不同節(jié)理傾角對紅層地區(qū)偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

朱 勁, 徐幼建, 許瑞寧

(1.四川達萬高速公路有限責(zé)任公司， 四川達州 635000;

不同節(jié)理傾角對紅層地區(qū)偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

朱 勁1, 徐幼建2，3, 許瑞寧3

(1.四川達萬高速公路有限責(zé)任公司， 四川達州 635000;

2.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司, 北京 102600； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

以達州至萬州高速公路沙壩灣隧道靠近洞口偏壓段為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，研究了紅層地層不同節(jié)理傾角下隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)、變形特性。研究表明：紅層地層中節(jié)理傾角對圍巖應(yīng)力和變形有較大的影響；當(dāng)節(jié)理傾角與偏壓坡面垂直時，隧道周邊圍巖水平方向應(yīng)力與變形最大；當(dāng)節(jié)理傾角與偏壓坡面平行時，隧道周邊圍巖豎直方向應(yīng)力最大。

紅層地層; 節(jié)理; 偏壓; 隧道; 穩(wěn)定性

大量的工程實例表明，在紅層地區(qū)修建隧道容易出現(xiàn)圍巖變形和坍塌等災(zāi)害[2]，直接影響隧道工程建設(shè)的正常進行，不能滿足當(dāng)前公路建設(shè)快速發(fā)展的需要。通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻，王剛等人[3]將一般彈塑性圍巖與斷裂損傷圍巖進行對比分析，認(rèn)為節(jié)理裂隙對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。但關(guān)于紅層地區(qū)偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的研究并不多見，因此，研究不同節(jié)理傾角對紅層地區(qū)偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性的影響具有顯著的學(xué)術(shù)價值。

1 工程概況

以達州至萬州高速公路沙壩灣隧道靠近洞口偏壓段為依托，段內(nèi)斜坡坡向約248°～265°，坡度上陡下緩，坡角33°～24°，斜坡走向與洞軸線走向大角度相交。斜坡上部覆蓋0.50～1.00 m的破殘積層，下覆為基巖，巖性為砂、泥巖，產(chǎn)狀65°∠4°，主要發(fā)育兩組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為350°∠84°、105°∠59°，斜坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。

2 計算模型及參數(shù)選取

2.1 模型尺寸及邊界條件

根據(jù)彈性力學(xué)中接觸應(yīng)力理論和應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道開挖對大于隧道直徑3倍距離外的巖體影響不大，因此取模型總寬度為洞徑的9倍，下邊界至隧道仰拱的距離取3倍洞徑，上邊界為實際埋深，邊坡坡度約為37°。模型邊界條件采用位移邊界條件，左右兩端邊界約束其水平位移，下邊界約束其豎向位移，上邊界計算模型如圖1所示。采用有限差分FLAC3D軟件，重點考慮不同節(jié)理傾角對隧道周邊圍巖穩(wěn)定性的影響。在淺埋偏壓的情況下，研究節(jié)理傾角分別為0°、45°、-45°、90°時隧道周邊圍巖穩(wěn)定性狀況。

圖1 計算模型

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)沙壩灣隧道現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料、相關(guān)規(guī)范及文獻，巖體和節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)取值如表1、表2所示，巖體和節(jié)理采用遍布節(jié)理本構(gòu)模型，初期支護采用線彈性模型。

2.3 計算假定

(1)隧道穿越的地層節(jié)理均勻，節(jié)理間距及傾角相同；

表1 巖體計算參數(shù)

表2 節(jié)理計算參數(shù)

(2)各節(jié)理計算參數(shù)相同;

(3)忽略其它復(fù)雜地質(zhì)條件，如地下水滲流、斷層破碎帶等。

3 隧道圍巖穩(wěn)定性影響分析

3.1 洞周圍巖塑性區(qū)分析

隧道全斷面開挖計算平衡后，不同節(jié)理傾角下洞周塑性區(qū)分布見圖2所示。

(a)0°傾角節(jié)理

(b)45°傾角節(jié)理

(c)-45°傾角節(jié)理

(d)90°傾角節(jié)理圖2 不同節(jié)理傾角下洞周塑性區(qū)分布

由圖2可以看出：在相同初始地應(yīng)力場中，節(jié)理傾角不同洞周塑性區(qū)分布亦有不同；節(jié)理傾角45°和-45°時，洞周塑性區(qū)范圍較大，90°時次之，0°時最小。

3.2 洞周圍巖應(yīng)力分析

圖3～圖6和表3表示不同節(jié)理方向下洞周圍巖應(yīng)力分布特征，隨著節(jié)理傾角增大，應(yīng)力大小發(fā)生明顯變化。

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖3 0°傾角節(jié)理洞周圍巖應(yīng)力

由圖3～圖6和表3可以看出，節(jié)理方向?qū)Χ粗車鷰r應(yīng)力有一定的影響：在節(jié)理傾角與偏壓坡面平行的方向，即節(jié)理45°傾角時，應(yīng)力得到了釋放，巖體松弛明顯，洞周應(yīng)力值達到最大值，且豎向應(yīng)力最大值集中在隧道墻腰處，水平應(yīng)力最大值集中在隧道拱頂處；這些與現(xiàn)場所測試到的應(yīng)力比較吻合，表明本數(shù)值模擬方法較真實地反映了不連續(xù)體的力學(xué)行為。

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖4 45°傾角節(jié)理洞周圍巖應(yīng)力

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖5 -45°傾角節(jié)理洞周圍巖應(yīng)力

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖6 90°傾角節(jié)理洞周圍巖應(yīng)力

MPa

3.3 洞周圍巖位移分析

洞周位移是隧道周邊位移穩(wěn)定性最直接的評判標(biāo)準(zhǔn)，不同節(jié)理傾角(0°，45°，-45°，90°)下位移分布如圖7～圖10和表4所示。

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖7 0°傾角節(jié)理洞周圍巖位移

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖8 45°傾角節(jié)理洞周圍巖位移

(a)豎向應(yīng)力

(b)水平應(yīng)力圖9 -45°傾角節(jié)理洞周圍巖位移

(a)豎向應(yīng)力

由圖6～圖10和表4可以看出，由于巖體中節(jié)理的存在，當(dāng)節(jié)理傾角為90°時，隧道上部圍巖節(jié)理面參數(shù)較弱，極易發(fā)生剪切滑移，故此時豎向位移值最大，發(fā)生在拱頂部附近，破壞模式主要表現(xiàn)為沿節(jié)理面滑動剪切破壞；當(dāng)節(jié)理傾角為-45°時，即節(jié)理傾角與偏壓坡面接近垂直時，此時隧道

(b)水平應(yīng)力圖10 90°傾角節(jié)理洞周圍巖位移

mm

周邊圍巖水平位移值最大，發(fā)生在拱腳處。

4 結(jié)論

(1)因節(jié)理的存在極大削弱了巖體完整性，隨著隧道施工擾動，易導(dǎo)致圍巖沿節(jié)理面發(fā)生滑移破壞，同時圍巖強度和變形特征較大程度上受節(jié)理傾角的影響。

(2)當(dāng)節(jié)理水平，即節(jié)理傾角為0°時，偏壓隧道洞周圍巖失穩(wěn)模式主要表現(xiàn)為拱部巖體受拉屈服，且以豎向沉降為主，水平收斂為輔。

(3)當(dāng)節(jié)理與偏壓坡面平行，即節(jié)理面傾角為45°時，洞周圍巖失穩(wěn)模式主要表現(xiàn)為右邊墻受拉屈服，且水平收斂較節(jié)理水平時增加了40.6%。

(4)當(dāng)節(jié)理與偏壓坡面垂直，即節(jié)理面傾角為-45°時，洞周圍巖失穩(wěn)模式主要表現(xiàn)全周受拉屈服，且水平收斂與水平應(yīng)力均達到最大值。

(5)當(dāng)節(jié)理豎向，即節(jié)理傾角為90°時，位移主要在拱部沉降為主，破壞模式主要表現(xiàn)為拱部節(jié)理面的滑移。因此必須采取預(yù)加固措施，增強掌子面前方節(jié)理面黏聚力和摩擦角，提高其抗剪強度，最終達到穩(wěn)定圍巖目的。

[1] 高芳芳.云南紅層分布及其邊坡工程病害分析[D].成都：西南交通大學(xué), 2010

[2] 劉小偉.淺埋紅層軟巖隧洞圍巖變形特征試驗研究[J].冰川凍土， 2007,(6)

[3] 王剛,李術(shù)才,王書剛,等. 節(jié)理巖體大型地下洞室群穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2008,29(1): 261-267

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[定稿日期]2015-02-04