趙麗雪

(中鐵十三局 第二工程公司，廣東 深圳 518083)

近年來，我國在西南、西北地區(qū)交通基礎(chǔ)建設(shè)大規(guī)模的發(fā)展，正在興建和規(guī)劃中的高速公路數(shù)量日益增多，其中穿越山嶺的隧道越來越長，標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。在巖體生成過程中，經(jīng)受各個年代復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)作用，發(fā)育著豐富斷層、節(jié)理和各種裂隙等結(jié)構(gòu)面[1-2]。大量的工程實(shí)例證明，工程巖體的失穩(wěn)往往都是沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生的，甚至有的學(xué)者提出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的概念。而當(dāng)前研究多把圍巖看作連續(xù)、各向同性均質(zhì)介質(zhì)，通過彈、塑性力學(xué)理論分析應(yīng)力重分布的規(guī)律[3-5]。顯然，連續(xù)介質(zhì)理論并不能準(zhǔn)確得到巖體力學(xué)行為結(jié)果。

王剛、李術(shù)才等將斷裂損傷計(jì)算結(jié)果與一般彈塑性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，認(rèn)為節(jié)理裂隙對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要[6]。劉剛、趙堅(jiān)等通過模型試驗(yàn)研究節(jié)理密度對圍巖變形及破壞影響，得出斷續(xù)節(jié)理密度控制著圍巖穩(wěn)定性[7]。王貴君進(jìn)行節(jié)理裂隙巖體中不同埋深無支護(hù)暗挖隧洞穩(wěn)定性離散元法分析[8]。陳壽根、漆泰岳也分別對節(jié)理巖體進(jìn)行離散元分析[9-10]。通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，深埋層狀巖體隧道研究并不多見，因此，研究不同節(jié)理傾角下大斷面公路隧道圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)要點(diǎn)具有顯著的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 工程概況

以在建山西高速公路大梁山特長隧道工程為依托，隧道為雙洞分修型，雙洞軸線相距20～23 m。隧址區(qū)地層單斜，層理產(chǎn)狀 N28°E/35°SE，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀 N57°W/90°，N50°E/35°NW，巖層走向與線路方向基本一致。節(jié)理切割，邊墻、拱腳存在不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體，易產(chǎn)生坍方。隧道范圍無地表水流，地下水主要為基巖裂隙水，段內(nèi)斜坡坡面順直，降雨多沿坡面流走，泥巖隔水性較好，下滲條件差，隧道區(qū)地下水貧乏。斷層帶內(nèi)變輝綠巖脈較為破碎，斷層與圍巖接觸帶擠壓明顯。其中，帶有層狀巖體的隧道開挖后，易引起地質(zhì)偏壓，其圍巖力學(xué)行為不容忽視。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

以山西省大梁山隧道為依據(jù)建立模型。模型橫向取100 m，下邊界距離隧道中心35 m，上邊界距離隧道中心80 m。左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界施加自重應(yīng)力邊界，計(jì)算模型如圖1所示。采用離散元UDEC軟件，重點(diǎn)考慮節(jié)理傾角對隧道穩(wěn)定性影響。在埋深150 m，節(jié)理間距3 m的條件下，研究 0°，15°，30°，45°，60°，75°和 90°時圍巖穩(wěn)定性狀況。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)大梁山隧道工程現(xiàn)場地質(zhì)勘查報(bào)告、相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)，巖塊和節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)取值如表1、表2所示，塊體和節(jié)理均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

表1 巖塊物理力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

3 對隧道穩(wěn)定性影響分析

復(fù)雜地質(zhì)運(yùn)動使得節(jié)理成為巖體中天然的軟弱面，不同節(jié)理傾角下隧道失穩(wěn)模式必定存在差異，產(chǎn)生地質(zhì)偏壓，其產(chǎn)狀變化對圍巖應(yīng)力場重分布產(chǎn)生重要影響，甚至出現(xiàn)節(jié)理沿著節(jié)理面滑移趨勢。

3.1 水平層狀巖體力學(xué)響應(yīng)

隧道開挖后，可以看出圍巖內(nèi)應(yīng)力發(fā)生了重分布，且與巖體內(nèi)不連續(xù)面方向密切相關(guān)。水平層狀巖體洞周切向應(yīng)力和主應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 切應(yīng)力分布

從圖2看出:由于結(jié)構(gòu)面的存在，使結(jié)構(gòu)面附近產(chǎn)生切應(yīng)力集中，不僅影響其方向，而且也影響其大小分布，容易使結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移或張開。另外，結(jié)構(gòu)面參數(shù)相對巖塊來說要低得多，進(jìn)一步證明結(jié)構(gòu)面是隧道穩(wěn)定性控制部位，結(jié)構(gòu)面錯動可能成為洞室破壞的潛在區(qū)域。

隧道開挖后，結(jié)構(gòu)面從根本上改變了圍巖應(yīng)力重分布，主應(yīng)力方向也發(fā)生了變化，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向不再是切向和徑向，而是和結(jié)構(gòu)面關(guān)聯(lián)起來。平行結(jié)構(gòu)面方向主應(yīng)力分布較均勻，在垂直于結(jié)構(gòu)面方向洞周主應(yīng)力分布極不均勻，拱部和底部巖層容易發(fā)生彎折破壞。

3.2 傾角對圍巖應(yīng)力影響

圖3表示不同節(jié)理方向下主應(yīng)力分布特征，隨著節(jié)理傾角增大，主應(yīng)力大小和方向發(fā)生明顯變化。

圖3 不同傾角節(jié)理隧道圍巖主應(yīng)力分布特征

從圖3看出，節(jié)理方向不僅影響著主應(yīng)力的方向，而且也影響其大小。在與不連續(xù)面平行的方向，應(yīng)力得到了釋放，巖體松弛明顯，甚至出現(xiàn)了拉應(yīng)力。而在與不連續(xù)面垂直的方向，應(yīng)力增加。同時在結(jié)構(gòu)面附近主應(yīng)力集度較大，其破壞形式表現(xiàn)為層狀節(jié)理巖體彎曲壓潰。這些與現(xiàn)場所觀察到的現(xiàn)象非常吻合，表明本仿真模擬方法較真實(shí)地反映了不連續(xù)體的力學(xué)行為。

3.3 傾角對位移影響

位移是隧道穩(wěn)定性最直接的評判標(biāo)準(zhǔn)，不同巖層傾角(0°，30°，60°)位移分布如圖4所示。從圖4中可以看出，由于巖體中不連續(xù)面的存在，隧道開挖引起的洞周位移中，沿節(jié)理面的位移比較大。這主要是由于隧道上部圍巖失去支撐，而結(jié)構(gòu)面參數(shù)較弱，極易發(fā)生剪切滑移，邊墻上部位移大于下部位移。當(dāng)巖層水平時，如圖4(a)所示，最大的位移發(fā)生在拱肩處，而并不是拱頂、仰拱或邊墻，其破壞形式表現(xiàn)為拱部巖層彎折破壞。當(dāng)節(jié)理傾角為30°和60°時，如圖4(b)和圖4(c)所示，最大的位移發(fā)生在右拱肩和左拱腳。當(dāng)豎向節(jié)理時，位移主要在拱部以向下發(fā)展為主，破壞模式主要表現(xiàn)為節(jié)理面滑移。因此必須采取支護(hù)措施，增強(qiáng)節(jié)理面黏聚力和摩擦角，提高巖層抗剪強(qiáng)度，最終達(dá)到穩(wěn)定圍巖目的。

圖4 圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比及塑性區(qū)分布特征

4 結(jié)論

結(jié)合大梁山特長隧道，研究不同節(jié)理傾角時公路隧道圍巖的穩(wěn)定性，研究結(jié)果完全不同于傳統(tǒng)松散介質(zhì)理論的層狀巖質(zhì)隧道失穩(wěn)模式，結(jié)論如下:

1)節(jié)理面極大削弱巖體力學(xué)特性，往往成為工程失穩(wěn)關(guān)鍵所在。隧道施工會導(dǎo)致層狀巖體沿節(jié)理面發(fā)生滑移破壞，巖體強(qiáng)度和變形特性強(qiáng)烈地受制于節(jié)理方位。節(jié)理面引起的順層偏壓，使圍巖的受力特征明顯不同于傳統(tǒng)松散介質(zhì)理論。

2)節(jié)理水平時，失穩(wěn)模式為拱部和仰拱層狀巖體彎折屈服。節(jié)理傾角較小時(＜45°)，節(jié)理面間滑移力難以克服黏聚力，破壞模式為邊墻巖體的壓碎和節(jié)理面張開。

3)當(dāng)節(jié)理面傾角為45°時，失穩(wěn)模型表現(xiàn)為左拱肩和右墻腳彎折破壞。節(jié)理角度為60°～70°時巖體最不穩(wěn)定，圍巖失穩(wěn)模式主要為層間剪切滑移，同時包含層狀節(jié)理法向彎折破壞。

4)當(dāng)豎向節(jié)理時，位移主要在拱部以向下發(fā)展為主，破壞模式主要表現(xiàn)為拱部節(jié)理面的滑移。因此必須采取支護(hù)措施，增強(qiáng)節(jié)理面黏聚力和摩擦角，提高層間抗剪強(qiáng)度，最終達(dá)到穩(wěn)定圍巖目的。

5)在節(jié)理發(fā)育條件下，隧道施工會導(dǎo)致巖層沿節(jié)理面發(fā)生剪切滑移破壞和地質(zhì)偏壓。因此，從結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)出發(fā)，非對稱支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，而現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》以等長、等間距系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)的合理性，值得進(jìn)一步商榷。

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