節理傾角及組數對鐵路隧道圍巖穩定性的影響

羅勝利 伍容兵 張志強

(1. 中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司,昆明 650200; 2. 西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

引言

節理作為巖體中存在的天然軟弱結構面,普遍存在于工程地質中。 而這些節理面又將完整的巖體切割得極為破碎,使得圍巖的結構完整性大幅降低[1-4]。越來越多的隧道工程表明,巖體內部節理面的存在,是造成隧道工程圍巖變形過大、隧道整體塌方失穩的主要原因之一[5-9]。

目前,隧道圍巖失穩分析常用方法主要分為室內試驗、現場監測、數值模擬等。 在室內試驗與現場監測方面,張志強等采用正交試驗研究裂隙巖體節理對隧道穩定性的影響[10];索超峰等通過模型試驗研究多組節理情況下隧道施工擾動后圍巖的塌落范圍變化情況[11];李唱唱等利用水壓致裂法和三維水壓致裂法對地應力進行現場監測與分析,研究深埋高地應力下引水隧洞節理圍巖的穩定性問題[12];戚偉等采用理論分析、現場監測多種手段結合,對焦家金礦優勢節理組不同組合形成的塊體穩定性進行分析[13]。

常用的數值模擬方法主要包括有限單元法和離散單元法。 其中有限單元法是基于連續介質理論的,把物體劃分為有限個單元,節點之間用數學方程聯系起來。 馬天輝等采用有限元模擬節理巖體中隧洞圍巖損傷破壞過程,研究節理巖體中隧洞圍巖體的破壞機理,分析巖體中節理傾角對隧洞圍巖穩定性的影響規律[14];袁鐵等通過數值模擬方法研究節理巖體隧道開挖后圍巖塑性區分布,得出水平節理使拱頂及仰拱周邊圍巖的塑性區增大的結論[15];王昊等建立導洞遍布節理模型,進行參數敏感性分析[16]。 離散單元法是典型的非連續數值計算方法,已大量應用在地下巷道的穩定性分析中。 李軍等采用UDEC 對隧道巖體節理進行模擬,得出單組節理下隧道拱頂變形為多組節理下的1/4 左右[17];鄭余朝等采用3DEC 軟件對不同節理情況下的隧道安全系數進行分析,評價各因素對隧道穩定性的影響[18];袁彬等利用UDEC 離散元軟件分析了在0～90°傾角范圍內的隧道圍巖變形破壞特征[19];張斌等基于三維離散元計算方法,模擬分析不同傾角下層狀隧道圍巖的穩定性[20]。

綜上所述,很少有學者針對節理圍巖發生塑性破壞的主控因素進行深入研究。 基于此,以下采用遍布節理本構模型,分析節理傾角、節理組數對圍巖穩定性的影響,并探究圍巖發生塑性破壞的主控因素,為以后進一步研究節理發育圍巖失穩破壞提供參考。

1 工程概況

玉磨鐵路線路位于云南省,由昆玉鐵路的玉溪西站起,經峨山、元江、普洱、景洪止于勐臘邊境磨憨口岸,是中老鐵路的重要組成部分。 玉磨鐵路線路全長507 km,設計速度160 km/h,是“一帶一路”建設的標志性工程之一。 西雙版納雙線鐵路隧道位于野象谷站—西雙版納站區間,全長10 680 m,最大埋深620 m。 隧址區屬低中山地貌,地面高程580～1 325 m,相對高差20～750 m。受區域構造影響,測段構造極為發育,發育3 條斷層、1 個背斜,走向均為NW 向。 隧道施工現場實際開挖揭示為:Ⅲ級圍巖為0.4%,Ⅳ級圍巖為29%,Ⅴ級圍巖為70.6%。 DK354+000～DK357+750 段以炭質片巖為主,受軟弱節理面影響,呈彈塑性體,巖體強度較低。 掌子面巖體節理發育且呈碎裂狀,并存在許多分離體,掌子面巖體狀況見圖1。

圖1 玉磨鐵路西雙版納隧道掌子面巖體狀況

根據隧道已開挖段初支表面監控量測情況,西雙版納隧道2 號斜井工區小里程方向,DK354+131 ～DK354+075 段拱頂沉降累計最大為31.2 cm,最大累計收斂416 mm,DK354+103 左拱腰最大侵限為56.3 cm。 針對大變形段,為了防止變形進一步擴大,進而發生大規模的圍巖垮塌事故,現場采取臨時套拱和臨時斜撐的方案,對變形未穩定段落進行臨時支護。在變形穩定后,為了滿足隧道限界要求,需要鑿除已侵限的圍巖和初支,進行換拱施工。

2 計算模型

為揭示穿越節理發育地層時由于施工開挖引起的隧道周邊圍巖變形及破壞特征,計算模型見圖2,根據圣維南原理,隧道距離計算模型邊界均大于3.5 倍洞徑,計算模型尺寸為103.8 m(X)×30 m(Y)×101.6 m(Z)。 考慮計算結果的收斂性,隧道計算埋深取100 m,隧道拱頂至模型上表面的高度為50 m,其余覆土厚度采用施加等效表面荷載形式表示。 計算模型共離散成65 580 個六面體網格,除模型上表面為荷載邊界外,其余表面均采用位移邊界,左右表面限制X方向自由度,前后表面限制Y方向自由度,底面限制X、Y和Z方向自由度。 為了突顯斷層破碎帶節理圍巖在隧道開挖影響下的變形和破壞特征,計算過程采用全斷面開挖,且不考慮支護結構,隧道處于毛洞狀態,開挖進尺取1.0 m。

圖2 三維整體計算模型

根據隧道節理發育區域的圍巖資料以及TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》,確定計算模型中圍巖及節理的參數,具體參數見表1。

表1 圍巖及節理力學參數

在節理發育的斷層帶中,巖體在節理的“切割”作用下,巖體呈現出破碎、碎裂的狀態,圍巖越破碎,對隧道施工越不利。 對于隧道施工而言,圍巖的節理傾角和節理數量不同,隧道開挖后圍巖的變形特征和破壞形態將會有較大的差異。 現場顯示平均節理間距0.05 m,節理之間的間距相比起模型的結構尺寸足夠小。 遍布節理模型不考慮節理面厚度,且節理貫通整個遍布節理模型。 單組節理和兩組節理工況見圖3。節理傾角、節理組數設置情況見表2。

表2 模型工況設置

圖3 節理工況示意

3 節理傾角對隧道圍巖穩定性的影響

針對單組節理圍巖,開挖完成后,截取計算模型Y=15 m 處截面的節理屈服云圖和塑性應變云圖,見圖4～圖9。

圖4 0°節理各工況下圍塑性破壞特征

由圖4 可知,當節理傾角為0°,由于模型的節理、模型的幾何對稱性,節理屈服、圍巖塑性應變呈現出左右對稱、上下對稱的特點,主要分布于拱部兩側拱肩和仰拱兩側區域,此區域受施工擾動明顯,在施工影響、重力以及應力重分布等綜合作用下,發生了塑性屈服,施工過程中不及時加以控制,易發生較大變形甚至是坍塌事故。

由圖5 ～圖8 可知,當傾角由0°逐漸增大至90°時,隨著傾角增大,受隧道開挖擾動圍巖及節理塑性屈服分布特征發生改變,不再是對稱分布。 相較于水平節理,圍巖及節理塑性屈服分布形態和發展趨勢發生偏轉,傾角較小(20°、40°)時,塑性區主要沿著垂直于節理的方向分布,此時巖體性質是影響塑性區形成和分布主控因素;隨著傾角進一步增加(60°、80°),塑性分布區及發展域包括兩部分,一部分是沿著節理方向;另一部分是垂直于節理方向。 其中,沿著節理方向的塑性區范圍更大,由此說明在此傾角情況下,節理是圍巖整體發生塑性破壞的主控因素。

圖5 20°節理各工況下圍塑性破壞特征

圖6 40°節理各工況下圍塑性破壞特征

圖7 60°節理各工況下圍塑性破壞特征

圖8 80°節理各工況下圍塑性破壞特征

由圖9 可知,當節理傾角為90°時,由于模型的節理、模型的幾何對稱性,圍巖及節理屈服區域主要分布在隧道兩側,沿著節理方向垂向分布且影響范圍深入地層中。節理是影響圍巖發生塑性破壞的主控因素。 由此可知,對于垂直節理巖體,施工過程中一旦節理屈服且發生顯著的剪切滑移,則可能導致拱頂巖體整體垮塌,造成施工災難,所以隧道穿越90°節理圍巖施工較為危險。

圖9 90°節理各工況下圍塑性破壞特征

當傾角由90°逐漸增大至180°時,節理傾角越接近90°,圍巖傾角越陡,節理傾角越接近180°,圍巖傾角越平緩。 根據反對稱性,節理傾角較陡時,巖體性質是影響塑性區形成和分布主控因素;節理傾角較平緩,圍巖發生沿節理面的剪切滑移破壞節理是圍巖整體發生塑性破壞的主控因素,與節理傾角由0°～90°時的規律相同。

提取單組節理各傾角工況的塑性應變最大值,并繪制曲線,見圖10。 由圖10 可知,當節理傾角為60°或120°時,圍巖的塑性應變最大,最大塑性應變為0.197,說明節理傾角為60°或120°時,在開挖擾動下,隧道周邊圍巖發生塑性破壞的趨勢最明顯,對隧道施工最為不利。 該結論與通過隧道洞周圍巖變形量分析結論一致。

圖10 單組節理各傾角組合工況的塑性應變

4 節理組數對隧道圍巖穩定性的影響

計算完成后,截取2 組節理工況下計算模型Y=15 m 處截面的圍巖塑性應變及節理屈服云圖,見圖11～圖14。

圖11 0°+60°節理各工況下圍塑性破壞特征

圖12 30°+60°節理各工況下圍塑性破壞特征

圖13 90°+60°節理各工況下圍塑性破壞特征

圖14 120°+60°節理各工況下圍塑性破壞特征

由圖11～圖14 可知,2 組節理將圍巖進一步“切割”,圍巖變得較為破碎,根據節理屈服云圖,節理屈服區域主要分布在洞周兩側拱肩至拱腳區域,節理屈服區域不再沿著節理或垂直節理方向深入圍巖內部,由此說明,2 組節理條件下節理面塑性屈服與節理方向無明顯關系。 巖體發生塑性應變的部位與節理屈服部位重合,且塑性應變區域面積和深度均小于節理塑性屈服。 因此,對于存在2 組節理的地層,圍巖整體破碎,開挖后洞周塑性區主要分布在隧道兩側拱肩至墻腳區域,造成圍巖塑性破壞的主要原因是節理面的塑性屈服。

提取2 組節理各傾角工況的塑性應變最大值,并繪制曲線,見圖15。 由圖15 可知,當節理傾角組合為60°+90°時,圍巖的塑性應變最大,最大塑性應變為0.521,說明節理傾角為60°+90°時,在開挖擾動下,隧道周邊圍巖發生塑性破壞的趨勢最明顯,對隧道施工最為不利。 該結論與通過隧道洞周圍巖變形量分析結論一致。

圖15 2 組節理各傾角組合工況的塑性應變

5 結論

采用有限元軟件,研究節理傾角和節理組數對隧道圍巖塑性破壞特征的影響,得出以下主要結論。

(1)節理傾角水平時,節理屈服、圍巖塑性應變呈現出左右對稱、上下對稱的特點,主要分布于拱部兩側拱肩和仰拱兩側區域。

(2)節理傾角較陡時,巖體性質是影響塑性區形成和分布主控因素;節理傾角較平緩,圍巖發生沿節理面的剪切滑移破壞節理是圍巖整體發生塑性破壞的主控因素。 當節理傾角為60°或120°時,圍巖的塑性應變最大,最大塑性應變為0.197。

(3)當節理傾角為90°時,圍巖及節理屈服區域主要分布在隧道兩側,沿著節理方向垂向分布,且影響范圍深入地層中,節理是影響圍巖發生塑性破壞的主控因素。

(4)2 組節理條件下開挖后,洞周塑性區主要分布在隧道兩側拱肩至墻腳區域,造成圍巖塑性破壞的主要原因是節理面的塑性屈服。 當節理傾角組合為60°+90°時,圍巖的塑性應變最大,最大塑性應變為0.521。