是今后工作的一个方向。

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郑州规划8条地铁到2020年将形成5条运营线路

从河南省发改委获悉，郑州市城市轨道交通近期建设规划获国家批复，标志着郑州市城市轨道交通建设进入了新的阶段。

经国务院批准，国家发改委印发了《关于印发郑州市城市轨道交通近期建设规划(2014—2020年)》(发改基础[2014]741号)。其中，郑州市中心城区城市轨道交通线路网由8条线路组成，总长约277.1 km，线网密度0.66 km/km2，设换乘站35座。到2020年，形成5条运营线路。郑州市区公共交通占机动化出行量比例达60%以上，轨道交通占公共交通出行量比例达25%以上。

近期(2014—2020年)将规划建设1号线二期工程、2号线二期工程、3号线一期工程、4号线和5号线。

(摘自 中铁工程装备集团有限公司 http://www.crectbm.com/News/View/5642.aspx 2014-05-05)

AnalysisonInfluenceofSizeEffectonExcavationStabilityofCavernsinJointedRockMass

CHEN Wenyi1,YANG Chaoshuai2

In this paper,numerical simulations are made to study the influence of different excavation sizes and different joint set dip angles on the deformations of tunnels excavated in fractured rock mass by using the code of UDEC.It is assumed that there are two types of joints,i.e.,joints with horizontal-vertical dip angles (0°-90°) and joints with inclined dip angles (45°-135°),in the influenced domain.Conclusions drawn are as follows:1) The deformation of the surrounding rocks of tunnels in rock mass with horizontal-vertical joint sets grows slowly as the excavation size of the tunnel increases before the deformation grows dramatically and failure occurs.The failure takes the form of integral collapse of surrounding rocks above the crown toward the ground surface; 2) The deformation of the surrounding rocks of tunnel in rock mass with inclined joint sets grows slowly as the excavation size of the tunnel increases before the deformation grows dramatically and failure occurs.The failure takes the form of local collapse of surrounding rocks at the crown; 3) The deformation of the tunnels excavated in rock mass with inclined joint sets is larger than that of the tunnels excavated in rock mass with horizontal-vertical joint sets.

size effect; joint set; dip angle of joint set; cavern excavation

2013-04-18;

2014-02-20

陈文义(1966—)，男，四川资阳人，1988年毕业于兰州交通大学，铁道工程专业，本科，高级工程师，主要从事隧道及地下工程施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.005

U 45

A

1672-741X(2014)05-0418-05

( 1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.TechnicalCentre,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)