隧道圍巖節理產狀對施工穩定性影響研究

陳探

摘要：隧道圍巖節理產狀是影響隧道開挖及支護穩定性的關鍵因素。為探究千枚巖地層節理產狀對連拱隧道施工穩定性的影響，依托祁門某連拱隧道，建立了隧道開挖的三維有限元模型，分析了千枚巖巖層節理產狀與連拱隧道開挖圍巖支護結構變形的相關性，探討了千枚巖不同節理傾角和節理數量下的連拱隧道支護結構位移及應力響應。計算結果表明：在千枚巖連拱隧道施工過程中，當掌子面附近存在傾角大于60°的多條節理時，需要適當加強支護，并嚴格控制爆破開挖對圍巖的擾動。

關鍵詞：連拱隧道;節理產狀;千枚巖;數值模擬

巖體在自然風化、侵蝕和節理面的切割作用下，強度會大幅下降[1]。在隧道開挖工程中，圍巖的初始形態被破壞，形成二次應力，裂紋在此過程積累，逐漸發育成節理巖體。隧道因節理巖體失穩破壞引發施工事故較多，因此有關節理巖體隧道開挖穩定性的研究己成為隧道施工中的熱點問題之一[2]。

目前，在隧道施工圍巖穩定性方面開展了大量的研究，但由于工程地質條件多變、地層節理產狀不一致，圍巖與支護結構之間的相互作用機理還不夠充分，圍巖參數的選擇具有不確定性[3]。在層狀巖體隧道的設計與施工中，多采用經驗類比法。本研究以依托工程地勘調查、技術調研為基礎，對施工過程中數據收集分析，研究千枚巖巖層的產狀、結構面及節理數量與連拱隧道開挖圍巖變形的相關性，以及對連拱隧道施工的影響。

1 工程概況

項目依托德上高速公路池祁段某連拱隧道，隧道主要穿越碎石土、強～中風化千枚巖，隧址區千枚巖巖層節理裂隙發育，隧道所處的地形、地質環境復雜。本次調查主要觀測點描述見表1。

2 數值模擬研究

2.1 數值計算模型

本文采用Midas/GTS三維有限元軟件模擬含節理巖層連拱隧道的施工過程，分析隧道圍巖—支護結構力學性能以及變形規律，建立千枚巖節理產狀及節理數量與隧道開挖圍巖變形的相關性模型，最終提出節理產狀對連拱隧道施工的影響。

有限元模型中的圍巖和中隔墻采用三維實體單元，噴射混凝土采用板單元模擬，錨桿采用植入型桁架模擬[4]。連拱隧道物理模型洞室跨度8m，埋深為30m。隧道圍巖兩側約束條件為水平約束，下部為豎向約束，上部為自由約束。隧道兩側和隧道上下部節理跨度均是4倍隧道寬度。巖土體和支護結構物理力學參數見表2。

2.2 結果分析

2.2.1 不同節理傾角的位移及應力分析

選取0°、30°、60°和90°四種不同節理傾角的千枚巖巖體來進行分析，研究巖層節理傾角與連拱隧道開挖圍巖變形的相關性以及對連拱隧道施工的影響。不同節理傾角條件下中隔墻Z方向位移如圖1所示。

由上圖可知，當巖體節理傾角由0°增長到90°，連拱隧道中隔墻Z方向位移也隨之增大。對于物理力學特性相近的節理，節理水平時的中隔墻沉降最小，節理垂直時的中隔墻沉降最大。巖層節理傾角小于45°時，隨著節理傾角的增大，中隔墻沉降變化較小;巖層節理傾角大于45°時，隨著節理傾角的增大，中隔墻沉降變化明顯。

領完，分析了節理傾角連拱隧道開挖中隔墻主應力，當巖體節理傾角由0°增長到90°，連拱隧道中隔墻主應力也隨之增大，但變化幅值較小。對于物理力學特性相近的節理，節理水平時的中隔墻最大主應力最小，節理垂直時中隔墻最大主應力最大。

2.2.2 不同節理數量的位移及應力分析

選取在節理傾角為30°時，節理數量分別為1條、2條和3條的巖體進行建模。研究千枚巖巖層節理數量與連拱隧道開挖圍巖變形的相關性及其對施工的影響。不同節理數量條件下中隔墻Z方向位移云圖如圖2所示。

由上圖可以得出，當節理數量增多時，連拱隧道中隔墻Z方向位移也隨之增大。對于物理力學特性相近的節理，中隔墻沉降隨著節理數量增長呈線性增長。另外，分析了不同節理數量條件下中隔墻最大應力，可以得出，當巖體節理數量增多時，連拱隧道中隔墻主應力也隨之增大，但變化幅值較小。相同物理力學條件下，中隔墻最大主應力隨著節理數量增長呈線性增長。

3 巖層節理產狀對連拱隧道施工影響

結合不同節理傾角和節理數量下數值模擬結果，分析千枚巖巖層節理傾角與連拱隧道開挖支護結構變形的相關性，見表3-表4。

由上表可知，隨著節理傾角和節理數量的增長，連拱隧道開挖后中隔墻和初期支護的位移和應力均有所增長;節理傾角變化對中隔墻和初期支護的位移和應力影響更明顯。因此，在千枚巖連拱隧道施工過程中，當掌子面附近存在傾角大于60°的多條節理時，需要根據超前地質預報結果，提出合理的支護方案，并嚴格控制爆破開挖對圍巖的擾動。

4 結論

本研究通過數值模擬方法研究了千枚巖巖層節理產狀與連拱隧道開挖圍巖支護結構變形的相關性。在千枚巖連拱隧道施工過程中，當掌子面附近存在傾角大于60°的多條節理時，需要適當加強支護，并嚴格控制爆破開挖對圍巖的擾動。該結論成功應用于依托工程的千枚巖層狀地層發育段的連拱隧道施工，提前加強支護指導現場施工，保障了施工安全。

參考文獻

[1]張志剛，喬春生，劉勇.節理巖體強度特征研究綜述[J].煤田地質與勘探，2006（05）：38-41.

[2]楊忠民，高永濤，吳順川，等.節理巖體中縱向間距對連拱隧道穩定性的影響[J].中國公路學報，2018，31（10）：167-176.

[3]李亞勇，王芳其，靳曉光，等.節理巖體中連拱隧道施工對周邊建筑物的影響[J].重慶大學學報，2015，38（06）：115-122.

[4]盧國興，靳金強，胡恒，等.既有公路隧道修復方案優化及穩定性分析[J].中國標準化，2021（22）：140-144.