碎裂結構巖體圍巖壓力對隧道襯砌內力的影響

徐 紅, 曾博文, 李永明, 張志強

(1. 烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊830001; 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031; 3. 烏魯木齊市軌道交通項目建設執行辦公室，新疆烏魯木齊830001)

碎裂結構巖體圍巖壓力對隧道襯砌內力的影響

徐 紅1, 曾博文2, 李永明3, 張志強2

(1. 烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊830001; 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031; 3. 烏魯木齊市軌道交通項目建設執行辦公室，新疆烏魯木齊830001)

文章以烏魯木齊軌道交通2號線高鐵站—華山路區間隧道為工程依托背景，隧道穿越斷層帶破碎節理發育較好的巖體地層，分析了碎裂結構巖體的基本力學特性，得到了碎裂結構巖體變形破壞的模式，并建立碎裂結構巖體隧道模型，基于離散元的方法，分析不同埋深下，即不同圍巖壓力下，隧道襯砌內力的變化規律，得出了一些適用于碎裂結構巖體隧道施工的重要結論，以期指導同類工程。

隧道工程； 碎裂結構巖體； 圍巖壓力； 襯砌內力

烏魯木齊軌道交通2號線高鐵站—華山路區間隧道所處地質環境復雜，所穿越的地層均含有發育較好的節理破碎帶巖體，其中以碎裂結構的巖體為主。具有這種結構的巖體在無圍壓和低圍壓的條件下在傳播應力上和變形發展上經常呈現不連續特性，在力學性質上具有明顯的結構效應。故圍巖壓力對碎裂結構巖體的力學性能具有較大的影響，需要對隧道襯砌受力的狀態進行相關的研究。

國內許多學者已經對碎裂結構巖體圍巖壓力對隧道襯砌內力影響展開了研究，如周洪福等人[1]對碎裂結構巖體似連續性的特點進行初步地分析，得到了水電工程可利用巖體的一種新的評價方法；李鵬飛等人[2]討論隧道圍巖壓力沿洞周的分布規律和不均勻系數的分布特征，分析隧道圍巖壓力作用機制和完善支護結構設計方法；韓勇等人[3]采用UDEC數值分析軟件，建立碎裂結構巖體數值模型，研究碎裂結構巖體應力傳播的結構效應；龔建伍等人[4]對淺埋小凈距隧道的圍巖壓力進行理論分析和探討，提出考慮隧道雙洞先后施工過程的圍巖壓力分析模型和計算方法；譚忠盛等人[5]經過對算法的比較分析，提出一種簡單、實用的二次二階矩法；李鵬飛等人[6]選取隧道圍巖壓力計算的7種常用方法，分別計算隧道埋深和隧道跨度等參數對圍巖壓力計算結果的影響；劉德軍等人[7]為了克服隧道襯砌內表面常用補強方法的不足，探索纖維編織網增強混凝土加固隧道襯砌的適用性；劉學增等人[8]基于隧道襯砌拱頂結構1∶1的荷載試驗，建立襯砌裂縫深度與襯砌剛度的關系，提出裂縫處襯砌剛度計算的梁彈簧模型。

高鐵站—華山路站區間隧道沿線分布的風化巖主要為強風化～中等風化的泥巖，成巖較差易軟化易形成軟弱夾層。圍巖等級為III、IV級，可以將該區段的地層看作是破碎狀節理巖體。本文基于碎裂結構巖體中隧道的變形和破壞模式，建立碎裂結構巖體隧道模型，分析不同圍壓對隧道襯砌內力的影響。

1 工程概況

高鐵站—華山路站起點里程DK15+750 m，終點里程DK17+100，長1 350 m。位于山前丘陵區，地勢南高北低，既有蘭新鐵路穿越DK16+850～DK17+050段西側為維泰路挖方路塹地，起伏較大，地面標高在810～855 m之間。

烏魯木齊市區地下水位、含水層厚度、滲透系數、富水性等受基巖埋深、補給斷裂等影響存在明顯的差異。地表水分布于DK15+800～DK15+835段，為一側溝內流水。側溝內流水較淺，水深0.2 m左右。該水源補給主要為上游近山丘陵地帶的荒山綠化灌溉用水和大氣降水，水量不大。車站內地下水為松散層孔隙潛水，主要埋藏于第四系中更新統圓礫土中，水位埋深1.0～30.5 m，水位高程792.4～834.5 m，地下水主要接受大氣降水，水量不大。擬建區間隧道在左線ZDK16+360～ZDK16+455以及右線YDK16+355～YDK16+450，經過九家灣斷層組中的F5-3斷層，其下破碎帶區域巖石呈現明顯的碎裂狀(圖1)。

圖1 碎裂狀巖體

2 碎裂結構巖體基本力學特性

2.1 碎裂結構巖體

碎裂結構巖體是指在III、IV級堅硬結構面切割下形成分離的結構巖體。碎裂結構巖體，既不同于塊裂結構巖體，也不同于完整結構巖體。這不僅表現在巖體結構上，而且更重要的是表現在巖體力學作用上。就巖體力學性質來說，塊裂結構巖體主要受軟弱結構面力學性質控制，而碎裂結構巖體則既受結構面控制，又受結構體—巖塊力學性質控制。就巖體力學作用來說，同樣，它既不同于塊裂結構巖體，又不同于完整結構巖體力學作用。

構成碎裂結構巖體有兩種結構類型，即碎裂結構和粗碎屑散體結構。其中碎裂結構又可以分為許多種亞類，主要有三種亞類：等厚層狀碎裂結構，不等厚層狀碎裂結構，塊狀碎裂結構。以上各種巖體結構按力學作用可以歸并為兩種典型結構，即對縫砌體碎裂結構和錯縫砌體碎裂結構。本文依托工程區間隧道為不等厚層狀碎裂結構。

2.2 碎裂結構巖體的變形破壞模式

碎裂結構巖體變形是比較復雜的，它的變形中常有四種成分，即結構體壓縮變形、結構體剪切變形、結構面壓縮閉合變形、結構面剪切滑移變形。這四種成分不僅在具體的巖體變形中影響程度不同，而且發揮作用的階段亦不相同。

碎裂結構巖體的破壞主要有四種方式，即結構體被壓碎，這種情況比較少有；結構體沿著結構面滑動，使巖體結構解體；巖體結構崩潰，解體；結構體滾動，使巖體結構解體。碎裂結構巖體破壞是比較復雜的，屬于多種方式的復合破壞。

3 基本假設與模型的建立

3.1 基本假設

由于離散元法特別適合于富含節理弱面和大變形的工程問題，因而較多應用于碎裂結構巖體的模擬，本文采用UDEC離散元軟件。為研究碎裂結構巖體在隧道開挖圍巖穩定性，做如下假設：

(1)模型處于平面應變狀態；考慮第三維方向的應力分布，建立平面計算模型；

(2)巖石為均質彈塑性材料，由于節理的存在而非各向同性材料；

(3)結構面平直全長貫通，兩組結構面相互正交，各組間距相等；兩組結構面的力學性能是相同的，計算選取的結構面參數均相同；

(4)固定左右邊界水平位移及下邊界豎向位移；超淺埋和淺埋情況下上邊界自由直接取到地表，深埋情況下上邊界取隧道開挖跨徑的3倍，并于上邊界施加均布壓力p模擬上覆巖層壓力。

3.2 模型的建立

為研究碎裂結構巖體中隧道的基本力學響應，按照復合襯砌斷面圖建模。巖體結構為兩組結構面形成的對縫式碎裂結構，兩組結構面間距均為0.4 m，隧道跨度B=8.02 m，模型寬度為10倍跨徑約81 m，底板距下邊界約35 m，當拱頂距上邊界覆土深度大于35 m時取35 m，并在上邊界施加均布巖層壓力模擬上覆巖層壓力；當拱頂距上邊界的覆土深度小于等于35 m時，上邊界取到地表(圖2)。

圖2 碎裂結構計算模型

如圖2所示，約束模型左右邊界的水平位移和下邊界的上下位移。S為巖層厚度，p為上覆土壓。計算共取22個工況，埋深從10～900 m不等。

模型選取以下參數：GSI=50，GCI=75 MPa，m=8，D=0；JRC=11，JCS=75 MPa，φr=26，容重γ=26 kN/m3，泊松比μ=0.27，變形模量Em=8 660.25 MPa，巖石抗拉強度σt=0.216 1 MPa;節理法向剛度均為Kn=18.141 GPa，抗拉強度為0，其余圍巖物性指標及結構面力學參數如表1所示。

考慮到二次襯砌主要作為安全儲備來使用，故分析時不考慮二次襯砌，選取初襯參數如表2所示。

4 隧道襯砌內力分析

為了在開挖后加入支護，研究支護后圍壓效應對隧道圍巖穩定性的影響，采用struct梁單元模擬襯砌，對于襯砌的模擬我們采用厚度36 cm的struct梁單元一次施作完成，襯砌沿開挖斷面全環封閉。采用地層—結構模式分析襯砌在不同圍壓水平下的內力變化，研究圍壓變化對隧道暗挖法施工情況下開挖隧道后主體支護結構受力的影響。

4.1 襯砌彎矩分析

各工況襯砌彎矩分布如圖3所示。隧道埋深超過100 m后，襯砌彎矩分布基本與埋深100 m時相同，因此只給出襯砌彎矩分布有明顯變化工況。

根據計算獲得的各工況下襯砌最大彎矩值(絕對值)隨隧道埋深變化圖如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出：

(1)隧道埋深較小情況下，襯砌拱頂部位彎矩較大，邊墻部位彎矩相對要小；隧道埋深較大的情況下，襯砌拱頂部位彎矩較小，而邊墻彎矩較大。

(2)從襯砌彎矩最大絕對值變化上看，隨埋深增大，襯砌彎矩緩慢增大，由20 kN·m左右增大到40 kN·m左右。

4.2 襯砌軸力分析

由于計算工況較多，此處僅給出軸力分布有明顯變化的工況(圖5)。當隧道埋深大于100 m后，襯砌軸力分布基本與埋深100 m時相同，只是絕對數值上有差異。

表1 各工況下圍巖物性指標和結構面力學參數

表2 襯砌結構材料參數

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

圖4 襯砌最大彎矩值隨隧道埋深變化

根據計算獲得的各工況下襯砌最大軸力值(絕對值)隨隧道埋深變化圖如圖6所示。

從圖5、圖6可以看出：

(1)從襯砌軸力分布情況看，隧道埋深小于100 m時，襯砌軸力分布較為均勻；隧道埋深大于等于100 m時，襯砌軸力分布變的有差異，拱頂軸力很小幾乎為零，而兩側邊墻軸力較大。

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

圖6 襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化

(2)從襯砌軸力的最大絕對值隨隧道埋深變化圖上看，隧道埋深10～35 m，襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化幾乎呈線性增大的趨勢，其數值從700 kN左右迅速上升到1 100 kN左右；隧道埋深35～40 m，襯砌最大軸力值隨埋深增大急劇減小，其數值從1 100 kN左右迅速減少到300 kN左右；隧道埋深40～900 m，襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化呈緩慢增大趨勢，其數值從300 kN左右上升到700 kN左右。

4.3 安全性評價

取10 m、50 m、100 m埋深三個工況，討論支護結構安全性，計算出安全系數如表3～表5所示。

表3 埋深10 m時支護結構安全系數

從以上各表可以看出：埋深較淺時，墻腳處安全系數較小，是整個斷面最為危險的位置。隨著埋深的增大，拱頂位置處的安全系數接近限值，斷面其他位置的安全系數呈下降趨勢。埋深達到100 m時，除拱腳位置外，斷面其余位置安全系數均較小，均處于較危險的狀態。

表4 埋深50 m時支護結構安全系數

表5 埋深100 m時支護結構安全系數

5 結論

(1)巖體的力學作用和力學性能密切地與它所處的應力狀態有關，這被稱為巖體的圍壓效應。當圍壓超過于一定水平時，巖體的結構效應迅速減少到可以忽略的程度，這個圍壓水平本文稱其為巖體喪失結構效應的臨界圍壓水平。巖體喪失結構效應后，可以將其簡化為連續介質處理，但是巖體存在明顯結構效應時，必須用非連續介質力學分析的方法處理。

(2)通過離散單元法數值模擬，得到了襯砌內力與圍巖壓力之間的關系，由襯砌內力的變化規律可看出，在埋深35～40 m處，襯砌內力出現突變，說明圍巖穩定性出現突變，這與巖體結構效應喪失相吻合。同時可得出，隧道圍巖穩定性隨圍壓的增大呈先增大后降低的變化趨勢，即隨著圍壓的增大，隧道圍巖穩定性先由較差向較好變化，當圍壓達到巖體喪失結構效應的臨界圍壓水平后再向較差變化。

[1] 周洪福,韋玉婷,聶德新. 對碎裂結構巖體似連續介質特征的一點研究[J]. 工程地質學報,2008(1):17-21.

[2] 李鵬飛,趙勇,張頂立,等. 基于現場實測數據統計的隧道圍巖壓力分布規律研究[J]. 巖石力學與工程學報,2013(7):1392-1399.

[3] 韓勇,吳永清,陸孝如. 離散元模擬碎裂結構巖體應力傳播特征[J]. 巖土工程界,2005(4):42-44.

[4] 龔建伍,夏才初,雷學文. 淺埋小凈距隧道圍巖壓力計算與監測分析[J]. 巖石力學與工程學報,2010(S2):4139-4145.

[5] 譚忠盛,王夢恕. 隧道襯砌結構可靠度分析的二次二階矩法[J]. 巖石力學與工程學報,2004(13):2243-2247.

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U451+.4

A

[定稿日期]2017-06-21

國家自然科學基金(編號:51478396)；新疆維吾爾自治區科技計劃項目(編號:2013-1)

徐紅(1970～)，女，高級工程師，主要從事地鐵隧道工程設計與管理工作。

四川省土木建筑學會首套專家叢書問世