地表倾角对节理岩体隧道围岩塑性区影响研究★

詹 亮 毕全超 赵 岩 高 典

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



地表倾角对节理岩体隧道围岩塑性区影响研究★

詹 亮 毕全超 赵 岩 高 典

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

取浅埋偏压隧道作为研究对象，通过FLAC3D有限差分元软件，研究了地表倾角在0°，10°，20°，30°和40°五种工况下，对节理岩体隧道围岩塑性区的影响，结果表明：随着地表倾角的增大，隧道围岩塑性区的范围和围岩拱顶的沉降量也随之增大；当地表倾角小于30°时，围岩拱顶的沉降量与地表倾角之间成线性关系。

节理隧道，围岩，地表倾角，FLAC3D

0 引言

节理的存在，对于隧道围岩的稳定性有着很大的影响。目前，已有许多学者对此有过研究，如孟国涛等[1]对含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数进行了研究，完成了由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程；刘君等[2]对节理岩体隧道的开挖和支护过程进行了数值模拟研究，研究结果表明节理倾角对隧道围岩有着直接的影响；贾蓬等[3]用数值模拟的方法研究了具有不同倾角的层状结构面岩体隧道的稳定性，研究结果表明随着结构面倾角的增大，隧道周边应力分布的非对称性逐渐增强；周小平等[4]对节理岩体隧道滑动区进行了研究，获得了节理岩体圆形隧道滑动区和支护应力封闭形式的理论解，并在文中给出了算例；张志强等[5]对于节理岩体隧道围岩稳定性的判定指标合理性进行了研究，并且以兰渝铁路木寨岭隧道为例，验证了该指标的可靠性、合理性和现实性；赵作富等[6]则研究了岩层倾角和隧道走向间关系对大断面隧道围岩稳定性的影响；赵永等[7]则基于遍布节理模型，分析了深埋巷道的稳定性。

国内外现有的大量工程实践也表明，节理的存在对于隧道稳定性影响很大。含有节理岩体的隧道并不是一开始就会发生失稳破坏，而是当开挖面附近荷载发生变化时，这一变化在导致开挖面附近应力重分布的同时，还会使隧道围岩中的节理面不断的发生变化，甚至有可能会发展成宏观断裂现象从而导致节理岩体隧道发生失稳破坏。例如，意大利瓦伊昂大坝的边坡塌滑、中国长江三峡链子崖的新滩滑坡等等事故都与此有着密切的关系。本文基于此，通过利用FLAC3D有限差分元软件里面的遍布节理模型，着重研究了地表倾角的变化对于节理岩体隧道围岩稳定性的影响，以期为同种工况条件下的隧道开挖提供理论参考。

1 偏压对于隧道围岩塑性区的影响

1.1 遍布节理模型

遍布节理模型是在摩尔—库仑模型的基础上扩展而来的，即在摩尔—库仑体中添加节理面，此节理面也服从摩尔—库仑屈服准则。该模型同时考虑了岩体和节理的物理力学属性，破坏可能首先出现在岩体中或者是沿着节理面发生，又或者是岩体和节理面同时破坏，这主要取决于岩体的应力状态、节理的产状、岩体及节理的力学性质等因素。

1.2 偏压对隧道围岩塑性区的影响

利用ANSYS有限元软件建立隧道模型并划分好网格，然后再导入到FLAC3D有限差分元软件中进行分析计算。本文所建立的隧道模型为地形偏压隧道模型，地表倾角分别为0°，10°，20°，30°和40°五种工况，隧道围岩中的初始应力场为自重应力场，根据以上模型，建立了节理倾角为30°这一计算工况，隧道模型的下边界约束了其竖向位移，左右和前后边界约束了其相应的水平方向位移。围岩材料和节理参数见表1。

表1 围岩及支护物理力学参数

如图1所示，图中a)，b)，c)，d)和e)分别展示了地表倾角为0°，10°，20°，30°和40°这五种工况下偏压节理隧道模型围岩的塑性区变化情况。从图1可以看出，当地表倾角为0°时，节理隧道围岩的塑性区集中在围岩附近，最易发生破坏的位于围岩的拱顶和拱底部分；随着地表偏压角度的增大，当地表倾角达到10°时，节理隧道围岩的塑性区较0°时的围岩塑性区范围变化不大，但是塑性区有沿着左拱腰和右拱脚继续发展的趋势；当地表倾角达到20°时，虽然节理围岩的拱顶和拱脚处于受拉状态，依然是最易发生破坏的部分，但是此时围岩的左拱腰和右拱脚的小部分范围内也出现了拉应力，同样有可能提前发生破坏；地表倾角继续增加，如图1d)所示，左拱腰和右拱脚的大部分范围内出现了拉应力，这也就表明偏压对于隧道围岩的塑性区的影响越来越明显，节理隧道围岩的最易破坏位置开始由拱顶和拱底向左拱腰和右拱脚部分转移；如图1e)所示，当地表倾角达到40°，节理隧道围岩的塑性区继续沿着右拱脚和左拱腰部分发展，并且在隧道模型的左边界一小部分区域以内出现了剪应力。

通过上述分析可知，在节理岩体隧道施工过程中，当不存在偏压时，节理岩体隧道最易发生破坏的部位位于拱顶和拱底部分，为了避免隧道事故的发生，需要对隧道围岩的拱顶和拱底部分进行提前支护；而当偏压存在时，处于偏压状态的隧道更加的危险，要重视对隧道围岩的支护和监测。

2 偏压节理隧道围岩位移分析

在地表倾角变化的过程中，通过FLAC3D软件监测了隧道围岩拱顶的竖向位移，得到了节理隧道围岩垂直方向的位移数据，见表2。

表2 节理岩体拱顶竖向位移表

从表2中可以看出，当地表倾角为0°时，节理岩体隧道围岩拱顶的竖向位移为2.01 mm，当地表倾角为10°时，隧道围岩拱顶的竖向位移为2.02 mm，与地表倾角为0°时拱顶的竖向位移相差不大。随着地表倾角的增大，当地表倾角增大到20°时，节理岩体隧道围岩的拱顶竖向位移为2.04 mm，与0°时的围岩拱顶竖向位移相比较，其增大的幅度为1.5%；随着地表倾角的继续增加，当地表倾角增大到30°和40°，隧道围岩拱顶竖向位移分别为2.06 mm和2.61 mm，与0°时的围岩拱顶竖向位移相比较，其增大的幅度分别为2.5%和29.9%。

将表2中的数据绘制成曲线图，见图2。

从图2中可以看出，随着地表倾角的增大，节理岩体隧道围岩拱顶的竖向位移也逐渐增大，当地表倾角小于30°时，围岩拱顶的竖向位移与地表倾角近似成正线性关系，其数学拟合关系如下：

dz=0.001 7α+2.007(R2=0.89)

(1)

其中，dz为节理岩体隧道拱顶的竖向位移；α为地表倾角。

当地表倾角大于30°后，随着倾角的增大，围岩拱顶的竖向位移急剧增大，隧道处于极其不利的状态，也就是说，在隧道施工过程中，当偏压隧道的地表倾角过大时，对隧道围岩监测和支护等措施都应该增强。

3 结论

本文基于FLAC3D有限差分元数值模拟软件，研究了地表倾角对节理岩体隧道围岩塑性区和围岩拱顶竖向位移的影响，得到结论如下：

1)随着地表倾角的增大，节理岩体隧道围岩的塑性区由拱顶和拱底逐渐向拱腰和拱脚部分转移；

2)地表倾角在40°时，节理岩体隧道随着开挖程度的加深，在隧道模型的左边界部分区域内出现了剪应力；

3)节理岩体隧道围岩的拱顶位移与地表的倾角近似的成线性关系，其中地表倾角在0°和10°时的拱顶位移相差不大，而20°，30°和40°时的隧道围岩拱顶位移较0°时的拱顶位移，其增长的幅度分别为1.5%，2.5%和29.9%。

[1] 孟国涛,方 丹,李良权,等.含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理[J].岩石力学与工程学报,2013,32(10):2115-2121.

[2] 刘 君,孔宪京.节理岩体中隧道开挖与支护的数值模拟[J].岩土力学,2007,28(2):321-326.

[3] 贾 蓬,唐春安,杨天鸿,等.具有不同倾角层状结构面岩体中隧道稳定性数值分析[J].东北大学学报(自然科学版)，2006,27(11)：1275-1278.

[4] 周小平,张永兴,王建华.节理岩体圆形隧道滑动区的研究[J].岩土力学,2004,25(S):139-143.

[5] 张志强,何本国,关宝树.节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究[J].现代隧道技术,2011,49(1)：92-93.

[6] 赵作富,陈 建,胡国军,等.岩层倾角与隧道走向间关系对大断面隧道围岩稳定性的影响[J].公路与汽运,2014(5):190-194.

[7] 赵 永,杨天鸿.基于遍布节理模型的深埋巷道稳定性分析[J].金属矿山,2016(5):36-41.

The influence research on surface inclination angle to jointed rock tunnel surrounding rock plastic zone★

Zhan Liang Bi Quanchao Zhao Yan Gao Dian

(HebeiArchitectureandEngineeringInstitute,Zhangjiakou075000,China)

This article chooses the shallow bias tunnel as the research object, through FLAC3D finite difference software, studied the surface inclination at 0°, 10°, 20°, 30°and 40°, the five conditions which influence plastic zone of the surrounding rock for joint rock tunnel. The results show that： the increasing of the surface angle, the increasing of surrounding rock plastic zone and the vault settlement of surrounding rock, when local table angle is less than 30°, the vault settlement of surrounding rock have a linear relationship with the surface inclination.

joint tunnel, surounding rock, surface inclination, FLAC3D

1009-6825(2017)09-0147-03

2017-01-15★：河北建筑工程学院研究生创新基金项目(编号：XB201610)

詹 亮(1990- )，男，在读硕士； 毕全超(1981- )，男，硕士生导师，副教授; 赵 岩(1992- )，男，在读硕士； 高 典(1991- )，男，在读硕士

U451.2

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