節理傾角對層狀巖體大斷面隧道穩定性研究

趙景彭

(大同市高速公路有限責任公司，山西 大同 037014)

1 情況介紹

在巖體生成過程中，經受各種復雜地質作用，發育著斷層、節理和各種裂隙等結構面，使其物理力學性質十分復雜。而圍巖破壞取決于節理，往往都是由優勢結構面控制。用基于連續性假設數值方法來研究和設計［1-3］，離散元法特別適合于富含節理不連續面體，因而得到較為廣泛應用。

Souley等研究不同本構結構模型對UDEC模擬計算結果的影響;Rajinder等用UDEC對喜馬拉雅山大型地下工程穩定性進行探討;王貴君等運用UDEC對節理巖體大斷面隧道圍巖和支護施工全過程進行數值分析;譚云亮等利用離散單元法探討全長錨桿對節理圍巖穩定性影響［4-6］。

對比國內外文獻，針對深埋隧道不同節理傾角層狀巖體穩定性研究并不多見，因此，研究不同節理傾角下圍巖穩定性及支護力學響應具有顯著理論意義和實踐價值［7-10］。

2 工程概況

以大梁山特長隧道工程為依托，隧址區位于山西省北部陰山山脈大梁山基巖山區內。隧道全長6 058.00 m，最大埋深364.46 m。隧道洞軸平行地層走向，巖層傾向山體(傾向右側)，傾角40°～50°，加之節理切割，左側邊墻、拱腳存在不穩定結構體，易產生滑坍坍方。巖層與隧道洞體小角度相交，對洞身影響段落較長，斷層帶內的變輝綠巖脈較為破碎，斷層與圍巖接觸帶擠壓明顯，長石類礦物高嶺土化強烈。

3 計算模型及參數選取

3.1 數值模擬目的

采用離散元UDEC軟件，把節理巖體視為由離散的塊體和巖塊間的節理面組成，研究巖層傾角變化(0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90°)時圍巖穩定性影響規律，節理間距1 m。

3.2 計算模型及邊界條件

為減小邊界影響，模型橫向取100.0 m，下邊界距離隧道中心35.0 m，上邊界距離隧道中心100.0 m。隧道跨度13.2 m，固定左右邊界水平位移，下邊界固定豎向位移，上邊界施加自重應力邊界，計算模型如圖1所示，錨桿長度4.0 m，環向間距1.2 m。

圖1 計算模型

3.3 計算參數

根據大梁山隧道工程現場勘查報告及現行《鐵路隧道設計規范》和相關文獻［2，6］，巖塊和節理物理力學參數取值如表1、表2所示。塊體采用 Mohr-Coulomb模型，結構面采用面接觸滑動本構模型。埋深取300 m自重應力場，在隧道中心施加垂直地應力σy=6.90 MPa，水平方向的地應力σx=3.25 MPa，向四周圍巖按應力梯度均勻變化。

表1 巖塊物理力學參數

表2 節理物理力學參數

4 計算結果

由于節理的存在，其荷載出現明顯順層偏壓現象，節理沿著節理面有滑動的趨勢，甚至出現滑動，由此，在順著節理方向產生較大的壓力荷載。

4.1 錨桿軸力分析

各種傾角下錨桿軸力分布形式如圖2所示，表3為不同傾角左右兩側對稱錨桿軸力差值。

圖2 隧道錨桿軸力分布特征

從圖2和表 3看出，在傾角較小時(0°，15°)，兩側錨桿軸力差值不大，兩側錨桿基本對稱，說明傾角較小時，不易發生順層滑動，洞周圍巖破壞形式與板裂介質理論一致。隨著傾角增大(15°～60°)，兩側錨桿軸力差值增大，左側明顯大于右側，巖層順弱勢節理面滑動趨勢增大，洞周破壞主要取決于節理面強度。傾角75°～90°時，兩側錨桿軸力基本對稱，洞周受力也趨于對稱，圍巖破壞主要為邊墻巖層彎曲壓潰。

表3 左右兩側錨桿軸力差值 kN

4.2 圍巖力學響應

隧道開挖后，周向應力超過巖體強度處于屈服狀態時，能量峰值會向圍巖內部移動，隧道開挖后圍巖會出現周向應力集中和徑向應力松弛現象。不同巖層傾角(0°，30°，60°和 90°)主分布如圖 3 所示，由于 15°，45°和75°與前述情況相似，在此不再敘述。

圖3 不同傾角節理隧道圍巖主應力分布特征

從圖3看出，節理方向不僅影響著主應力方向，而且也影響其大小。在平行于節理方向洞室周邊主應力分布相對較均勻，而在垂直于節理方向洞室周邊主應力分布極不均勻，同時在結構面附近主應力集度較大。

對比不同傾角圍巖主應力分布形式，錨桿應該與結構面成大角度交叉布置，發揮“銷釘”作用，降低和傳遞主應力集中程度，錨桿能把數層層狀巖體串連在一起，增大層間摩阻力，從而減小層間剪切錯動，增強隧道穩定性，相當于增強了節理剪切剛度，抑制層狀巖質隧道的剪切滑移，最終增強圍巖穩定性。

4.3 圍巖強度應力比及塑性區分析

隧道開挖必然引起巖體強度應力比改變及塑性化，圍巖自承載能力下降。不同巖層傾角(0°，30°，60°和90°)下剪應力分布如圖4所示。

圖4 圍巖強度應力比及塑性區分布特征

從圖4中可以看出，隧道開挖引起圍巖強度應力比等值線基本呈現橢圓形，長軸與結構面相垂直，短軸與結構面相平行。塑性區基本位于強度應力比為2的包絡線內。為控制圍巖塑性區的發展，在垂直節理方向宜打入一定剛度的鋼筋，增強節理剛度，在平行節理方向，宜注漿加固，增強節理面的黏聚力和摩擦角，提高強度，最終達到穩定圍巖目的。

4.4 節理張開區

節理張開區域反映圍巖的潛破壞區域，不同巖層傾角(0°，30°，60°和 90°)下節理張開區分布如圖 5所示。

圖5 節理張開區分布特征

節理面之間法向應力、法向力均為零，即巖塊處于脫落臨界狀態，如果進一步擾動，就可能發生脫落。從圖5中看出，節理張開區主要與節理方向垂直，錨桿發揮了懸吊作用，針對節理的不穩定巖體，用錨桿固定在深層的堅固穩定巖體上，可將不穩定巖體重量傳遞給深層堅固巖體負擔，以防止巖塊彎折破壞。

因此對于層狀巖體而言，現行鐵道部客運專線250 km/h雙線鐵路隧道標準圖以等長、等間距系統錨桿設計未必合理，建議將錨桿與巖層大角度布置，以增強其剪切剛度和層間摩阻力。

5 結論

結合大梁山特長隧道，研究不同巖層產狀(傾角)隧道圍巖穩定性，支護結構力學響應，闡明完全不同于傳統松散介質理論的層狀巖質隧道失穩模式，主要得出如下結論:

1)節理面極大削弱巖體力學性質及其穩定性，成為隧道失穩破壞關鍵所在;施工中一旦受到擾動，巖體就會沿層理面出現滑動，引起明顯不對稱的圍巖力學響應，從而對支護產生地質偏壓荷載。

2)傾角較小時，不易發生順層滑動，拱頂容易發生彎折破壞;隨著傾角增大(15°～60°)，巖層順弱勢節理面滑動趨勢增大，洞周破壞主要取決于節理面強度;當傾角75°～90°時，洞周受力趨于對稱，圍巖破壞主要為邊墻巖層彎曲壓潰。

3)錨桿把數層層狀巖體串連在一起，增大層間摩阻力，相當于增強了節理剪切剛度，抑制層狀巖質隧道的剪切滑移，最終增強圍巖穩定性。

4)宜將錨桿與節理呈大角度打設，以便更好發揮“銷釘”和“組合梁”效果，而現行鐵道部客運專線250 km/h雙線鐵路隧道標準圖以等長、等間距系統錨桿設計的合理性，值得進一步商榷。

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