不同节理倾角下隧道围岩变形特征研究

张 斌，李英杰，穆鹏华，张 孟，史传迪

(中冀建勘集团有限公司，河北 石家庄 050200)

0 引言

结构面是岩体经过长时间的地质变化过程后而形成具有一定形态、方向及规模的缝、面和带状软弱界面，其中节理又是结构面中常见的软弱结构面[1-2]。结构面的数量在一定程度上能够影响岩体的完整性，而结构面的力学性质和几何性质又能影响岩体的稳定性。而在地下工程施工过程中，不可避免的要穿越节理岩层，因此研究不同层理倾角对隧道围岩稳定性的影响对确保地下工程施工的安全具有重要意义[3-4]。

众多学者对层状围岩的物理力学性质展开了研究，贾后省等[5]研究了区域层状岩体巷道在施工过程中的应力、变形环境特征及其塑性破坏形态。李青刚等[6]分析了层状围岩的破裂形式，研究了不同力学性质下围岩的破裂现象，最终得出了层状围岩破裂的力学机制。涂瀚等[7]研究了水平层状围岩隧道在不同条件下的稳定性。沙鹏等[8]基于非对称围岩的变形规律，提出了一种针对层状围岩的定向主动支护措施。苏士龙等[8]采用二维离散元程序UDEC研究了深部巷道层状围岩的稳定性，并分析了几种加固措施对围岩稳定性的影响。过志鹏等[10]研究了层状软弱围岩的变形情况，并提出了层状软弱围岩大变形的加固措施。以上的研究极大地促进了层状围岩变形机制的研究。

本文将以节理岩体的几何性质以及力学性质即以节理岩体的倾角为变量，研究不不同节理倾角下(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)下围岩的应变场变化规律。本文的研究结果可以为层状隧道围压开挖施工过程中的方案设计、支护措施的制定提供理论依据。

1 工程概况与参数选取

1.1 工程概况

本文以兰渝铁路隧道为工程背景，兰渝铁路沿线通过四川省西北部至甘肃省东部、南部。本文所研究的工程区自广元至兰州段线路，全长为493 km，其中隧道总长为 343 km，特长隧道9座，总长143 km，隧道工程的比例为42%。围岩与节理的力学参数如表1和表2所示。

表1 岩体力学参数的选取

表2 结构面力学参数的选取

1.2 计算模型及边界条件

本文采用三维离散元数值模拟软件3DEC对不同倾角下层状隧道围岩稳定性进行模拟，在计算分析过程中仅考虑毛洞开挖后的受力状态。隧道的断面为直墙拱形，且开挖方式为全断面开挖。由圣维南原理可知，当模型长度在3～5倍洞径内，可认边界作用对洞室的力学状态影响较小。同时，由于本文采用的是全断面开挖，不考虑开挖方式，因此可将本模型视为平面应变问题，可取厚度为1 m的模型进行研究，因此本文所建的地下工程模型大小为30 m×1 m×30 m。为了简化计算，在计算模型上方将上层的地层压力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。由于地下工程围岩层状节理倾角是层状围岩自稳性重要的影响因素，因此，本文研究了不同层理倾角(0°、30°、60°与90°)下隧道围岩的稳定性。

2 数值模拟结果分析

2.1 不同倾角下围岩竖向位移分析

围岩变形量是评价围岩稳定性非常重要的依据之一，此外变形不仅反映了岩体的力学特征，更能表征围岩的稳定性。只有对围岩开挖后的变形特性有非常充分的了解，才能有效且经济地控制岩体在外部荷载作用下所产生的有害变形。

图1(a)～(d)是层理倾角为0°、30°、60°与90°时隧道围岩开挖过程中的竖向位移云图。

图1 不同层理倾角下围岩竖向位移云图(单位：m)

不同节理倾角下隧道开挖后围岩的竖向变形如图1(a)～(d)所示。由图1(a)～(d)可以看出，在层理倾角为0°～90°时，隧道开挖后围岩较大的竖向变形区域均集中于隧道拱顶、拱底处。此外随着层状节理倾角的增加围岩的竖向变形量影响规律显著增强，在围岩的节理倾角较小时，节理对围岩竖向变形的影响较弱，随着节理倾角的增大，围压竖向变形受节理的影响显著。

从图1(a)可知，当层状节理倾角0°时，拱底的最大沉降量为194.3 mm，而拱底的隆起量为63.1 mm。当层状节理倾角30°时，隧道拱顶最大沉降量为180.2 mm，而隧道掌子面后方拱底最大隆起量为166.8 mm；而层状节理倾角60°时，隧道拱顶最大沉降量增加到为208.0 mm，而隧道拱底最大隆起量为54.2 mm。而当层理倾角增加到90°时，隧道拱顶均出现较大沉降的带状区域，此时隧道极易发生大规模坍塌，严重威胁地下硐室开挖乃至运营期的安全。

2.2 不同倾角下围岩水平位移分析

图2(a)～(d)为围岩层理倾角为0°、30°、60°与90°时隧道开挖过程中水平位移云图。

图2 不同层理倾角下围岩水平位移云图(单位：m)

不同节理倾角下隧道开挖后围岩的竖向变形如图2(a)～(d)所示。由图2(a)、(b)所示，当节理倾角为0°与90°时，围岩的变形表现出明显地对称性，且当节理倾角为0°时，围岩受扰动的面积较90°大；由图2(b)、(c)所示，当节理倾角为30°与90°时，围岩变形较大的区域集中在左拱脚与右拱肩，而且当节理倾角为30°时，隧道围压大变形区域的面积较大。

由图2(a)～(d)的位移云图可以看出，在埋深相同的情况下围岩层理倾角对隧道水平变形的影响显著。当围岩节理倾角为0°与90°时，隧道位移云图左右对称，在节理倾角0°时，隧道的左右拱肩与边墙均产生了较大的水平位移，其最大水平位移为62.31 mm；在节理倾角为90°时，仅隧道边墙产生了较大水平位移，其最大水平位移为169.11 mm。在节理倾角为30°与60°时隧道围岩产生了较大的水平位移，但其变形较大区域岩体的面积较小。在节理倾角为30°与60°时，隧道围岩的横向变形较小，但围岩受扰动区域的面积较大，且受扰动区域主要集中在隧道的右拱肩处。

3 结语

本文采用三维离散元软件对不同层理倾角(0°、30°、60°与90°)下隧道围岩开挖后的位移场变化规律，得到了如下结论：

(1)在埋深相同的情况下围岩层理倾角对隧道变形的影响显著。在节理倾角为30°与60°时，隧道围岩的横向变形较小，但围岩受扰动区域的面积较大，且受扰动区域主要集中在隧道的右拱肩处。

(2)当层理倾角为0°与90°时，隧道围岩变形表现出明显的对称性，其最大竖向位移均发生在拱底与拱顶，最大水平位移均发生在拱肩。

(3)当层理倾角增加到90°时，隧道拱顶均出现较大沉降的带状区域，此时隧道极易发生大规模坍塌，严重威胁地下硐室开挖乃至运营期的安全。