铁路标准断面隧道节理倾角效应研究

李老三

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

岩体生产过程中，经受各种地质作用和构造力影响，往往形成众多的节理、层理和断层面等缺陷，是一种各向异性非连续介质，其完整性和均匀性受到不同程度的破坏，这种不连续性对岩体结构变形和应力都有重要影响[1]。隧道及地下工程的修建不可避免穿越节理岩体岩质地层，用基于连续性假设数值方法很难满足施工和设计要求；而离散元法特别适合于富含节理不连续面体，从节理引起的不连续性出发，把节理岩体视为由离散的块体和岩块间的节理面组成。自1971年Cundall首次提出离散单元以来，得到了众多学者的不断完善和发展。

王刚等[2]通过断裂损伤理论，认为节理裂隙对隧道围岩稳定性的影响至关重要；郑颖人等[3]通过模型试验研究了层状岩体的强度和变形特征；周辉等[4]通过室内试验研究不同位置节理、不同长度节理对岩体峰值剪切强度和抗剪强度参数的影响；王贵君等[5-6]、桑运龙等[7]运用UDEC对不同节理裂隙岩体中无支护暗挖隧道进行稳定性分析；刘刚等[8]通过模型试验研究节理密度对围岩变形及破坏影响，提出断续节理密度控制着围岩稳定性；杨忠峰等[9]采用数值分析和现场试验验证对称型节理发育隧道支护的合理性和优化建议。

对比国内外文献，针对深埋岩质隧道节理产状研究并不多，特别是铁路隧道标准断面更少。因此，研究节理产状对铁路标准断面隧道围岩稳定性影响及锚杆力学特性具有显著理论意义和实践价值。

1 工程概况

新建郑万铁路黄家沟隧道为时速350 km双线铁路隧道，全长7.827 km，隧道一般埋深100～300 m，最大埋深380 m。该隧道地处荆山山脉，属构造侵蚀剥蚀低山地貌区，隧址区内地势总体上呈现中间高两侧低的态势，地形复杂，沟壑交错，山峦纵横。主体山势呈北西—南东向延展，连绵起伏，地形切割较深，峰谷相间。主要岩性为志留系下统罗惹坪组砂质页岩，新滩组砂页岩。地下水主要类型有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水。黄家沟隧道地质构造与隧道的关系及地质纵断面如图1、图2所示。隧道受田家沟断裂和金斗-鞍子寨倒转背斜的影响，隧道洞身发育一系列北西向、近南北向和北东向断裂和节理密集带，对隧道的稳定性影响较大。

图1 黄家沟隧道地质构造线与隧道关系图

图2 黄家沟隧道地质纵断面图

隧道所穿越山体主要有5组发育节理，节理密度一般为1～3组/m，密集处超过5组/m，部分节理裂隙延伸长度大于2 m。隧道围岩层状构造明显，揭示岩层倾角一般为9°～85°。岩层呈薄层、中厚至厚层状，层理较发育，层理结合面强度较低，由于本隧道埋深较大，地应力较高，所以当结构面受力后易发生剪切破坏和顺层理面滑移破坏。

2 计算模型及参数

本次模拟计算使用ITASCA公司通用离散元程序UDEC进行模拟，该软件是一个处理不连续介质的二维程序。UDEC程序适用于模拟节理系统的分离过程，而且能够自动识别节理面产生的新接触点，较真实反映节理面力学行为。

根据黄家沟隧道现场地质勘查报告和现场节理量测，该隧道所穿越山体主要有5组发育节理，节理产状如表1所示。

表1 节理产状

2.1 计算模型及边界条件

针对我国铁路350 km/h隧道标准断面设计图，研究节理岩体不同产状(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)时围岩稳定性影响规律。节理间距0.4 m，模型横向取100 m，下边界距离隧道中心35 m，上边界距离隧道中心100 m。左、右边界水平位移约束，下边界竖向位移约束，上边界施加自重应力约束。

2.2 计算参数

块体遵从Mohr-Coulom强度准则，结构面采用面接触滑动模型。初始应力场考虑300 m埋深自重应力，在隧道中心施加垂直地应力σv=6.90 MPa，水平方向的地应力σh=3.25 MPa，各向按梯度变化。根据黄家沟隧道现场地质勘查报告和文献[1]，岩块和节理面计算参数如表2、表3所示。

表2 岩块材料力学参数

表3 节理计算参数

3 节理产状分析结果及结论

由于节理的存在，出现明显顺层地质偏压现象，岩层顺着节理方向滑动，产生较大偏压荷载。

3.1 围岩应力影响

隧道开挖强卸荷引起一定范围内围岩应力释放和转移。不同节理产状引起主应力分布特征如图3所示。

图3 不同节理产状隧道围岩主应力分布特征

节理面相对岩块来说参数要低得多，从图3看出，节理面从根本上改变了围岩应力重分布，不仅影响着主应力方向，而且也影响其大小，最大主应力和最小主应力方向不再是切向和径向。应力在与不连续面平行方向释放, 分布较均匀，岩体松弛明显, 甚至出现了拉应力。在垂直于结构面方向洞周主应力增加，且分布极不均匀，同时在结构面附近主应力集度较大。各层岩体均相当于独立处于受弯剪状态的悬臂梁，由于层状岩体的抗弯能力不强，因而不能承受或只能承受较小的应力，容易发生弯折破坏，使结构面产生剪切滑移或张开。

对于水平的层状岩体，容易在顶部和仰拱出现鼓起，处于受拉状态。倾角较小时，节理间滑移力难以克服其黏聚力，破坏形式表现为拱部和底部节理之间沿节理层面分离。当倾角达到60°，隧道左拱肩和右墙脚部位应力明显大于对称部位应力，因而造成了破坏的非对称性。对于倾向岩层，沿着倾斜的一方易造成岩块滑移，位移大大增加，甚至斜顶鼓起，破坏模式表现为节理面的滑移。

对于竖直产状岩体，在压应力作用下产生一个垂直于层面的拉应力，由于层间粘结力弱，因而各层之间容易产生离层，隧道侧壁容易造成边墙岩层弯曲压溃破坏。

3.2 位移影响

位移是隧道稳定性最直接的评判标准，不同节理产状(0°、30°、60°和90°)围岩位移矢量特征分布特征如图4所示。

图4 不同节理产状隧道围岩位移矢量分布特征

从图4中可以看出，开挖使得隧道上部围岩失去支撑，而结构面参数较弱，沿节理面剪切滑移较大，产生向洞内位移。边墙上部位移大于下部位移。结构面水平时，最大位移发生在拱顶和仰拱处，如图4(a)所示，而并不是在边墙，其破坏形式表现为拱部岩层弯折破坏。当节理倾角为30°和60°，如图4(b)、图4(c)所示，最大位移发生在右拱肩和左拱脚，具有明显不对称性；当竖向节理时， 节理黏聚力不能抵抗层间下滑力，隧道周围岩体沿竖向节理面发生整体下滑破坏，位移主要在拱部以向下发展为主，破坏模式主要变现为垂直节理剪切破坏，有冒顶塌方趋势。因此必须采取支护措施，增强节理面黏聚力和摩擦角，提高岩层抗剪强度。

3.3 节理离层区影响

由于层间节理粘结力弱，不能承受或只能承受很小的拉应力，因此层间节理逐渐张开，从而使层状岩层的各层之间处于离层状态，不同节理产状节理离层区分布特征如图5所示。

图5 不同节理产状隧道围岩节理离层区分布特征

离层区节理面之间法向应力、法向力均为零，为隧道失稳潜在区域。从图5中看出，节理离层区不是发生在最大主应力方向上，而是沿垂直于节理面方向发展。随着节理倾角增大，节理离层区面积先增大，再减小。当倾角较小时，节理间主应力难以克服其黏聚力，易发生节理分离，离层后所进行的应力调整使相邻岩层的强度降低，直到沿径向发展到一定深度达到新的平衡为止。

水平层状岩体及倾角较小时，不易发生顺层滑移，顶部和仰拱节理之间产生离层区，易引起弯折破坏；随着倾角增大(30°～60°)，岩层顺弱势节理面滑动趋势增大，主要取决于节理面强度，破坏模式主要为层状岩体沿节理滑移；当倾角75°～90°时，洞周受力趋于对称，围岩破坏主要为边墙岩层弯曲压溃，中间垂直岩体挟持作用减弱，有剪切破坏失稳引起冒顶坍方趋势。

3.4 现场数据采集与分析

应力应变监测项目共7项，其中围岩1项，初支4项，二衬2项，见表4。

表4 应力应变监测项目统计表

埋设完成后马上读取初始读数，在喷射混凝土完成或衬砌混凝土浇注完成后再进行一次读数。在初期应力应变急剧增大时，每天测1次；增速减缓时，每2～4 d测1次；应力应变基本稳定时，每7～10 d测1次。

在Excel表中输入断面里程、安装日期、围岩级别、埋深、施工方法等基本信息。

通过时间与数据变化的关系自动生成曲线，可以较直观地了解应力变化趋势，见图6。

图6 初支应力变化趋势图

图7 锚杆最大轴力与锚杆-节理夹角关系图

4 节理岩体锚杆受力特性分析

按照铁路现行标准断面设计图，锚杆环向间距一般1.2 m，表5为不同倾角左右两侧对称锚杆最大轴力值，分布形式如图7所示。

从表5看出，在倾角较小时，两侧大部分锚杆轴力差值不大，说明倾角较小时，不易发生顺层滑动，洞周围岩破坏形式与板裂介质理论一致。随着倾角增大，形成一个高密度的偏压荷载，总体两侧锚杆轴力差值增大，而且右侧明显大于左侧，岩层顺弱势节理面滑动趋势增大，洞周破坏主要取决于节理面强度。通过锚杆轴向作用，使得各分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形，呈现出组合梁的弯曲变形特征，提高岩层抗弯刚度和强度。

表5 锚杆最大轴力统计表

从图7可看出，右侧锚杆轴力普遍大于左侧，从锚杆最大轴力与锚杆-节理面夹角关系来看，锚杆与滑移面夹角大于23°时轴力较大，发挥较为明显效果，锚杆增大层间摩阻力，增强节理剪切刚度，抑制层状岩质隧道的剪切滑移程度。

5 结论

(1)针对水平、倾斜、垂直的层状岩体进行多组对比分析，由于节理面的出现，从根本上改变了围岩应力分布，极大削弱了岩体力学特性，与传统松散介质理论隧道失稳模式不尽相同，施工扰动引起围岩沿节理面滑动造成地质偏压荷载，成为层状岩体隧道失稳破坏的关键所在。

(2)不同节理产状情况下，围岩受力方向不同,最大位移位置不同，破坏形式不同，但层间节理首先破坏，节理离层区发生在岩体节理垂直方向，而不是在最大主应力方向上，随之节理倾角增大,岩层受剪破坏是造成围岩失稳破坏的根本原因之一。

(3)对不同节理产状隧道围岩节理离层区分布特征分析可知，随着节理倾角增大，节理离层区面积先增大，再减小。节理倾角在45°～75°时，对围岩稳定性影响较大。因为倾向节理破坏以层间滑移为主，同时又包含层状节理法向的弯折破坏。

(4)通过对锚杆最大轴力与锚杆节理夹角关系分析可知，随着节理面倾角增大，两侧锚杆轴力差值增大，顺弱势节理面滑动趋势增大。由于锚杆轴向作用，增大了层间摩阻力，有效抑制了层状岩质沿节理滑移，使各分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形，增强了隧道围岩的整体稳定性。

(5)根据对比分析，锚杆与滑移面夹角大于23°时锚固效果更佳，充分发挥“销钉”和“组合梁”效果，区别于现行铁路标准断面通用图以等长、等间距的系统锚杆设计理念，对锚杆打设角度应结合岩层节理走向及产状进行优化。