层状岩质边坡成洞过程中围岩变形及力学特征研究

陈俊栋，葛修润，宋丹青，蔡建华

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030；2.中铁科学研究院有限公司， 四川 成都 611731； 3.中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731)

在我国基建高速发展的过程中，边坡稳定性越来越成为影响工程安全运营的作用因素[1-2]。自新奥法提出以来，在世界范围内地下工程建设中得到了广泛应用，成为现代隧道技术发展的重要标志[3]。随着我国公路、铁路建设规模不断加大，越来越多的长大深埋隧道出现，层状岩质边坡围岩隧道支护体系的设计和施工逐渐成为隧道建设中的难题，特别是隧道的进出口的边坡稳定性是决定隧道工程建设成败的关键问题[4]。

近年来，许多学者对边坡开挖变形机制做了大量研究并取得了较多的研究成果。Tommasi等[5]采用GPR方法结合地质调查，分析了缓倾角顺层岩质边坡围岩的屈曲规律，并利用数值模拟研究了边坡围岩屈曲机制，研究表明，围岩屈曲变形的主要原因是地下水压力。Najib等[6]针对岩质边坡开挖的弹性变形，利用二维有限元方法分析了泊松比、坡度及开挖进度对弹性变形的影响。Nie等[7]结合某大型水利水电工程，对不同荷载条件下，严重切削谷岩质边坡围岩开挖变形做了系统研究，并利用数值分析方法对不同施工条件下边坡围岩的变形规律进行了分析。唐红梅等[8]采用室内模型试验研究了巫山至无锡公路岩体开挖过程中边坡位移和应力的变化。王宇等[9]结合某高速公路一桥墩承台开挖边坡，分析了岩层厚度、岩层倾角、地震作用及地下水渗流等对边坡围岩变形的影响。刘小丽等[10]利用有限元应力边坡围岩稳定性分析方法，对二阶阶梯型均质边坡围岩开挖进行了分析，结果表明考虑开挖作用及不考虑开挖作用的不同工况下，边坡的稳定性及其对边坡强扰动区的分布规律，并且比较了其潜在滑动面特征。成层状岩质边坡围岩是分布最为广泛、也是众多学者关注、出现问题最多的一类岩质边坡，也是工程建设危害最大的一类边坡[11-14]。目前，针对边坡开挖变形机制的研究较多，但是，由于软弱结构面的存在使岩质边坡的变形特征变得更加复杂，尤其是含有多层软弱结构面的层状岩质边坡，因此针对层状岩质边坡的开挖变形及力学特征的研究还需进一步研究，这种研究将会对隧道开挖过程中地质灾害的防治有着重要的意义。

本文以某隧道进出口处含顺向软弱结构面岩质边坡为例，采用全断面开挖方法进行隧道开挖，结合ANSYS有限元软件工具对开挖边坡围岩建模，研究了边坡开挖前后的围岩变形及其力学特征。此外，通过对比分析最接近真实地应力释放率之后，采取支护前后的位移及力学特征，研究了最接近真实地应力释放率之后的支护效果。

1 工程概况

该工程区的大地构造单元为长江三角洲褶皱带中的景潭斑块褶皱束，由前震旦系变质岩组成。隧道的边坡坡度陡，地形陡峭。隧道位于地形的陡峭交交汇处。边坡围岩发育一组外部斜坡接头，在外部接缝面应力进行了重新分布并伴随着剪切位移及卸荷裂缝。边坡围岩地貌照片见图1。边坡围岩有一组外倾节理发育，沿节理面发生了应力剪切错动，并伴着应力重分布及卸荷裂隙。边坡主要软弱结构面发育照片见图2。隧道设计的本段围岩等级为Ⅴ级，支护类型为锚网喷护加钢拱架，断面结构类型为半明半暗，开挖方式为全断面，见图3。

图1 岩质边坡地貌图

图2 边坡开挖断面图

图3隧道开挖施工图

2 数值计算分析

2.1 边坡围岩成洞的有限元模拟

隧道成洞开挖时，岩体的原有平衡被打破，在地应力的作用下，围岩质点将向一定方向移动，即沿最短距离向消除阻力的自由表面，这就造成了围岩内应力重分布，形成“二次应力场”[15]。可以采用地应力自动释放法和反转应力释放法对这种应力重分布进行模拟[16]。地应力自动释理论认为：隧道开挖会导致开挖围岩的应力分布不平衡，为获得新的应力平衡，在应力场的作用下，岩体会产生相应的形变，应力平衡后的应力场与开挖前相比后产生较大的变化。从工程实际应用的经验来看，这种理论比较符合实际情况，应力的发展过程更合理，此外，在模型受力分析时，这种方法不用输入释放载荷，其实现过程更为方便[17]。

为了真实的模拟实际工况，如果把岩体的变形当作线弹性或弹塑性问题，并建模型进行隧道受力分析时，通常采用应力逐步释放来模拟隧道成洞及支护的效应。隧道施工过程的模拟采用“虚拟支撑力逐步释放法”可以实现连续进行，分析过程变得更容易实现，而这种处理与实现工况也更加符合。本文以ANSYS为工具，采用上述方法，对隧道开控施工过程进行了模拟。在“地应力自动释放法”的基础上“虚拟支撑力逐步释放法”，从而分为4个阶段模拟了围岩的卸荷过程，见图4。(a)阶段是初始地应力状态，(b)阶段，边坡开挖引起边界上的节点的释放荷载f1i=a1fi。在边坡围岩中去除隧道单元时，在边界围岩相应节上点施加虚拟支撑力p1i=(1-a1)(-fi)，从而生成荷载边界条件，并进行下一步计算，并得到开挖过程中围岩的位移和应力场；(c)阶段，支护结构施受力后，释放了部分节点荷载f2i=a2fi，此时需将支撑力减小至p2i=(1-a1-a2)(-fi)，并进行下一步计算，就可以得到支护结构受力的状态；(d)阶段，二衬结构承受力后，结点力得到释放，此时去掉支撑力，并进行计算。其中，a1、a2、a3为各阶段的地应力释放率。

2.2 隧道模型建立及参数选取

为了进一步贴合实际工况，模型做了如下假定：岩体为各向同性体，所产生的变形为小变形，其变形值在弹性范围内，假设为平面应变问题，所施加的支护结构有拱架，喷射混凝土和管棚。

在模型建立过程中，各构件的参数均源自实际工程数据。坐标系均按常规取，右为X正，下为Y正。考虑到边界约束条件对计算结果的敏感性，取了比隧道区域更大的尺寸。在计算过程中，边坡围岩和隧道洞室被视为一个整体，模型边界远大于因隧道开挖而引起变形的范围：在隧道的横截面中，X向取120 m；Y向取30 m。模型中岩体不同风化程度的参数进行计算; 边坡外三个控制性结构面从地表到隧道内部依次分布。管道棚采用单元LINK1，其余材料采用固体PLAN2单元[18-19]。施工顺序为：边坡天然状、围岩开挖、边坡及隧道初期支护，围岩的各种参数取值见表1。岩质边坡计算模型见图5。

图4 虚支撑力逐步释放模拟岩体成洞示意图

图5 岩质边坡的二维计算模型

3 围岩变形及力学特征分析

通过分析地应力释放率对开挖岩质边坡位移分布的影响，认为大部分的地应力释放率最接近真实应力释放率。 该分析过程不再赘述。

3.1 隧道开挖后不支护时围岩变形分析

图6和图7显示了隧道开挖不进行支护时，隧道围岩的变形其力学特征的计算结果。水平位移图6(a)显示，围岩开挖后负方向位移最大负值为3 mm，且主要发生在仰拱区域，而正方向位移最大正值为18 mm，主要出现在第二条控制性结构面以外的区域；从图6(b)看出，在开挖X负向的位移沿第二条控制性结构面外侧发展，位移则出现在其内侧，拱顶外位移量最大；X正向位移出现在仰拱外。由图6(c)可知，总位移量最大也是出现在第二条结构面外侧和仰拱处。从图6(d)可以看出，隧道开挖后的位移矢量方向是指向隧道体，尤其是第2条结构面以外岩体的位移矢量方向更加明显，矢量最大值出现在第1条结构面以外岩体的拱顶位置。

图6开挖不支护边坡位移云图(单位:m)

由此可知，第二条控制性结构面以上坡体的位移较大，以下区域基本没有位移产生，第二条控制性结构面对边坡开挖后的变形起到了控制作用；第一条结构面以上坡体的位移最大，这说明第一条结构面以外岩体的变形最大。此外，在外界诱发因素条件下，第1条结构面以外岩体将首先沿该结构面发生失稳滑动，此外，当外界因素继续增加，第2条结构面以外岩体为潜在滑体，第2条结构面为潜在滑带，位于此结构面外侧岩体最容易沿此结构面发生滑动破坏。

结合图7(a)，开挖后围岩自重应力在X方向上形成水平向应力，应力集中出现在仰拱处。由图7(b)可知，岩土的重力场是隧道围岩的竖向应力的主要形成原因。坡面主要分布拉应力，土压应力沿深度变大。由图7(c)的剪切应力云图可知，剪切应力主要出现第二控制结构面附近和拱的位置处具有剪切应力集中区。由图7中的剪切应变云的分布可知，控制结构表面附近发育了主要的剪应变。其中，第一控制结构面中的剪应变最大，其值可达0.4。由此可知，第二条结构面以上坡体的应力较大，以下区域的应力较小，三条结构面的应变比坡体应变大很多，尤其是第一条结构面一般最大，这表明第二控制结构在斜坡开挖后的应力状态中起控制作用。因此，应注意隧道的设计和施工。

图7无支护条件下边坡应力应变云图(应力单位：Pa)

3.2 支护状态下围岩变形及力学特征分析

图8和图9是有支护的围岩变形特性及力学分析结果。对比图6和图8可知，隧道开挖后大部分应力进行了释放，开挖边坡的位移在支护前后基本相同，水平位移支撑最大增加约0.1 mm，Y向位移最大约0.2 mm。这是大部分地面应力被释放，因为隧道的初始支撑由钢拱喷射锚支撑。后期的位移得到了控制，在支护之后，上部围岩的位移基本上没有变化。支护后，围岩的位移及应力应变分布基本与支护前相同，在支护后第二条控制性结构面以上坡体的位移较大，以下区域基本没有位移产生，第二条控制性结构面对边坡开挖后的变形起到了控制作用；第一条结构面以上坡体位移最大，这说明第一条结构面以外岩体变形最大。

对比图7和图9可知，围岩在支护前后的水平应力和垂直应力基本没有发生变化。但是，由对比图7(c)、图7(d)与图9(c)、图9(d)可知，在初支平衡了少量的应力后，整个地应力都进行了再次调整，其最大值分别为300 kPa(应力)和0.4(应变)。值得注意的是，支护后第2及第3控制性结构面的剪应变分布发生较大变化，两条结构面的剪应变基本上与边坡岩体相同，只有第一条结构面的剪应变未发生变化。 此外，从斜坡塑性区的塑料图(见图10)可以看出，塑性区主要集中在初始支撑后的第一和第二控制结构平面上。 所以根据计算确定的滑面主要是由控制性结构面的变形开始，并发展至隧道的开挖体。这与边坡的变形监测分析的结果是一致的。

图8 支护条件下边坡位移云图(单位:m)

图9支护条件下边坡应力应变云图(应力单位：Pa)

图10边坡塑性区云图

4 结 论

(1) 开挖后的层状岩质边坡，围岩的应力场会重新分布，应力集中主要发生在拱顶附近，为压应力，其值随深度的增大而增大。拉应力集中发生在坡面附近。剪切应力主要发生在第二控制软弱结构表面附近。第一控制结构面上的剪应变最大，且主要的剪切应变沿着控制结构面分布。

(2) 当接近真实地应力释放率后再进行支护，对比支护前后的变形及力学特征可知，支撑前后的位移，应力和应变分布基本相同，但剪切应力和剪切应变有一定程度的降低。这表明在地面应力释放速率达到一定水平后，特别是当它接近真实的应力释放速率时，支撑效果更好。

(3) 围岩开挖后变形发展的形式受主要软弱结构面的控制。第二弱结构面上方斜坡的位移和应力较大，第二控制结构对边坡开挖后的变形起控制作用。由于第一结构面的存在，在此结构面处位移和剪切应变都为最大。在外界因素诱发下，第一条结构面以外岩体将首先沿该结构面发生失稳滑动，第二条结构面以外岩体为潜在滑体，第二条结构面为潜在滑带。

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