不同倾角和层厚的层状围岩隧道稳定性数值分析*

2018-07-06 11:52邓祥辉赵志清卢泽霖

西安工业大学学报 2018年3期

邓祥辉，赵志清，王睿，卢泽霖

(西安工业大学建筑工程学院，西安 710021)

层状岩体是世界上分布较为广泛的一种岩体.据分析，自然界中具有层状结构的沉积岩体约占陆地面积的66%，而我国占到了77%[1].因此，在地下工程中会经常遇到不同地质构造的层状岩体.工程实践表明，在这些不同地质构造的层状岩体中开挖洞室后，常常会出现顺层滑移，弯曲变形，弯折破坏，甚至是局部坍塌等工程问题[2-4].

在隧道工程中，由于层状节理面和结构面倾角的影响，隧道开挖后容易出现局部掉块、岩体顺层滑移、弯曲变形以及弯折破坏等工程问题.因此，许多学者针对不同倾角和层厚的层状岩体开展了广泛的研究.文献[5]采用岩石破裂过程分析软件RFPA，针对不同倾角层状软弱结构面，分析了隧道开挖后的变形破坏特征，认为结构面倾角增大对边墙的受力有不利影响；文献[6]采用数值模拟的方法，研究了不同倾角层岩隧道锚杆支护力，得出倾角在25°～65°范围内，锚杆轴力随岩层倾角的增大而增大的趋势明显；文献[7]研究了水平薄层岩体大跨度地下洞室的稳定性；文献[8]总结了薄层状煤岩巷道的不均匀破坏特征，提出了以锚杆、锚索和注浆等主动支护为主体的整体式封闭支护方式；文献[9]针对软岩厚煤层，进行了三维相似模拟试验，分析了开采覆岩破坏特征，认为在未充分采动前覆岩裂隙带范围总体趋势是按“梯形”的方式向上向前扩展的.

目前，对层状围岩隧道稳定性的研究[10-12]，大多数学者采用有限元计算软件进行模拟[13-14]，而且主要是对单因素进行分析，很难反映层状围岩隧道围岩变形、稳定性以及破坏的特征.因此，文中拟在考虑层状岩体结构面的不同倾角和不同层厚的情况下，通过离散元软件模拟层状围岩隧道变形和失稳的过程和特征.

1 数值模型及参数选取

1.1 计算模型及边界条件

采用离散元分析软件UDEC进行数值模拟，分析模型不考虑设置支护措施，仅分析开挖后毛洞的稳定状态.隧道开挖断面定为直墙半圆拱形，隧道采用全断面的开挖方式.

根据弹性力学中的圣维南原理，隧道开挖施工以后，相应的应力重分布只发生在靠近洞室的一定范围内，根据目前的研究[15]，当隧道开挖范围超过5倍洞径，可认为开挖对围岩影响较小.因此，建模时模型尺寸取水平方向为5倍洞跨距离；在竖直方向上，可根据工程实际情况进行取值.同时为了减少计算单元的数量，简化计算，建模时将部分厚度的地层进行建模，而其余部分的地层换算成等效荷载加载在模型上部.位移边界条件：下部边界为固定边界，X、Y向位移为零，左右方向上施加水平约束，X向位移为零.文中建立的力学模型是平面应变模型，为了不使模型发生垂直于平面方向的位移，给模型施加前后方向的应力σzz.

1.2 岩体及结构面参数

在层状围岩中，由于岩层为沉积岩，一般在工程中经常会遇到，这样的岩层以泥岩、砂岩居多，因此文中研究模拟计算的对象为砂岩.根据《公路隧道设计规范》(JTG D70/2-2014)和《工程地质手册》(第四版)，对砂岩的相关物理力学参数进行取值，模拟分析的参数见表1和表2.

表1 岩体力学参数取值

在数值模拟计算中，需要确定岩体的体积模量K和剪切模量G，计算公式分别为

K=E/3(1-2μ)

(1)

G=E/2(1+μ)

(2)

根据表1中的砂岩的弹性模量E和泊松比μ，可得到参数K为5.6×109Pa，G为4.2×109Pa.

表2 结构面力学参数取值

1.3 计算工况

由于岩层倾角和层厚是层状围岩自稳性重要的影响因素[16]，因此，分别对岩层倾角和层厚进行假定.从自然界中的层岩倾角来看，各种倾角都有，为使研究不失一般性，岩层倾角分别假定为0°、15° 、30°、45°、60°、75° 和90°.根据目前层状岩体层厚的分类，分别取层厚为1.20 m、0.75 m、0.30 m和0.10 m代表巨厚层、厚层、中厚层和薄层.考虑到公路隧道单向双车道的情况比较多，计算开挖跨度取12.0 m.因此，针对层状围岩不同倾角和层厚的情况，共需建立28(7×4)种模型.典型计算模型如图1所示.

图1 计算模型

2 数值模拟结果分析

对上述建立的28种模型进行分析，经过循环迭代运算，得到计算结果.为了使计算效果更好，将计算结果通过后处理软件TECPLOT进行处理.

2.1 位移分析

2.1.1 竖向位移分析

根据前面的分析，分别对岩层倾角0°、15° 、30°、45°、60°、75° 和90°以及厚度0.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的情况进行数值模拟，模拟得到的28种工况的最大竖向位移计算结果如图2所示.

图2 不同倾角对应的最大竖向位移

从图2可见，当结构面倾角在0°～30°之间时，层状围岩隧道围岩竖向位移随着结构面倾角的增大而逐渐增大；倾角在30°时，层状围岩隧道围岩竖向位移出现最大值，最大值为9.9 cm；当结构面倾角在30°～90°之间时，层状围岩隧道围岩竖向位移随着结构面倾角的增大而逐渐减小；而当结构面倾角为90°时，层状围岩隧道围岩最大竖向位移减小到1.2 cm.因此，层状围岩隧道围岩的竖向位移随着结构面倾角的增大表现为先增大后减小的规律.同时，岩层层厚与围岩竖向位移也表现出较强的相关性.当岩层层厚为0.10 m时，隧道开挖后围岩最大竖向位移为9.9 cm；当岩层层厚为0.30 m时，隧道开挖后围岩最大竖向位移为8.4 cm；当岩层层厚为0.75 m时，隧道开挖后围岩最大竖向位移为6.8 cm；当岩层层厚为1.20 m时，隧道开挖后围岩最大竖向位移仅为5.0 cm，是0.10 m层厚围岩最大竖向位移值的50.5%.因此，随着岩层层厚的增加，隧道开挖后围岩的竖向位移出现逐渐减小的规律.从计算过程看，不同倾角的岩层，最大竖向位移的位置也表现出一定的规律性.为体现不同倾角竖向位移的变化，本文以0.30 m的岩层层厚，0°、30°、90°的岩层倾角进行说明.不同倾角竖向位移云图如图3所示.

由图3可知，随着结构面倾角的增大，竖向位移云图中有离层现象出现，当结构面倾角为30°时，离层现象较明显，且这些离层的倾斜方向与结构面的倾角方向大体一致；当结构面倾角为0°和90°时，最大竖向位移发生在拱顶处，且岩体竖向位移云图呈对称性分布；当结构面倾角为30°时，最大竖向位移发生在拱腰处，且岩体竖向位移云图呈非对称性分布.

图3 不同倾角层状围岩隧道的竖向位移图

2.1.2 水平位移分析

水平位移数值模拟的工况同竖向位移的相同，模拟得到的28种工况的最大水平位移计算结果如图4所示.

图4 不同倾角对应的最大水平位移

从图4可见，当结构面倾角在0°～45°之间时，层状围岩隧道围岩水平位移随着结构面倾角的增大而逐渐增大；倾角在45°时，层状围岩隧道围岩水平位移达到最大，最大值为11.4 cm；当结构面倾角在45°～90°之间时，层状围岩隧道围岩水平位移随着结构面倾角的增大而逐渐减小；而当结构面倾角为90°时，层状围岩隧道围岩最大水平位移减小到1.8 cm.因此，层状围岩隧道围岩水平位移随着结构面倾角的增大表现为先增大后减小的规律.同时，岩层层厚与围岩水平位移也表现出一定的相关性.对于0.10 m、0.30 m和0.75 m的岩层，当结构面倾角大致在15°～90°之间时，层状围岩隧道围岩水平位移随着岩层层厚的增加而逐渐减小；对于0.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的岩层，当结构面倾角大致在60°～90°之间时，层状围岩隧道围岩水平位移随着岩层层厚的增加而逐渐减小.因此，随着岩层层厚的增加，层状围岩隧道围岩水平位移大致表现为逐渐减小的规律.

与竖向位移同样，从计算过程看，不同倾角的岩层，最大水平位移的位置也表现出一定的规律性.为体现不同倾角水平位移的变化，以0.30 m的岩层层厚，0°、45°、90°的岩层倾角进行说明.不同倾角水平位移云图如图5所示.

图5 不同倾角层状围岩隧道的水平位移图

由图5可知,当结构面倾角为0°时，最大水平位移出现在左右拱腰处，且最大水平位移云图呈对称性分布；当结构面倾角为45°时，左拱腰和右边墙的水平位移都很大，但是最大水平位移出现在左拱腰处；当结构面倾角为90°时，最大水平位移出现在左右边墙处.

2.2 最大主应力分析

在层状围岩中开挖隧道时，随着结构面倾角和层厚的变化，隧道周围应力场对其稳定性也会产生一定的影响.因此，针对倾角分别为0°、15° 、30°、45°、60°、75°和90°以及厚度分别为0.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的情况进行数值模拟，模拟得到的28种工况的最大主应力计算结果,如图6所示.

图6 不同倾角对应的最大主应力

从图6可见，当结构面倾角在0°～45°时，层状围岩隧道所受到的最大主应力随着结构面倾角的增大而逐渐增大；倾角为45°时，层状围岩隧道所受到的主应力达到最大，最大值为22.0 MPa；当结构面倾角在45°～90°时，层状围岩隧道所受到的最大主应力随着结构面倾角的增大而逐渐减小；而当结构面倾角为90°时，层状围岩隧道所受到的最大主应力减小到6.5 MPa；因此，层状围岩隧道所受到的最大主应力随着结构面倾角的增大表现为先增大后减小的规律.同时，岩层层厚与层状围岩隧道所受到的最大主应力也表现出一定的相关性.当岩层层厚为0.10 m时，层状围岩隧道所受到的主应力最大值为22.0 MPa；当岩层层厚为0.30 m时，层状围岩隧道所受到的主应力最大值为19.4 MPa；当岩层层厚为0.75 m时，层状围岩隧道所受到的主应力最大值为10.3 MPa；当岩层层厚为1.20 m时，层状围岩隧道所受到的主应力最大值为8.3 MPa，与层厚为0.10 m的岩层相比，减小了2.6倍多.由于在倾角小范围内，出现了微小的离散性，因此，层状围岩隧道所受到的最大主应力随着岩层层厚的增加表现为大致在逐渐减小的规律.同时，对于0.10 m、0.30 m的岩层层厚，倾角大致在30°～75°时，层状围岩隧道所受到的最大主应力的变化速率较快.

从计算过程看，不同倾角的岩层，最大主应力的云图形态也表现出一定的规律性.文中以0.1 m的层厚，0°、45°和90°的岩层倾角进行说明.不同倾角最大主应力云图如图7所示.

由图7可知，当结构面倾角为0°和90°时，岩体最大主应力云图呈对称性分布；当结构面倾角为45°时，岩体最大主应力云图呈非对称性分布，且会出现偏压现象.

图7 不同倾角层状围岩隧道的最大主应力图

3 结论

由于层状围岩隧道在开挖后围岩稳定性与层状岩体的层厚、倾角等参数密切相关，对岩层倾角分别为0°、15° 、30°、45°、60°、75°和90°，层厚分别为0.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的情况，采用离散元软件进行数值模拟，并分析了不同倾角和厚度对围岩竖向位移、水平位移以及最大主应力的影响，主要结论为

1) 在相同层厚和开挖跨度的条件下，层状围岩隧道围岩竖向位移随着结构面倾角的增大表现为先增大后减小的规律，当结构面倾角为30°时，层状围岩隧道围岩竖向位移最大，最大值为9.9 cm.在相同倾角和开挖跨度的条件下，随着岩层层厚的增加，围岩竖向位移逐渐在减小.

2) 在相同层厚和开挖跨度的条件下，层状围岩隧道围岩水平位移随着结构面倾角的增大表现为先增大后减小的规律，当结构面倾角为45°时，层状围岩隧道围岩水平位移最大，最大值为11.4 cm；在相同倾角和开挖跨度的条件下，随着岩层层厚的增加，围岩水平位移大致在逐渐减小.

3) 在相同层厚和开挖跨度的条件下，层状围岩隧道所受到的最大主应力随着结构面倾角的增大表现为先增大后减小的规律，倾角为45°时，层状围岩隧道所受到的主应力最大，最大值为22.0 MPa；在相同倾角和开挖跨度的条件下，层状围岩隧道所受到的最大主应力随着岩层层厚的增加而大致在逐渐减小.

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