京昆高速晋冀界石家庄段曹家庄小净距隧道失稳演化过程研究

吕学科

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350）

京昆高速晋冀界石家庄段曹家庄小净距隧道失稳演化过程研究

吕学科

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研究节理特征围岩失稳模式和围岩稳定性变化规律，对结构优化设计，以及节理剪切错动、围岩能量耗散变化规律研究都具有重大理论意义。以石家庄至冀晋界曹家庄公路曹家庄小净距隧道为研究背景依托，采用离散元模型，模拟节理岩体条件下小净距隧道的失稳模式、锚杆加固效果，施工中采用上述加固措施取得较好的效果。

小净距隧道 稳定性 离散元 数值计算

1 概述

图1 京昆高速晋冀界曹家庄小净距隧道施工图

节理特征围岩失稳模式和稳定性控制技术是高速公路小净距隧道修建过程中的关键科学问题，一直是工程界和学术界关注的焦点。在偏压条件下，节理剪切滑移破坏和中夹岩柱的能量耗散，给施工安全带来风险和隐患。本文是针对高速公路小净距隧道的失稳演化过程进行技术研究，结合已经顺利完成施工的京昆高速公路晋冀界石家庄段曹家庄浅埋、偏压、小净距隧道，研究具有节理特征的小近距稳定性演化过程中的节理面错动，对施工顺序进行有效合理的优化，曹家庄小净距隧道施工图如图1所示。

2 节理岩体小净距隧道失稳演化过程中非连续变形分析方法

对于岩质边坡工程的研究，其目的就是要对边坡的稳定性进行评判，以确定其是否稳定，并根据评判结果来判定是否要对其采取加固等措施，并根据工程岩体的实际工程地质条件确定采用具体措施。非连续变形分析方法是一种实用的数值模拟分析方法，主要用于分析岩土工程中的不连续介质。该方法是以极限平衡法、有限元法及离散元法为基础而发展成的一种数值分析方法。非连续变形分析方法充分考虑了岩体的复杂性，将结构整体用节理线段切割成离散块体，以总是能最小化建立平衡方程，将动力学和静力学统一起来，严格遵守运动学理论和平衡假定。

非连续变形分析方法将位移作为未知数，求解平衡方程式时与有限元中结构矩阵分析方法相同。其对非连续变形的分析严格遵守经典力学规则，对各个块体，允许有位移、变形和应变。它求解的是有限元类型的网格，但所计算的各个单元是被不连续缝所包围的隔离块体。在块体的几何形状、荷载及各种材料参数和摩擦指标已知的情况下，程序即可自动计算其应力、应变、滑动和块体位移。

非连续变形分析方法的大位移和大变形是由在计算各个分步小位移和小变形以后，将其累加所形成的。在计算时，结构中所有点在每一时步中的位移都很小，各个点的位移函数可表示为：

块体一般变形计算时，设每一块体有常应力和常应变，块体的任意一点（x,y）的位移（u,v）可用六个位移不等式变量表示，见公式（1）。

其中，（u0,v0）是块体内特殊点（x0,y0）的刚体位移；角r0是块体绕转动中心（u0,v0）的转动角，用弧度表示；xε，yε，γxy是块体的法向应变和切向应变。点（x,y）的总位移（u,v）包括所有变量（u0v0r0xεyε γxy）的位移累加。

各个块体的移动和变形是由给定的位移函数确定的。对弹性应力、点荷载、初始应力和惯性力的总势能公式进行推导。计算每项势能对位移变量的导函数，其相应的子矩阵是分开形成的。再把各项子矩阵加到总体方程矩阵中，建立联立方程。

3 节理岩体小净距隧道稳定性数值分析与锚杆加固控制

3.1 数值力学模型

曹家庄小净距隧道轴线走向为近南北向，地形起伏较大，采用大型结构离散元分析软件，在充分调研隧址区围岩地质结构的基础上，建立离散元节理模型，如图2所示。模型上边界取至地表，两侧边界至隧道中心线距离为50 m，底部边界至隧道轨顶距离为18 m。

在隧道现场勘查的基础上，结合现行公路隧道设计规范，岩块、节理面的物理力学参数如表1、表2所示，岩块为摩尔库伦理想弹塑性本构模型，节理面为滑动模型。

表1 岩块物理力学参数

表2 节理物理力学参数

图2 离散元计算模型

按照实际的施工顺序，进行开挖如图3（a）所示；在进行数值模拟过程中，小净距隧道变形监测点如图3（b）所示，主要监测部位为：拱顶、左右拱肩和中夹岩柱。

图3 小净距隧道开挖顺序与变形监测点

3.2 小净距隧道非连续变形

图4 小净距隧道节理张开、剪切滑移

由于隧道跨度较大（达到17.5m）、岩体结构面较弱，极易发生隧道塌方和失稳，施工完成后，在无支护条件下，小净距隧道岩块非连续变形如图4所示。

隧道开挖，洞周围岩会沿节理面剪切滑移、张开，从而演化为隧道的失稳。从图4中可以看出：隧道开挖后，整个洞周都有围岩失稳的现象。先行洞围岩非连续变形如图4（a）所示，深埋侧的左拱肩发生岩体脱落，右拱肩发生剪切滑移，值得注意的是：边坡节理发生明显的张开现象，即隧道的施工对边坡稳定性造成了严重安全隐患，施工过程中，应连续监测边坡的变形。中夹岩柱的变形如图4 （b）所示，在地形偏压的作用下，岩块整体向右侧（浅埋侧）变形，也有个别岩块顺节理面发生滑移，从而造成节理面的张开；另外，在中夹岩柱的上部，节理发生错动现象，给中夹岩柱的稳定性带来潜在的失稳风险。后行洞稳定性相对较差，如图4(c)所示，左拱肩出现明显的剪切滑移现象，节理面张开，沿节理面方向坍塌。由于边坡较陡，后行洞成为整个隧道的关键控制部位，施工监测应该进行重点关注该处变形，以确保整个开挖过程的稳定性。

3.3 隧道锚杆加固效果

从以上分析可以看出，未加固小净距隧道会有失稳的可能性，因此本节研究锚杆的控制效果，锚杆沿洞周布置如图5所示。其中，中夹岩柱采用对拉锚杆。隧道每一部分开挖后，立刻进行该部位锚杆的支护；然后再依次进行下一部分开挖和支护。

图5 小净距隧道锚杆布置图

3.4 隧道总体变形

隧道采用锚杆支护加固后，周边节理岩体变形如图6所示。

图6 锚杆加固后小净距隧道变形特性

从图6看出，锚杆支护后隧道稳定性得到大幅度提高，有利于小净距隧道整体结构稳定。拱部个别地方出现脱落、掉块的现象，中夹岩柱也呈现整体协调变形的趋势。从整体看锚杆发挥“销钉”加固效果，把围岩串联在一起，增加了层间摩阻力，整个围岩没有出现明显的岩块剪切、滑移和张开的趋势。锚杆相当于增加了围岩节理面的剪切刚度，控制岩块之间的相对位移，从而提高整体围岩稳定性。

隧道开挖引起的岩块的弹性动能、能量耗散如图7所示。

图7 失稳过程能量变化

从图7看出，弹射动能在开挖的瞬间急剧增大，随后减小。也就是说，开始的瞬间，围岩稳定性较差。

4 结语

本文以石家庄至冀晋界曹家庄公路曹家庄小净距隧道为研究背景依托，采用离散元模型，模拟节理岩体条件下小净距隧道的失稳模式、锚杆加固效果，得出如下结论：

（1）节理面相对岩块来说参数要低得多，应力沿节理方向得到释放，从根本上改变了围岩应力分布，与连续介质数值模拟得到应力区别很多，节理面剪切滑移是小净距隧道失稳的主要原因

（2）隧道的开挖，洞周岩块会沿结构面剪切滑移、张开，从而演化为隧道失稳。高边坡条件下，深埋侧隧道对整个小净距隧道稳定性的关键和控制作用，施工中应该重点监测。在节理岩体中，锚杆充分发挥“锚钉”和“悬吊”效果，增大节理面的摩阻力和剪切刚度，有效地控制节理面剪切滑移、张开，进而提高整体围岩稳定性。

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[4]刘明高等.小净距隧道建设的关键技术及其应用研究[J].地下空间与工程学报,2005(12)

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On Instability Evolution Process in Caojiazhuang Small Spacing Tunnel at Shijiazhuang Section at the Border of Hebei and Shanxi on Beijing–Kunming Expressway

LV Xue-ke
(No.4 Engineering Company of China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd Tianjin 300350 China)

It is theoretically significant to have research on the instability mode of jointed rock mass and the variation law of surrounding rock stability, which is good for structure optimization design and the variation law of energy dissipation in the joint shear dislocation of surrounding rocks. Based on the Small Spacing Tunnel at Caojiazhuang of Shijiazhuang Section of Beijing–Kunming Expressway at the Border of Hebei and Shanxi, the construction applies discrete element model, simulates the instability mode and the reinforcement effect of the small spacing tunnel under the condition of jointed rock mass, and adopts the above-mentioned reinforcement measures which achieves good results.

small spacing tunnel stability discrete element numerical calculation

A

1673-1816(2016)04-0001-07

2016-02-27

吕学科（1982-），河北石家庄人，学士，工程师，研究方向施工技术及施工管理。