巖體節理對隧道開挖穩定性的影響分析

張文勝

(西南交通大學，四川成都 610031)

天然巖體是經過多次而反復的地質作用的地質體，而節理作為巖體的軟弱結構面，使巖體的完整性及均勻性受到不同程度的破壞，直接影響著地下工程的設計、施工及工程的穩定性評價[1]。以往的隧道穩定性研究常常是將圍巖看成連續體來進行數值模擬計算，沒有考慮節理的削弱作用，這是不甚合理的。我國修建的隧道穿越的地質環境越來越復雜，如何對節理巖體中的隧道穩定性進行評定也是今后隧道工程中的重點與難點[2]。

1 工程概況

貴陽市南埡路三號隧道為分離式雙向八車道隧道，全長1 171.1 m，隧道開挖寬度21.8 m，高度為14.3 m，其左右兩隧道凈距為21.8 m。隧道穿越地段圍巖分級為Ⅳ級，巖體中節理裂隙較為發育，根據掌子面露出資料及地質勘探顯示，圍巖中主要發育一組節理，傾向70～90 °，傾角78～120 °，節理間距0.5～1 m。隧道掌子面圖如圖1所示。

圖1 隧道掌子面

2 利用強度折減法分析隧道穩定性

為研究巖體中節理對隧道穩定性的削弱作用，本文引入強度折減法，分別計算出連續完整巖體及考慮節理因素的破碎巖體的安全系數，通過對比來研究節理的影響。

強度折減法是基于極限分析法而提出的理論，極限分析法假設理想塑性體或剛塑性體處于極限狀態，即巖土體的潛在滑動面上的滑動力與抗滑力相等或剪應力與抗剪強度相等。采用強度折減法進行圍巖穩定性分析時，通常是將c、φ值反復除以相同的折減系數，之后進行平衡計算，直到隧道失穩。根據鄭穎人[3]的研究，在折減過程中，隧道洞周的位移會隨折減系數的增大而不斷發展，當隧道洞周的位移發生突變時，我們就認為隧道失穩，將此時對應的折減系數視為隧道的安全系數，作為定量評定隧道穩定性的指標。如圖2所示，此計算中的隧道安全系數即為10.5。

圖2 折減系數—特征點位移曲線

3 模型建立

本文為討論是否考慮巖體節理的兩種情況，需要分別利用FLAC3D軟件建立完整巖體的連續體模型，利用3DEC軟件建立節理巖體的離散體模型。隧道的幾何尺寸及節理特征按照第2節中的設計要求取值，為得到全段隧道在不同埋深下的圍巖穩定性曲線，模型中的埋深需由淺至深取多個值。為減小邊界條件的影響，左右邊界和模型底部取約5倍隧道洞徑進行計算。計算模型見圖3。

巖體及節理的計算參數根據地勘資料確定，具體數值見表1。

4 計算結果分析

經過強度折減法計算，分別得到完整巖體及節理巖體在不同埋深下的安全系數，將結果匯總如圖4所示。

從圖4安全系數隨埋深變化曲線圖可看出，兩條曲線的變化趨勢基本相同：隨著埋深的不斷增加，圍巖安全系數先增大后減小。隧道處于超淺埋時，其安全系數較小，在不加支護的情況下難以自穩，這是因為埋深太淺，開挖后不能形成塌落拱，圍巖沒有自承能力；隨著埋深的不斷增加，其安全系數迅速增大，這是因為在隧道達到一定埋深后，塌落拱形成，圍巖的自承能力可以使毛洞自穩；在出現安全系數極大值之后隨著隧道埋深的增大，地應力也隨之增大，安全系數逐漸減小；甚至在埋深達到某一極限狀態時，由于地應力較大，毛洞開挖后所受應力超出圍巖自承能力，在無支護下開挖隧道不能自穩。完整巖體的安全系數要明顯大于相同埋深下的節理巖體情況，這說明節理對隧道圍巖的削弱作用是不可忽略的。在實際工程中，利用有限元軟件算出圍巖穩定性往往較大，毛洞開挖后容易自穩，因此選擇的支護方案也會較薄弱，若實際巖體中存在著大量的節理，則會引起拱頂掉塊、滑移、局部失穩等災害。但是在實際巖體中，節理多是不貫通的，因此本節離散元軟件計算的結果是偏保守的，實際的隧道穩定性應在二者之間。

(a)完整巖體計算模型

(b)節理巖體計算模型圖3 計算模型示意

項目重度/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa內摩擦角/°巖塊參數23.04.00.360032法向剛度/(GPa·m-1)切向剛度/(GPa·m-1)粘聚力/kPa內摩擦角/°抗拉強度/kPa節理參數553501810

圖4 不同埋深下的隧道安全系數

5 結論

本文結合南埡路三號隧道的實際情況，利用強度折減法定量化分析了節理對圍巖穩定性的影響，得出了以下結論：

(1)圍巖穩定性隨著埋深的增大而先快速增加到極值點后慢慢減小。超淺埋及超深埋的毛洞自穩能力均較差，這與隧道圍巖能否形成具有自承能力的塌落拱密切相關，修建隧道時，應當將隧道埋深控制在合理埋深區間內。

(2)節理對圍巖穩定性的削弱作用明顯，將巖體看做連續體時，即使隧道開挖后能夠自穩，在考慮節理之后，也有可能發生失穩。在節理巖體中開挖隧道時，隧道支護應在開挖后立即施做，且支護結構應按保守設計。