呂學(xué)科

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350）

京昆高速晉冀界石家莊段曹家莊小凈距隧道失穩(wěn)演化過程研究

呂學(xué)科

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350）

研究節(jié)理特征圍巖失穩(wěn)模式和圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及節(jié)理剪切錯動、圍巖能量耗散變化規(guī)律研究都具有重大理論意義。以石家莊至冀晉界曹家莊公路曹家莊小凈距隧道為研究背景依托，采用離散元模型，模擬節(jié)理巖體條件下小凈距隧道的失穩(wěn)模式、錨桿加固效果，施工中采用上述加固措施取得較好的效果。

小凈距隧道 穩(wěn)定性 離散元 數(shù)值計(jì)算

1 概述

圖1 京昆高速晉冀界曹家莊小凈距隧道施工圖

節(jié)理特征圍巖失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性控制技術(shù)是高速公路小凈距隧道修建過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題，一直是工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。在偏壓條件下，節(jié)理剪切滑移破壞和中夾巖柱的能量耗散，給施工安全帶來風(fēng)險(xiǎn)和隱患。本文是針對高速公路小凈距隧道的失穩(wěn)演化過程進(jìn)行技術(shù)研究，結(jié)合已經(jīng)順利完成施工的京昆高速公路晉冀界石家莊段曹家莊淺埋、偏壓、小凈距隧道，研究具有節(jié)理特征的小近距穩(wěn)定性演化過程中的節(jié)理面錯動，對施工順序進(jìn)行有效合理的優(yōu)化，曹家莊小凈距隧道施工圖如圖1所示。

2 節(jié)理巖體小凈距隧道失穩(wěn)演化過程中非連續(xù)變形分析方法

對于巖質(zhì)邊坡工程的研究，其目的就是要對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評判，以確定其是否穩(wěn)定，并根據(jù)評判結(jié)果來判定是否要對其采取加固等措施，并根據(jù)工程巖體的實(shí)際工程地質(zhì)條件確定采用具體措施。非連續(xù)變形分析方法是一種實(shí)用的數(shù)值模擬分析方法，主要用于分析巖土工程中的不連續(xù)介質(zhì)。該方法是以極限平衡法、有限元法及離散元法為基礎(chǔ)而發(fā)展成的一種數(shù)值分析方法。非連續(xù)變形分析方法充分考慮了巖體的復(fù)雜性，將結(jié)構(gòu)整體用節(jié)理線段切割成離散塊體，以總是能最小化建立平衡方程，將動力學(xué)和靜力學(xué)統(tǒng)一起來，嚴(yán)格遵守運(yùn)動學(xué)理論和平衡假定。

非連續(xù)變形分析方法將位移作為未知數(shù)，求解平衡方程式時(shí)與有限元中結(jié)構(gòu)矩陣分析方法相同。其對非連續(xù)變形的分析嚴(yán)格遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)則，對各個(gè)塊體，允許有位移、變形和應(yīng)變。它求解的是有限元類型的網(wǎng)格，但所計(jì)算的各個(gè)單元是被不連續(xù)縫所包圍的隔離塊體。在塊體的幾何形狀、荷載及各種材料參數(shù)和摩擦指標(biāo)已知的情況下，程序即可自動計(jì)算其應(yīng)力、應(yīng)變、滑動和塊體位移。

非連續(xù)變形分析方法的大位移和大變形是由在計(jì)算各個(gè)分步小位移和小變形以后，將其累加所形成的。在計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)中所有點(diǎn)在每一時(shí)步中的位移都很小，各個(gè)點(diǎn)的位移函數(shù)可表示為：

塊體一般變形計(jì)算時(shí)，設(shè)每一塊體有常應(yīng)力和常應(yīng)變，塊體的任意一點(diǎn)（x,y）的位移（u,v）可用六個(gè)位移不等式變量表示，見公式（1）。

其中，（u0,v0）是塊體內(nèi)特殊點(diǎn)（x0,y0）的剛體位移；角r0是塊體繞轉(zhuǎn)動中心（u0,v0）的轉(zhuǎn)動角，用弧度表示；xε，yε，γxy是塊體的法向應(yīng)變和切向應(yīng)變。點(diǎn)（x,y）的總位移（u,v）包括所有變量（u0v0r0xεyε γxy）的位移累加。

各個(gè)塊體的移動和變形是由給定的位移函數(shù)確定的。對彈性應(yīng)力、點(diǎn)荷載、初始應(yīng)力和慣性力的總勢能公式進(jìn)行推導(dǎo)。計(jì)算每項(xiàng)勢能對位移變量的導(dǎo)函數(shù)，其相應(yīng)的子矩陣是分開形成的。再把各項(xiàng)子矩陣加到總體方程矩陣中，建立聯(lián)立方程。

3 節(jié)理巖體小凈距隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析與錨桿加固控制

3.1 數(shù)值力學(xué)模型

曹家莊小凈距隧道軸線走向?yàn)榻媳毕?，地形起伏較大，采用大型結(jié)構(gòu)離散元分析軟件，在充分調(diào)研隧址區(qū)圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立離散元節(jié)理模型，如圖2所示。模型上邊界取至地表，兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為50 m，底部邊界至隧道軌頂距離為18 m。

在隧道現(xiàn)場勘查的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，巖塊、節(jié)理面的物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示，巖塊為摩爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型，節(jié)理面為滑動模型。

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)

圖2 離散元計(jì)算模型

按照實(shí)際的施工順序，進(jìn)行開挖如圖3（a）所示；在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，小凈距隧道變形監(jiān)測點(diǎn)如圖3（b）所示，主要監(jiān)測部位為：拱頂、左右拱肩和中夾巖柱。

圖3 小凈距隧道開挖順序與變形監(jiān)測點(diǎn)

3.2 小凈距隧道非連續(xù)變形

圖4 小凈距隧道節(jié)理張開、剪切滑移

由于隧道跨度較大（達(dá)到17.5m）、巖體結(jié)構(gòu)面較弱，極易發(fā)生隧道塌方和失穩(wěn)，施工完成后，在無支護(hù)條件下，小凈距隧道巖塊非連續(xù)變形如圖4所示。

隧道開挖，洞周圍巖會沿節(jié)理面剪切滑移、張開，從而演化為隧道的失穩(wěn)。從圖4中可以看出：隧道開挖后，整個(gè)洞周都有圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象。先行洞圍巖非連續(xù)變形如圖4（a）所示，深埋側(cè)的左拱肩發(fā)生巖體脫落，右拱肩發(fā)生剪切滑移，值得注意的是：邊坡節(jié)理發(fā)生明顯的張開現(xiàn)象，即隧道的施工對邊坡穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重安全隱患，施工過程中，應(yīng)連續(xù)監(jiān)測邊坡的變形。中夾巖柱的變形如圖4 （b）所示，在地形偏壓的作用下，巖塊整體向右側(cè)（淺埋側(cè)）變形，也有個(gè)別巖塊順節(jié)理面發(fā)生滑移，從而造成節(jié)理面的張開；另外，在中夾巖柱的上部，節(jié)理發(fā)生錯動現(xiàn)象，給中夾巖柱的穩(wěn)定性帶來潛在的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。后行洞穩(wěn)定性相對較差，如圖4(c)所示，左拱肩出現(xiàn)明顯的剪切滑移現(xiàn)象，節(jié)理面張開，沿節(jié)理面方向坍塌。由于邊坡較陡，后行洞成為整個(gè)隧道的關(guān)鍵控制部位，施工監(jiān)測應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注該處變形，以確保整個(gè)開挖過程的穩(wěn)定性。

3.3 隧道錨桿加固效果

從以上分析可以看出，未加固小凈距隧道會有失穩(wěn)的可能性，因此本節(jié)研究錨桿的控制效果，錨桿沿洞周布置如圖5所示。其中，中夾巖柱采用對拉錨桿。隧道每一部分開挖后，立刻進(jìn)行該部位錨桿的支護(hù)；然后再依次進(jìn)行下一部分開挖和支護(hù)。

圖5 小凈距隧道錨桿布置圖

3.4 隧道總體變形

隧道采用錨桿支護(hù)加固后，周邊節(jié)理巖體變形如圖6所示。

圖6 錨桿加固后小凈距隧道變形特性

從圖6看出，錨桿支護(hù)后隧道穩(wěn)定性得到大幅度提高，有利于小凈距隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。拱部個(gè)別地方出現(xiàn)脫落、掉塊的現(xiàn)象，中夾巖柱也呈現(xiàn)整體協(xié)調(diào)變形的趨勢。從整體看錨桿發(fā)揮“銷釘”加固效果，把圍巖串聯(lián)在一起，增加了層間摩阻力，整個(gè)圍巖沒有出現(xiàn)明顯的巖塊剪切、滑移和張開的趨勢。錨桿相當(dāng)于增加了圍巖節(jié)理面的剪切剛度，控制巖塊之間的相對位移，從而提高整體圍巖穩(wěn)定性。

隧道開挖引起的巖塊的彈性動能、能量耗散如圖7所示。

圖7 失穩(wěn)過程能量變化

從圖7看出，彈射動能在開挖的瞬間急劇增大，隨后減小。也就是說，開始的瞬間，圍巖穩(wěn)定性較差。

4 結(jié)語

本文以石家莊至冀晉界曹家莊公路曹家莊小凈距隧道為研究背景依托，采用離散元模型，模擬節(jié)理巖體條件下小凈距隧道的失穩(wěn)模式、錨桿加固效果，得出如下結(jié)論：

（1）節(jié)理面相對巖塊來說參數(shù)要低得多，應(yīng)力沿節(jié)理方向得到釋放，從根本上改變了圍巖應(yīng)力分布，與連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬得到應(yīng)力區(qū)別很多，節(jié)理面剪切滑移是小凈距隧道失穩(wěn)的主要原因

（2）隧道的開挖，洞周巖塊會沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移、張開，從而演化為隧道失穩(wěn)。高邊坡條件下，深埋側(cè)隧道對整個(gè)小凈距隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵和控制作用，施工中應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測。在節(jié)理巖體中，錨桿充分發(fā)揮“錨釘”和“懸吊”效果，增大節(jié)理面的摩阻力和剪切剛度，有效地控制節(jié)理面剪切滑移、張開，進(jìn)而提高整體圍巖穩(wěn)定性。

[1]龔建武.扁平大斷面小凈距公路隧道施工力學(xué)研究[D].同濟(jì)大學(xué)博士論文,2008

[2]王立川.淺埋偏壓隧道圍巖壓力與開挖進(jìn)尺優(yōu)化的極限分析[D].中南大學(xué)博士論文,2011

[3]彭從文等.基于三維有限元模型的小凈距隧道施工力學(xué)分析[J].公路交通科技,2008(12)

[4]劉明高等.小凈距隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005(12)

[5]李榮偉.小凈距隧道施工順序FLAC-3D模擬分析[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2011(1)

[6]楊轉(zhuǎn)運(yùn)等.小凈距隧道中央巖柱的力學(xué)性能及加固處理[J].鐵道建筑技術(shù),2005(3)

On Instability Evolution Process in Caojiazhuang Small Spacing Tunnel at Shijiazhuang Section at the Border of Hebei and Shanxi on Beijing–Kunming Expressway

LV Xue-ke
(No.4 Engineering Company of China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd Tianjin 300350 China)

It is theoretically significant to have research on the instability mode of jointed rock mass and the variation law of surrounding rock stability, which is good for structure optimization design and the variation law of energy dissipation in the joint shear dislocation of surrounding rocks. Based on the Small Spacing Tunnel at Caojiazhuang of Shijiazhuang Section of Beijing–Kunming Expressway at the Border of Hebei and Shanxi, the construction applies discrete element model, simulates the instability mode and the reinforcement effect of the small spacing tunnel under the condition of jointed rock mass, and adopts the above-mentioned reinforcement measures which achieves good results.

small spacing tunnel stability discrete element numerical calculation

A

1673-1816(2016)04-0001-07

2016-02-27

呂學(xué)科（1982-），河北石家莊人，學(xué)士，工程師，研究方向施工技術(shù)及施工管理。