紅層隧道圍巖穩(wěn)定性分析研究

王 碩, 張志強, 周宇鍇

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隨著川南地區(qū)高速公路鐵路的興修，出現(xiàn)大量穿越紅層軟巖的隧道[1]。紅層圍巖膠結(jié)程度差且富含黏土礦物導(dǎo)致其表現(xiàn)出強度低、塑性變形大、水理性強、易風(fēng)化等特殊性質(zhì)，同時節(jié)理發(fā)育[2-5]。在節(jié)理破碎巖體中，由于節(jié)理面的存在，特別是軟弱夾層的存在，極大削弱了巖體力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性。節(jié)理面的變形與強度性質(zhì)往往對于工程巖體的變形和穩(wěn)定性起著控制性作用，因此，研究節(jié)理面對圍巖穩(wěn)定性的影響對節(jié)理破碎巖體中隧道穩(wěn)定性具有重要意義。

在國外，Kaiser[6]和Sulem等[7]較早的對隧道圍巖穩(wěn)定性做了研究。在國內(nèi)，劉明[1]等利用實時監(jiān)測的隧道圍巖拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)，研究了紅層隧道圍巖的穩(wěn)定狀況。邵遠(yuǎn)揚[8]研究了層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性及破壞模式。鄭昳[9]基于紅層的性質(zhì)及大跨度隧道的特點，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，研究得出交叉中隔法(CRD)進(jìn)行開挖與支護(hù)，可以滿足隧道圍巖穩(wěn)定性要求。目前學(xué)者們針對紅層工程地質(zhì)條件下有關(guān)隧道圍巖穩(wěn)定性方面的研究較少，因此開展紅層軟巖隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性評價及施工控制措施研究具有重要的意義。為此本文根據(jù)天坪寨隧道實際工程情況為依托，利用塊體離散元方法研究不同傾角節(jié)理地層隧道穩(wěn)定性規(guī)律，提出施工控制措施，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

達(dá)萬(達(dá)州～萬州)高速公路天坪寨隧道進(jìn)出口節(jié)理裂隙相對發(fā)育，而洞身發(fā)育程度相對較差。節(jié)理實測結(jié)果顯示，其主要發(fā)育3組(主控節(jié)理2組)，其中(1)J1組：產(chǎn)狀0～35 °∠55～77 °，間距0.2～0.5m不等，為區(qū)內(nèi)的主控節(jié)理之一；(2)J2組：產(chǎn)狀190～230 °∠59～80 °，間距0.20～0.70m不等，為區(qū)內(nèi)的主控節(jié)理之一；(3)J3組：產(chǎn)狀40～65 °∠60～80 °，間距0.50～1.00m不等，局部泥質(zhì)充填。

2 數(shù)值模擬分析

本次計算采用離散元數(shù)值模擬方法，該方法把節(jié)理巖體視為由離散的塊體和巖塊間的節(jié)理面組成，允許巖塊平移、轉(zhuǎn)動和變形，而節(jié)理面可被壓縮、分離和滑動；從而可較真實地模擬節(jié)理巖體中非線性大變形特征。因此，對于節(jié)理發(fā)育隧道，采用UDEC進(jìn)行數(shù)值模擬是非常適合的。

2.1 計算模型

計算基本假設(shè)：隧道穿越節(jié)理均勻發(fā)育的巖體和地層，節(jié)理間距相同、傾角相同；各節(jié)理計算參數(shù)相同：忽略其他復(fù)雜地質(zhì)條件，如地下水滲流，斷層破碎帶等；模擬計算的毛洞斷面采用隧道設(shè)計開挖輪廓線。

天坪寨隧道計算斷面埋深573m；開挖跨徑為12m；模型寬度108m，仰拱距下邊界約36m，拱頂距上邊界約48m。模型上邊界施加上覆巖層壓力，左右邊界約束水平位移，下邊界約束其豎向位移(圖1)。

圖1 計算模型(以30°傾角節(jié)理為例)

根據(jù)天坪寨隧道鉆孔巖芯的物理力學(xué)參數(shù)，確定計算參數(shù)如表1、節(jié)理計算參數(shù)如表2。

表1 巖體計算參數(shù)

表2 節(jié)理計算參數(shù)

3.2 計算工況

在自重應(yīng)力場下，0 °、30 °、60 °、90 °傾角節(jié)理隧道全斷面開挖；除節(jié)理傾角以30 °遞增變化外，各計算模型的其他計算參數(shù)相同，節(jié)理間距取0.5m，以此來探討不同節(jié)理傾角對隧道圍巖變形的影響。

3 計算結(jié)果分析

3.1 洞周沉降分析

隧道全斷面開挖計算平衡后，各工況洞周沉降分布見圖2～圖5。

圖2 0°傾角節(jié)理洞周沉降云圖(單位：m)

圖3 30°傾角節(jié)理洞周沉降云圖(單位：m)

圖4 60°傾角節(jié)理洞周沉降云圖(單位：m)

圖5 90°傾角節(jié)理洞周沉降云圖(單位：m)

從圖2～圖5中可以看出：在相同初始地應(yīng)力場中，節(jié)理傾角不同，各工況的洞周沉降分布不同。由此可見不同的節(jié)理傾角會對洞周沉降產(chǎn)生不同的影響。節(jié)理傾角30 °和60 °時，洞壁右側(cè)沉降總體上大于洞壁左側(cè)。由此可見在巖層產(chǎn)狀傾斜的地質(zhì)偏壓隧道中，不同節(jié)理傾角會導(dǎo)致洞周產(chǎn)生不對稱的沉降，當(dāng)節(jié)理傾角在0～90 °之間時，洞壁右側(cè)沉降總體上大于洞壁左側(cè)。

從拱頂沉降計算結(jié)果可以看出：在自重應(yīng)力場中，當(dāng)節(jié)理傾角小于90 °時，不同節(jié)理傾角對拱頂沉降產(chǎn)生影響較小；但當(dāng)節(jié)理傾角為90 °時，在自重應(yīng)力作用下，拱頂沉降較大。故在隧道開挖后，應(yīng)及時施做支護(hù)，防止拱頂沉降過大。

3.2 洞周第一主應(yīng)力σ1分析

隧道全斷面開挖計算平衡后，各工況洞周第一主應(yīng)力σ1分布見圖6～圖9。

圖6 0°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

圖7 30°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

圖8 60°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

圖9 90°傾角洞周σ1云圖(單位：Pa)

從圖6～圖9中可以看出：在相同初始地應(yīng)力場中，節(jié)理傾角不同，各工況的洞周第一主應(yīng)力分布也不同；由此可見不同的節(jié)理傾角會對隧洞應(yīng)力場分布產(chǎn)生影響。節(jié)理傾角30 °和60 °時，洞壁右側(cè)第一主應(yīng)力總體上大于洞壁左側(cè)。由此可見在巖層產(chǎn)狀傾斜的地質(zhì)偏壓隧道中，不同節(jié)理傾角會導(dǎo)致洞周產(chǎn)生不對稱的應(yīng)力場，當(dāng)節(jié)理傾角在0～ 90 °之間時，洞壁右側(cè)第一主應(yīng)力總體上大于洞壁左側(cè)。

4 結(jié)論

本文主要探討在不同傾角節(jié)理巖體中隧道圍巖二次應(yīng)力場分布特性以及在傾斜地質(zhì)偏壓條件下隧道圍巖的變形情況。主要結(jié)論如下：

(1)不同節(jié)理傾角會對洞周沉降和洞周主應(yīng)力分布產(chǎn)生不同的影響；洞周沉降隨著節(jié)理傾角的增大而不斷增大。

(2)巖層產(chǎn)狀傾斜的地質(zhì)偏壓隧道會導(dǎo)致洞周產(chǎn)生不對稱的應(yīng)力場分布；節(jié)理傾角不同，洞周應(yīng)力場分布也不相同，洞周各項應(yīng)力最大值及其發(fā)生部位也隨節(jié)理傾角的改變而不同。當(dāng)節(jié)理傾角在0～ 30 °之間時，洞周第一主應(yīng)力最大值大小變化不大；當(dāng)節(jié)理傾角在30～ 90 °之間時，隨著節(jié)理傾角的增大，洞周第一主應(yīng)力最大值反而減小；同時，隨著節(jié)理傾角不斷增大，隧道洞周第一主應(yīng)力最大值的發(fā)生部位也在不斷上移。

(3)根據(jù)紅層隧道圍巖變形特征和產(chǎn)生原因，提出加強監(jiān)控量測，提高初支強度剛度，及時封閉等施工控制措施來提高圍巖穩(wěn)定性。