豫西北变质岩区隧道围岩变形特性研究

于卫云， 白　蕾

(1.新蒲建设集团有限公司， 河南 郑州　450012；　2.河南建筑职业技术学院， 河南 郑州　450000)



豫西北变质岩区隧道围岩变形特性研究

于卫云1， 白蕾2

(1.新蒲建设集团有限公司， 河南 郑州450012；2.河南建筑职业技术学院， 河南 郑州450000)

变质岩由于构造与区域变质作用，其形成过程与物理力学性质特殊，隧道围岩应力较为复杂。针对这一现象，以豫西北地区典型的变质岩隧道作为研究对象，在充分收集和分析其工程地质背景的基础上，利用FLAC 3d软件建立了该隧道的有限元数值模型，模拟了在不同埋深、净距条件下变质岩隧道的围岩应力分布特征。研究表明：变质岩隧道围岩的竖向应力与水平向应力与埋深大致呈线性正相关关系；偏压角的变化主要改变隧道右洞一定范围内的围岩应力分布，而左洞周边围岩应力分布状态基本保持不变；净距的变化对中夹岩部分的围岩应力影响较大，中夹岩应力随净距的增大而明显减小。这一现象对于变质岩隧道施工过程中围岩变形预防和处理措施具有一定实际应用价值。

高围岩应力； 隧道； 变形

1　概述

在构造与区域变质作用下，自然界分布大量变质岩。由于其形成过程特殊，变质岩具有显著的各向异性特征，并且极易变形失稳，国内外许多学者认为应将变质岩划入软岩范畴[1-3]。已有研究资料表明，隧道大变形的产生变形与围岩应力的大小有密切的关系[4-6]。我国关于隧道围岩应力做出了大量的相关研究。例如，李海洋通过对现有的计算公式进行统计分析，认为深埋隧道围岩压力与隧道埋深有关，浅埋隧道的围岩压力与隧道埋深呈正比[7]；崔超颖通过建立小净距偏压隧道的围岩压力计算公式，分析了埋深、偏压角、埋深、隧道轴线方向等对隧道围岩压力的影响，并对其影响过程及机制进行了相关的分析[8]；赵瑜，李晓红等以龙潭湾隧道为例，对比了多种影响因素对围岩压力的影响，认为浅埋段岩性与埋深是影响该隧道围岩压力分布及大小的主要因素，深埋段岩性、开挖跨度是最主要的影响因素[9]。现阶段，在工程实践中常常由于对变质岩地区隧道围岩压力成因及大小相关研究成果不够详尽，盲目进行支护，从而出现许多工程问题。

针对这一现象，本文以豫西北地区谷竹高速公路变质岩公路隧道项目为依托，在进行区域地质调查及收集相关研究资料的基础上，针对该区域通省隧道所出现的变形情况，分析研究了该变质岩隧道的围岩压力的影响因素，归纳变质岩隧道的变形特征。这对于建设围岩大变形情况的出现，降低施工成本，具有一定的理论与实践意义。

2　工程地质背景

2.1隧道工程区地质概况

通省隧道是位于豫西北高速公路中的一座双洞分修特长隧道(见图1)，该隧道左线总长5 831 m，右线总长5 779 m，两线中轴线相距约20 m，隧道最大埋深约为600 m。隧道内岩层走向与隧道线路大多呈小角度相交，隧道所在十堰市属于侵蚀河谷发育的中高山峡谷地区，段内山脉垂直高差大，山脉海拔高度约在500～200 m，走向与区域构造线方向相近，向NNW向延伸(见图2)。ZK116+885～ZK116+910段围岩为变质片岩，粘土矿物含量较高，岩质较软、节理裂隙发育，支护结构承受的围岩压力较大，在地下水作用下，岩石软化明显，有膨胀崩解现象。

图1　通省隧道初期开挖全貌Figure 1　Early tunnel excavation of tongshen

2.2隧道变形破坏问题

自2009年动工开挖以来，通省隧道多次出现大变形问题。其中以出口段ZK116+885～ZK116+915最具代表性。该段在施做初期支护后，由于高围岩压力的作用，初期支护发生大变形，单周变形量最高达280多mm，该次变形在变形量和变形速度方面均较严重。一周内收敛变形达283.49 mm，最大变形速率为149.35 mm/d。施做初期支护后，初支混凝土剥落，锁脚锚杆被拉断，如图2所示。

(a) 混凝土剥落 (b) 拱架变形开裂

破坏发生时，首先在洞室两侧中部出现轻微裂缝，裂缝宽度从2～5 mm不等，随着掌子面的推进裂缝逐渐加宽，直至发展至整个纵断面，形成大型纵向裂缝。接着发生大规模的初值变形破坏，破坏由两侧的锚喷支护开始，侧墙向内鼓进，出现纵向张裂。在侧墙内挤张裂的同时，拱顶支护在拱顶部位被剪碎。由于顶部逐渐失去的支撑作用，顶部开始大规模的塌方破坏。该变形结果导致隧道局部发生较大规模塌方破坏，其显著过程是当两侧锚喷支护失效，导致顶板发生垮落。

3　隧道数值建模流程

为了模拟和反演通省隧道开挖过程中变质岩体内应力分布情况，本文依托FLAC 3d有限元分析软件，结合该区域变质岩物理力学性质，对其应力变化过程进行了分析。首先，隧道开挖前，岩体中质点处于应力平衡状态；开挖后，平衡状态被打破，隧道周围一定范围内的岩体受卸荷作用的影响应力发生重分布，应力状态发生改变。

3.1模拟思路

隧道开挖后，围岩重分布应力的分布情况受多种因素影响，如岩石物理力学性质、隧道埋深、隧道净距及偏压情况等[10-12]，本章拟研究不同的影响因素与围岩应力分布之间的关系，即在这些影响因素变化时围岩应力的分布规律。因此，在进行数值模拟时，需在保持其他参数不变的情况下来分析模拟某一参数变化时隧道围岩应力的分布情况，如在模拟隧道埋深变化对围岩应力分布的影响时就要保证岩石强度参数、隧道净距、及隧道的偏压情况保持不变(见图3)。

图3　建模流程图Figure 3　Modeling flow diagram

3.2本构模型

数值模型将岩土体视为理想的弹塑性体，其物理力学性质具有均一性，有限元分析过程中的变形破坏准则主要由摩尔库伦破坏准则和Drucker-Prager屈服准则[13，14]。

FLAC 3d中的摩尔库伦模型弹塑性本构关系中的塑性部分，在岩土工程中应用非常广泛，在材料设置界面中，需要指定材料的摩擦角和剪胀角，粘聚力和塑性应变，若不指定塑性应变，软件默认粘聚力保持不变，即为理想线弹塑性模型。摩尔库伦模型的屈服面函数公式为：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(1)

(2)

式中：φ代表材料的摩擦角，(°)；c代表材料的粘聚力，kPa；Rmc用于表示屈服面在π平面的形状，Θ代表极偏角。

由于摩尔库仑本构关系中仅考虑最大主应力和最小主应力与抗剪强度的关系，忽略了中间主应力的影响，其屈服线存在尖角(见图4)，尖角的出现将导致该区域的塑性流动方向不一致，其最终结果会导致软件在计算过程中收敛缓慢或是计算错误[15]。为了规避这一问题，提供扩展了摩尔库仑强度理论，将如下公式作为塑性屈服面的判定方式：

(4)

(5)

式中：c0为材料的初始应力(此时材料没有发生塑性变形)；ψ为材料的剪胀角；Rmw为摩尔库仑模型在π平面的形状，当采用以上塑性破坏准则后保证了摩尔库仑屈服线在π平面的角点区域与屈服面相切。

图4　摩尔库伦模型与不同屈服准则的对比Figure 4　Mohr coulomb model with different yield criterion

本文在模拟过程中，选用摩尔库伦屈服准则为为本构模型，因为其具有以下优点： ①该准则考虑了中间主应力σ2对岩体变形破坏的影响； ②屈服面在空间上为一光滑面，在π平面上为一原因，有利于数值计算； ③该准则考虑静水压力的影响，适用于进行岩土体的分析。

3.3模型假定条件

由于岩土体材料的复杂性，在模拟时不可能考虑所有围岩应力分布的影响因素，因此进行如下假定：

① 分析时，假定模型处于平面应变状态；

② 岩体为均匀、各项同性材料，屈服破坏遵循Drucker-Prager屈服准则；

③ 不考虑隧道开挖工序对二次应力分布的影响；

在模拟时，对模型左右边界施加水平向的位移约束，底部边界施加竖直向的位移约束，上部不施加约束，可自由进行应力调整与变形。

3.4模拟工况的确定

根据通省隧道沿线变质岩隧道大变形段的岩性、埋深、偏压及隧道净距的特点，考虑以下五种工况(见表1)来进行模拟，以期得到在不同影响因素作用下隧道的围岩应力分布特征。

由弹塑性理论可知：圆形硐室施工时，应力重分布发生在隧道周围的一定范围内，这个范围大约为硐室直径的3～5倍。本模型左右边界约为隧道宽度的五倍，模型总长为110 m，上下边界最大高度为60 m，均包含隧道应力重分布的范围，通过有限元软件所建立的隧道数值模型见图5。

表1 模拟工况参数表Table1 SimulatedconditionparameterE/GPaμc/MPaϕ/(°)B/GPaG/GPaγ/(kN·m-2)22.10.32.23021.40.42.13323.00.32.23228.69.0227.0

图5　数值建模分析模型Figure 5　The numerical modeling analysis model

4　隧道围岩变形特征分析

4.1不同埋深下围岩应力分布特征

在地面坡度23°的情况下，保持隧道净距与岩石物理力学参数不变，左洞拱顶埋深由12 m增加至14 m，隧道围岩应力云图如图6所示。

(a) 埋深12 m处围岩应力云图

Figure 6Different embedded depth of tunnel surrounding rock stress distribution nephogram

由上图可以看出：埋深12 m时隧洞底板水平应力约为531.1 kPa，埋深16 m时水平应力约为625.3 kPa，水平应力随埋深加大有所提高，通过模型模拟发现水平应力与埋深呈一定正相关关系。同时，在隧道净距较小情况下，隧道中墙的岩体围岩压应力应力有所提高，约为171.2 kPa，外侧围岩应力约为95.8 kPa，中墙岩体的围岩应力要明显大于外侧，这是由于在隧道开挖后围岩塑性区重叠，使作用在中夹岩上的压力增加，从而增大了中夹岩的围岩应力。

竖向应力与水平应力有着相似的分布规律，随着埋深的增加，竖向应力的分布规律基本不变，仅应力值有所增加，这是由于在浅埋条件下，隧道围岩不能形成自然拱，围岩应力与隧道埋深呈正相关关系，若隧道埋深继续增加，超过可形成自然拱的临界高度，这是隧道的围岩应力反而会随着埋深的增加而减小，其分布规律也与浅埋条件下的分布规律有一定差别。

4.2不同净距下偏压分布特征

中墙在通省隧道施工过程中极为重要的承重部位，左右两个隧洞的开凿过程中，该部位会承受压缩、拉伸、剪切以及扭矩作用，同时还收到上覆岩体的重力荷载。当隧道净距保持为12 m、左洞埋深保持为16 m不变的情况下，偏压角为23°与20°时的应力云图如图7所示。

(a) 偏压角20°时围岩应力云图

(b) 偏压角23°时围岩应力云图

通过分析发现，随着偏压角的变化，隧道右洞处竖向应力状态发生改变，由原先的493.1 kPa提高至591.1 kPa，而左洞附近围岩竖向应力状态基本保持不变。分析其原因，这可能是由于偏压角的改变引起隧道埋深改变的缘故。其次，随着隧道偏压角度的变化，隧道围岩水平应力基本未发生变化，基本保持在550 kPa左右，这说明地面偏压角的改变对水平围岩应力的影响较小。另外，随着偏压角的变化，右洞拱顶一定范围内的竖向应力分布向左偏移了约5 m，这表明偏压角的变化对右洞拱顶竖向应力影响较大，说明偏压角的变化主要随隧道右洞一定范围内的竖向应力分布产生了影响。

5　结论

本文借助数值模拟软件，对不同工况下的隧道围岩应力特征进行了模拟，得出了改变埋深、偏压角、隧道净距时隧道围岩应力的分布规律及特征，主要有以下几点：

① 竖向应力与水平向应力与埋深大致呈线性正相关关系；在不同的埋深条件下，围岩应力的分布规律大致相同，只是在应力的大小上有差别，且随着隧道埋深的增加，隧道围岩应力也增加，反之亦然；水平应力与竖向应力有相似的分布规律。

② 偏压角的变化主要改变隧道右洞一定范围内的围岩应力分布，而左洞周边围岩应力分布状态基本保持不变；偏压对水平应力的影响较小；隧道右洞应力集中区范围随偏压角的增加而增大。

③ 净距的变化对中夹岩部分的围岩应力影响较大，中夹岩应力随净距的增大而明显减小，随净距的减小而明显增大，且水平应力与竖向应力都满足这一规律。

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Research of Metamorphic Rock Area of Tunnel Surrounding Rock Deformation Characteristics in Hubei Province

YU Weiyun1， BAI Lei2

(1.Xinpu Construction Group Co.Ltd.， Zhengzhou， Henan 450012， China；2.Henan Architecture Professional Technology Institute， Zhengzhou， Henan 450000， China)

Metamorphic rock due to structural and regional metamorphism，and its forming process and the special physical and mechanical properties，the tunnel surrounding rock stress is more complicated.In reaction to the phenomenon，this paper typical metamorphic rock tunnel in northwest area as the research object，in the collection and analysis of its geological background，on the basis of using FLAC 3d software to establish the finite element numerical model of the tunnel，simulated under the condition of different buried depth，the metamorphic rock of the tunnel surrounding rock stress distribution characteristics.Research shows that：the metamorphic rock tunnel surrounding rock stress and horizontal to the vertical stress and the buried depth is roughly linear positive correlation；Bias Angle change main tunnel hole right must be within the scope of the surrounding rock stress distribution，stress distribution in surrounding rock and the left hole state basic remain unchanged；Net from the change of the influence on surrounding rock stress of surrounding rock in larger，in the surrounding rock stress along with the increase of net distance decreases obviously.This phenomenon for metamorphic rock tunnel surrounding rock deformation of the prevention and treatment measures in the construction process has certain actual application value.

high stress of surrounding rock； tunnel； deformation

2016 — 05 — 17

国家自然科学基金项目(71301124)

于卫云(1972 — )，女，河南西平人，高级工程师，工程硕士，在读博士，研究方向：建筑与土木工程。

U 456.3+1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0032 — 05