結構面傾角影響下大埋深隧洞開挖穩定分析

李 忠 洪

(重慶化工職業學院建筑工程系，重慶 401228)

0 引言

地下工程與地下空間建設過程中，相應的安全建設與風險管理已成為國內外專家關注的重要問題[1]，亦是工程建設人員的工作重點。由于天然巖體形成過程中存在各種層理、弱面、微裂隙、微孔隙等[2]，因此，對于受到明顯軟弱面切割的巖體，將之視為連續巖體并計算開挖穩定是有不足的。現有研究中，對于圍巖結構面傾角在采用非連續變形方法分析開挖穩定方面的影響涉及較少。

1 非連續變形方法計算原理

非連續變形分析方法(DDA)在1985年由石根華和Goodman教授共同提出，是區別于連續介質的一種非連續介質力學模型[3，4]。相較于基于各向同性連續介質的計算方法而言，遵從實際軟弱層面對巖體的切割劃分，由于切割的方位、傾角等不一樣，它的計算單元可以是任何形狀的。軟件計算時，對于塊體接觸可采用庫侖定律，并聯立平衡方程對相應塊體荷載與時間增量求解，利用非連續變形理論，DDA在地下工程、邊坡等方面有較多的分析研究[5-7]，DDA方法在工程實例應用和理論分析方面仍然充滿活力。

2 工程實例及分析條件

2.1 工程實例

研究工程位于湖南，為雙洞獨立式公路隧道，開挖隧洞建筑限界尺寸為凈寬9.75 m×凈高5.0 m。隧道穿越高大山體，雙洞隧道中最大埋深深度約850 m，全隧道近50%長度埋深超過455 m，屬于大埋深隧道。根據公路設計，開挖隧道洞軸線走向為NW67°，隧道軸線主要通過六條大斷層，全隧道巖性主要為變質砂巖和硅質板巖。

某洞段開挖發現，隧洞斷面多以局部破壞和局部塊體失穩為主，開挖前后的變形監測表明開挖后拱頂和側墻變形較大，部分洞段很快就失穩掉塊，洞底有隆起的趨勢。開挖斷面場景：

1)F2斷層內開挖過程中常發生規模不一的塌方，塌方量從個別塊石到近50 m3不等，塌方多發生在拱頂和側墻位置；

2)觀察塌方特征，塌方巖體可見明顯的巖體節理結構面，且主要沿既有結構面崩落；

3)開挖段內節理結構面較多、結構面傾角不一，不同洞段圍巖顯見結構面傾角不同造成的圍巖穩定性差異。洞內開挖典型斷面如圖1所示。

基于現場情況，采用非連續變形分析方法(DDA)則更合適。對數百組節理結構面統計(見圖2)，開挖段內主要有四組結構面占優，分別為：①110°～136°∠65°～85°,②210°～230°∠75°～90°,③310°～340°∠50°～85°和④30°～70°∠50°～75°。

2.2 計算參數選定

第①組結構面傾角變化對圍巖穩定影響相對更大，因此計算方案為：變化第①組結構面傾角，同時保持②,③,④組結構面傾角不變。根據前期地質勘察及試驗成果資料，具體相關計算參數見表1。

表1 主要結構面的產狀取值表

3 洞體開挖穩定DDA分析

3.1 計算模型

利用非連續變形分析隧道開挖后未錨固隧道圍巖穩定，建立的計算模型如圖3所示。

通過變化洞體圍巖第①組結構面傾角，分別為0°,30°,50°,65°,75°和85°，利用非連續變形方法分析隧道開挖后不錨固時圍巖的穩定性。為監測開挖后圍巖位移情況，同時在隧道計算斷面提取7個監測點，如圖4所示。

3.2 開挖穩定分析

根據計算模擬結果，發現在開挖過程中隧道整體保持穩定，但隧洞斷面局部存在不穩現象，主要集中在拱頂和側墻位置，同時拱底部分圍巖塊體有隆起的趨勢，規模基本不大，對圍巖的整體穩定性影響不大。變化第①組結構面傾角，計算模擬表明洞體相同位置點的變形和應力矢量有差異。變化第①組結構面傾角，7個監測點位移如表2所示。

表2 不錨固時監測點位移數據表

從計算成果表2可以看出：

1)相同監測點位置，不同結構面傾角開挖后監測點的位移差距明顯，最大位移與最小位移相差最大達到6倍；

2)不管結構面傾角如何，洞體開挖后，洞頂及附近位置最容易發生塊體松動開裂，計算模擬結果與現場開挖情況吻合；

3)結構面傾角對洞體的開挖穩定存在影響，但影響程度受洞體圍巖其他結構面的走向和傾向、傾角制約，即開挖洞體中實際最不利結構面傾角不易確定，該模擬結果在實際開挖中也有體現。

3.3 錨固支護后穩定分析

隧道開挖后為防止巖體松動掉落，錨桿是常采用的工程措施。錨桿參數為：φ25 mm，長4 m，錨桿密度2.5×2.5 m2，錨桿及7個監測點如圖5所示。

通過計算，在②,③,④組結構面傾角不變，變化①組結構面傾角情況下，圍巖基本沒有松動開裂現象。錨桿錨固后，監測點的位移數據及錨桿受力如表3所示。

表3 圍巖錨固后監測點位移數據及錨桿受力表

根據表3計算監測點數據，圍巖錨固后無明顯塊體的失穩和開裂，圍巖錨固后有效地降低了圍巖位移，一定程度上抑制了圍巖松動范圍，通過對開挖隧道圍巖①組不同傾角、錨固和非錨固措施對比分析，得出:

1)開挖圍巖經過錨桿加固后，圍巖的位移較未錨固時普遍減少25%～96.7%；

2)圍巖不同結構面傾角下，相同監測點圍巖的位移依然有差異，但差異較小；

3)圍巖的位移變形受錨桿束縛，從計算成果看最大錨桿軸力121.3 kN，最小錨桿軸力小于20 kN，不同結構面傾角下錨桿軸力差異較大；

4)從圍巖結構面傾角對錨桿錨固效果的影響分析，結構面傾角不一樣時對錨固效果有很大影響，但是這種影響沒有規律性。

4 結論

針對大埋深隧道工程中圍巖結構面對洞體開挖穩定的影響，分析了該類巖體的開挖穩定影響、加固措施，結論如下：

1)DDA分析方法對于存在若干組明顯結構面的圍巖穩定性計算較基于連續介質的有限元計算方法更為有效、實用。

2)不同結構面傾角對圍巖穩定有一定影響，圍巖各監測特征點的松動變形與優勢結構面傾角的關系不明顯，隧道開挖的穩定性是一個系統工程，與諸多因素相關。

3)對于多組結構面賦存的隧道開挖，通過實時錨固可以很大程度降低圍巖變形，但錨固構件受力受圍巖不同結構面傾角的影響依然不明顯。

4)盡管基于非連續變形分析方法對于含有構造節理、裂隙、層理等分割的圍巖巖體穩定計算具有一定優勢，在模擬圍巖結構面傾角對開挖穩定的影響時，仍需結合其他工程手段。