不同節理傾角下圍巖最大主應力變化規律

李 艷

（深圳市水務工程檢測有限公司,廣東 深圳 518110）

1 引言

隨著地下工程的不斷發展,關于圍巖的物理力學性質的研究已經越來越受關注,而層狀巖體是在工程中分布較為廣泛的一種情況。根據統計可知,在地下圍巖中層狀的巖體占比達到66%,其中我國含層狀節理的巖體比例高達77%[1]。由上可知,在地下工程施工過程中極易遭遇由于不同地質構造而形成的層狀巖體[2]。而大量的工程案例表明,在這些由于地質構造而形成的層狀巖體中進行地下工程開挖會導致地下洞室發生局部坍塌等工程災害[3]。

為分析由于地質構造而形成的層狀巖體的物理力學性質,確保地下工程圍巖的穩定性與安全性,國內外眾多學者對層狀巖體的物理力學性質開展了大量的研究[4]。周曉軍等[5]開展了室內物理模型試驗,研究了在層理面影響下圍巖以及二次襯砌的受力狀態。馬騰飛等[6]采用三維室內模型試驗,得到了深埋地下工程在含層狀節理開挖過程中圍巖的破壞機制。Zhang Zhizhen 等[7]通過理論分析求解出了不同層理傾角下開挖斷面的彈性應力解。余東明等基于理論公式推導出了在含層狀節理條件下圓形深埋地下洞室的彈塑性解。ManhVu等[8]提出了在各相異性條件下非線彈性圍巖中開挖狀態下的解析解,并得到了在圍巖層理面與地下洞室軸線垂直的條件下,中間主應力對應力場的影響。徐國文等[9]通過數值模擬方法研究了層狀千枚巖地層開挖過程中隧道圍巖的穩定性。譚鑫等[10]采用RFPA（巖石破裂過程分析）軟件,研究了不同傾角下層狀結構面對圍巖的變形,應力以及破壞特征,并認為層狀結構面傾角越大,對邊墻的受力越不利。

本文將以某引水隧洞為工程背景,采用三維離散元計算軟件3DEC,模擬并研究不同節理傾角下（0°、30°、60°和90°）地下工程開挖過程中圍巖的最大應力場變化規律。

2 工程概況與參數選取

2.1 工程概況

本文以某引水隧洞為工程背景,隧洞凈寬設計為10.40 m,凈高設計為7.00 m,長為1522.00 m,其中最大埋深為213.00 m。隧道穿越地層的巖性主要為三疊系的變質板巖,其板巖與節理的力學性質見表1和表2。

表1 板巖力學參數的選取

表2 板巖結構面力學參數的選取

2.2 三維離散元計算模型的設置

由于三維離散元軟件是從塊體的接觸入手,建立接觸的物理力學模型,在數值計算過程中,求解各接觸的物理力學狀態,將塊體視為可相互移動的離散性塊體,在數值計算過程中可允許單元體發生平移與轉動[11]。因而相較于有限元計算方法,三維離散元軟件特別適用于裂隙巖體、節理巖體等數值求解問題。在本文的數值模擬計算過程中,不考慮地下洞室的支護條件,僅僅考慮毛洞的圍巖穩定性,在數值計算過程中采用全斷面開挖。同時為了考慮尺寸效應,在建模過程中,基于圣維南定理,建立40 m×1 m×40 m 的立方塊體?？紤]到構造應力的影響,取計算側壓力系數為1.0,考慮到工程最不利影響,在計算過程中取最大埋深為213 m。由現場原位測試得到其最大主應力為25 MPa,最小主應力為12 MPa。為了真實模擬實際工況,最大、最小主應力以均布荷載施加到模型邊界,其邊界條件設為,上邊界為應力邊界,其余邊界均為固定邊界。由于海子山隧道圍巖層狀節理分布較為復雜,因此,本文研究了地下工程圍巖在不同層理傾角下（0°、30°、60°和90°）的圍巖最大主應力分布狀況。

3 不同傾角下圍巖最大主應力模擬結果分析

地下隧洞在開挖過程后,在應力調整過程中,極易導致應力集中現象。當應力集中程度達到巖石的極限承載力時,會導致圍巖發生斷裂、彈射以至失穩。而應力集中現象會導致圍巖最大主應力發生突變,因此研究地下工程在開挖后應力調整過程中最大主應力分布規律對揭示圍巖穩定狀態、破壞機制具有重要的工程意義。而在圍巖含層狀節理時主應力過大極易導致圍壓發生大規模的錯動滑移等地下工程災害,因此了解層狀節理在開挖后的應力分布狀況對地下工程圍巖穩定性的控制具有重要的意義。

為此,本文模擬不同層理傾角下地下工程在開挖后應力調整過程中的最大主應力變化規律。其中圖1為不同層理傾角分別為0°、30°、60°和90°時隧道圍巖的最大主應力云圖。

圖1 不同層理傾角下圍巖最大主應力云圖（單位：Pa）

圖1為不同層理傾角下圍巖開挖后應力調整過程中的最大主應力云圖。由圖1（a）可以看出,當層狀節理傾角為0°時,隧道拱頂與拱頂處所受的拉應力較小,表明由于開挖作用,隧道圍巖發生了應力釋放現象,但在隧道邊墻附近處出現了較大的壓應力,其壓應力為42.9 MPa；由圖1（b）可以看出,當層狀節理傾角為30°時,隧道周圍均出現了拉應力區域,且在拱底處受拉區面積較大,在隧道邊墻附近出現最大拉應力45.7 MPa 與42.5 MPa；由圖1（c）可知,當層狀節理傾角為60°時,隧道圍巖應力釋放區域面積較大,在隧道右拱腳處出現了較大的拉應力54.3 MPa；由圖1（d）可以看出,當層狀節理傾角為90°時,隧道輪廓面附近所受的拉應力為0.26 MPa,在隧道拱頂正上方與拱底正下方出現了拉應力釋放帶,而隧道左右邊墻附近所受的拉應力為33.15 MPa。

在節理傾角為0°與90°時,圍巖的應力云圖左右對稱,表明此時隧道受力無偏壓現象。而當層理傾角為30°與60°時,圍巖最大主應力的偏壓現象最為顯著,偏壓的出現導致圍巖出現局部應力集中現象,使得圍巖的加固處理更為復雜。其中,當層狀節理傾角為30°時,圍巖甚至出現拉應力,這表明這部分圍巖出現三向受拉狀態,而巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度,因此這部分圍巖極易發生破裂,最終導致地下工程圍巖在應力調整過程中出現宏觀裂隙,甚至出現大規模破壞、坍塌等現象。

4 結論

本文以某引水隧洞為依托背景,采用3 DEC 軟件對不同層狀節理傾角（0°、30°、60°和90°）下公路隧道圍巖開挖后應力調整過程中的最大主應力場變化規律進行了研究,得到了如下結論：

（1）當層狀節理傾角為0°時,隧道拱頂與拱頂處所受的拉應力較小,表明由于開挖作用,隧道圍巖發生了應力釋放現象。

（2）當層狀節理傾角為30°時,圍巖最大主應力為拉應力,這表明這部分圍巖出現三向受拉狀態,而巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度,因此這部分圍巖極易發生破裂,最終導致地下工程圍巖在應力調整過程中出現宏觀裂隙,甚至出現大規模破壞、坍塌等現象。

（3）當層狀節理傾角為90°時,隧道輪廓面附近所受的拉應力為0.26 MPa,在隧道拱頂正上方與拱底正下方出現了拉應力釋放帶。