隧道围岩节理产状对施工稳定性影响研究

陈探

摘要：隧道围岩节理产状是影响隧道开挖及支护稳定性的关键因素。为探究千枚岩地层节理产状对连拱隧道施工稳定性的影响，依托祁门某连拱隧道，建立了隧道开挖的三维有限元模型，分析了千枚岩岩层节理产状与连拱隧道开挖围岩支护结构变形的相关性，探讨了千枚岩不同节理倾角和节理数量下的连拱隧道支护结构位移及应力响应。计算结果表明：在千枚岩连拱隧道施工过程中，当掌子面附近存在倾角大于60°的多条节理时，需要适当加强支护，并严格控制爆破开挖对围岩的扰动。

关键词：连拱隧道;节理产状;千枚岩;数值模拟

岩体在自然风化、侵蚀和节理面的切割作用下，强度会大幅下降[1]。在隧道开挖工程中，围岩的初始形态被破坏，形成二次应力，裂纹在此过程积累，逐渐发育成节理岩体。隧道因节理岩体失稳破坏引发施工事故较多，因此有关节理岩体隧道开挖稳定性的研究己成为隧道施工中的热点问题之一[2]。

目前，在隧道施工围岩稳定性方面开展了大量的研究，但由于工程地质条件多变、地层节理产状不一致，围岩与支护结构之间的相互作用机理还不够充分，围岩参数的选择具有不確定性[3]。在层状岩体隧道的设计与施工中，多采用经验类比法。本研究以依托工程地勘调查、技术调研为基础，对施工过程中数据收集分析，研究千枚岩岩层的产状、结构面及节理数量与连拱隧道开挖围岩变形的相关性，以及对连拱隧道施工的影响。

1 工程概况

项目依托德上高速公路池祁段某连拱隧道，隧道主要穿越碎石土、强～中风化千枚岩，隧址区千枚岩岩层节理裂隙发育，隧道所处的地形、地质环境复杂。本次调查主要观测点描述见表1。

2 数值模拟研究

2.1 数值计算模型

本文采用Midas/GTS三维有限元软件模拟含节理岩层连拱隧道的施工过程，分析隧道围岩—支护结构力学性能以及变形规律，建立千枚岩节理产状及节理数量与隧道开挖围岩变形的相关性模型，最终提出节理产状对连拱隧道施工的影响。

有限元模型中的围岩和中隔墙采用三维实体单元，喷射混凝土采用板单元模拟，锚杆采用植入型桁架模拟[4]。连拱隧道物理模型洞室跨度8m，埋深为30m。隧道围岩两侧约束条件为水平约束，下部为竖向约束，上部为自由约束。隧道两侧和隧道上下部节理跨度均是4倍隧道宽度。岩土体和支护结构物理力学参数见表2。

2.2 结果分析

2.2.1 不同节理倾角的位移及应力分析

选取0°、30°、60°和90°四种不同节理倾角的千枚岩岩体来进行分析，研究岩层节理倾角与连拱隧道开挖围岩变形的相关性以及对连拱隧道施工的影响。不同节理倾角条件下中隔墙Z方向位移如图1所示。

由上图可知，当岩体节理倾角由0°增长到90°，连拱隧道中隔墙Z方向位移也随之增大。对于物理力学特性相近的节理，节理水平时的中隔墙沉降最小，节理垂直时的中隔墙沉降最大。岩层节理倾角小于45°时，随着节理倾角的增大，中隔墙沉降变化较小;岩层节理倾角大于45°时，随着节理倾角的增大，中隔墙沉降变化明显。

领完，分析了节理倾角连拱隧道开挖中隔墙主应力，当岩体节理倾角由0°增长到90°，连拱隧道中隔墙主应力也随之增大，但变化幅值较小。对于物理力学特性相近的节理，节理水平时的中隔墙最大主应力最小，节理垂直时中隔墙最大主应力最大。

2.2.2 不同节理数量的位移及应力分析

选取在节理倾角为30°时，节理数量分别为1条、2条和3条的岩体进行建模。研究千枚岩岩层节理数量与连拱隧道开挖围岩变形的相关性及其对施工的影响。不同节理数量条件下中隔墙Z方向位移云图如图2所示。

由上图可以得出，当节理数量增多时，连拱隧道中隔墙Z方向位移也随之增大。对于物理力学特性相近的节理，中隔墙沉降随着节理数量增长呈线性增长。另外，分析了不同节理数量条件下中隔墙最大应力，可以得出，当岩体节理数量增多时，连拱隧道中隔墙主应力也随之增大，但变化幅值较小。相同物理力学条件下，中隔墙最大主应力随着节理数量增长呈线性增长。

3 岩层节理产状对连拱隧道施工影响

结合不同节理倾角和节理数量下数值模拟结果，分析千枚岩岩层节理倾角与连拱隧道开挖支护结构变形的相关性，见表3-表4。

由上表可知，随着节理倾角和节理数量的增长，连拱隧道开挖后中隔墙和初期支护的位移和应力均有所增长;节理倾角变化对中隔墙和初期支护的位移和应力影响更明显。因此，在千枚岩连拱隧道施工过程中，当掌子面附近存在倾角大于60°的多条节理时，需要根据超前地质预报结果，提出合理的支护方案，并严格控制爆破开挖对围岩的扰动。

4 结论

本研究通过数值模拟方法研究了千枚岩岩层节理产状与连拱隧道开挖围岩支护结构变形的相关性。在千枚岩连拱隧道施工过程中，当掌子面附近存在倾角大于60°的多条节理时，需要适当加强支护，并严格控制爆破开挖对围岩的扰动。该结论成功应用于依托工程的千枚岩层状地层发育段的连拱隧道施工，提前加强支护指导现场施工，保障了施工安全。

参考文献

[1]张志刚，乔春生，刘勇.节理岩体强度特征研究综述[J].煤田地质与勘探，2006（05）：38-41.

[2]杨忠民，高永涛，吴顺川，等.节理岩体中纵向间距对连拱隧道稳定性的影响[J].中国公路学报，2018，31（10）：167-176.

[3]李亚勇，王芳其，靳晓光，等.节理岩体中连拱隧道施工对周边建筑物的影响[J].重庆大学学报，2015，38（06）：115-122.

[4]卢国兴，靳金强，胡恒，等.既有公路隧道修复方案优化及稳定性分析[J].中国标准化，2021（22）：140-144.