詹 亮 畢全超 趙 巖 高 典

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

?

地表傾角對(duì)節(jié)理巖體隧道圍巖塑性區(qū)影響研究★

詹 亮 畢全超 趙 巖 高 典

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

取淺埋偏壓隧道作為研究對(duì)象，通過(guò)FLAC3D有限差分元軟件，研究了地表傾角在0°，10°，20°，30°和40°五種工況下，對(duì)節(jié)理巖體隧道圍巖塑性區(qū)的影響，結(jié)果表明：隨著地表傾角的增大，隧道圍巖塑性區(qū)的范圍和圍巖拱頂?shù)某两盗恳搽S之增大；當(dāng)?shù)乇韮A角小于30°時(shí)，圍巖拱頂?shù)某两盗颗c地表傾角之間成線性關(guān)系。

節(jié)理隧道，圍巖，地表傾角，F(xiàn)LAC3D

0 引言

節(jié)理的存在，對(duì)于隧道圍巖的穩(wěn)定性有著很大的影響。目前，已有許多學(xué)者對(duì)此有過(guò)研究，如孟國(guó)濤等[1]對(duì)含優(yōu)勢(shì)斷續(xù)節(jié)理組的工程巖體等效遍布節(jié)理模型強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了研究，完成了由連續(xù)方法間接描述非連續(xù)節(jié)理巖體各向異性力學(xué)行為的等效過(guò)程；劉君等[2]對(duì)節(jié)理巖體隧道的開挖和支護(hù)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明節(jié)理傾角對(duì)隧道圍巖有著直接的影響；賈蓬等[3]用數(shù)值模擬的方法研究了具有不同傾角的層狀結(jié)構(gòu)面巖體隧道的穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大，隧道周邊應(yīng)力分布的非對(duì)稱性逐漸增強(qiáng)；周小平等[4]對(duì)節(jié)理巖體隧道滑動(dòng)區(qū)進(jìn)行了研究，獲得了節(jié)理巖體圓形隧道滑動(dòng)區(qū)和支護(hù)應(yīng)力封閉形式的理論解，并在文中給出了算例；張志強(qiáng)等[5]對(duì)于節(jié)理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性的判定指標(biāo)合理性進(jìn)行了研究，并且以蘭渝鐵路木寨嶺隧道為例，驗(yàn)證了該指標(biāo)的可靠性、合理性和現(xiàn)實(shí)性；趙作富等[6]則研究了巖層傾角和隧道走向間關(guān)系對(duì)大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性的影響；趙永等[7]則基于遍布節(jié)理模型，分析了深埋巷道的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的大量工程實(shí)踐也表明，節(jié)理的存在對(duì)于隧道穩(wěn)定性影響很大。含有節(jié)理巖體的隧道并不是一開始就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，而是當(dāng)開挖面附近荷載發(fā)生變化時(shí)，這一變化在導(dǎo)致開挖面附近應(yīng)力重分布的同時(shí)，還會(huì)使隧道圍巖中的節(jié)理面不斷的發(fā)生變化，甚至有可能會(huì)發(fā)展成宏觀斷裂現(xiàn)象從而導(dǎo)致節(jié)理巖體隧道發(fā)生失穩(wěn)破壞。例如，意大利瓦伊昂大壩的邊坡塌滑、中國(guó)長(zhǎng)江三峽鏈子崖的新灘滑坡等等事故都與此有著密切的關(guān)系。本文基于此，通過(guò)利用FLAC3D有限差分元軟件里面的遍布節(jié)理模型，著重研究了地表傾角的變化對(duì)于節(jié)理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，以期為同種工況條件下的隧道開挖提供理論參考。

1 偏壓對(duì)于隧道圍巖塑性區(qū)的影響

1.1 遍布節(jié)理模型

遍布節(jié)理模型是在摩爾—庫(kù)侖模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)的，即在摩爾—庫(kù)侖體中添加節(jié)理面，此節(jié)理面也服從摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。該模型同時(shí)考慮了巖體和節(jié)理的物理力學(xué)屬性，破壞可能首先出現(xiàn)在巖體中或者是沿著節(jié)理面發(fā)生，又或者是巖體和節(jié)理面同時(shí)破壞，這主要取決于巖體的應(yīng)力狀態(tài)、節(jié)理的產(chǎn)狀、巖體及節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)等因素。

1.2 偏壓對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)的影響

利用ANSYS有限元軟件建立隧道模型并劃分好網(wǎng)格，然后再導(dǎo)入到FLAC3D有限差分元軟件中進(jìn)行分析計(jì)算。本文所建立的隧道模型為地形偏壓隧道模型，地表傾角分別為0°，10°，20°，30°和40°五種工況，隧道圍巖中的初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)以上模型，建立了節(jié)理傾角為30°這一計(jì)算工況，隧道模型的下邊界約束了其豎向位移，左右和前后邊界約束了其相應(yīng)的水平方向位移。圍巖材料和節(jié)理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

如圖1所示，圖中a)，b)，c)，d)和e)分別展示了地表傾角為0°，10°，20°，30°和40°這五種工況下偏壓節(jié)理隧道模型圍巖的塑性區(qū)變化情況。從圖1可以看出，當(dāng)?shù)乇韮A角為0°時(shí)，節(jié)理隧道圍巖的塑性區(qū)集中在圍巖附近，最易發(fā)生破壞的位于圍巖的拱頂和拱底部分；隨著地表偏壓角度的增大，當(dāng)?shù)乇韮A角達(dá)到10°時(shí)，節(jié)理隧道圍巖的塑性區(qū)較0°時(shí)的圍巖塑性區(qū)范圍變化不大，但是塑性區(qū)有沿著左拱腰和右拱腳繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)；當(dāng)?shù)乇韮A角達(dá)到20°時(shí)，雖然節(jié)理圍巖的拱頂和拱腳處于受拉狀態(tài)，依然是最易發(fā)生破壞的部分，但是此時(shí)圍巖的左拱腰和右拱腳的小部分范圍內(nèi)也出現(xiàn)了拉應(yīng)力，同樣有可能提前發(fā)生破壞；地表傾角繼續(xù)增加，如圖1d)所示，左拱腰和右拱腳的大部分范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，這也就表明偏壓對(duì)于隧道圍巖的塑性區(qū)的影響越來(lái)越明顯，節(jié)理隧道圍巖的最易破壞位置開始由拱頂和拱底向左拱腰和右拱腳部分轉(zhuǎn)移；如圖1e)所示，當(dāng)?shù)乇韮A角達(dá)到40°，節(jié)理隧道圍巖的塑性區(qū)繼續(xù)沿著右拱腳和左拱腰部分發(fā)展，并且在隧道模型的左邊界一小部分區(qū)域以內(nèi)出現(xiàn)了剪應(yīng)力。

通過(guò)上述分析可知，在節(jié)理巖體隧道施工過(guò)程中，當(dāng)不存在偏壓時(shí)，節(jié)理巖體隧道最易發(fā)生破壞的部位位于拱頂和拱底部分，為了避免隧道事故的發(fā)生，需要對(duì)隧道圍巖的拱頂和拱底部分進(jìn)行提前支護(hù)；而當(dāng)偏壓存在時(shí)，處于偏壓狀態(tài)的隧道更加的危險(xiǎn)，要重視對(duì)隧道圍巖的支護(hù)和監(jiān)測(cè)。

2 偏壓節(jié)理隧道圍巖位移分析

在地表傾角變化的過(guò)程中，通過(guò)FLAC3D軟件監(jiān)測(cè)了隧道圍巖拱頂?shù)呢Q向位移，得到了節(jié)理隧道圍巖垂直方向的位移數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 節(jié)理巖體拱頂豎向位移表

從表2中可以看出，當(dāng)?shù)乇韮A角為0°時(shí)，節(jié)理巖體隧道圍巖拱頂?shù)呢Q向位移為2.01 mm，當(dāng)?shù)乇韮A角為10°時(shí)，隧道圍巖拱頂?shù)呢Q向位移為2.02 mm，與地表傾角為0°時(shí)拱頂?shù)呢Q向位移相差不大。隨著地表傾角的增大，當(dāng)?shù)乇韮A角增大到20°時(shí)，節(jié)理巖體隧道圍巖的拱頂豎向位移為2.04 mm，與0°時(shí)的圍巖拱頂豎向位移相比較，其增大的幅度為1.5%；隨著地表傾角的繼續(xù)增加，當(dāng)?shù)乇韮A角增大到30°和40°，隧道圍巖拱頂豎向位移分別為2.06 mm和2.61 mm，與0°時(shí)的圍巖拱頂豎向位移相比較，其增大的幅度分別為2.5%和29.9%。

將表2中的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，見(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出，隨著地表傾角的增大，節(jié)理巖體隧道圍巖拱頂?shù)呢Q向位移也逐漸增大，當(dāng)?shù)乇韮A角小于30°時(shí)，圍巖拱頂?shù)呢Q向位移與地表傾角近似成正線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)擬合關(guān)系如下：

dz=0.001 7α+2.007(R2=0.89)

(1)

其中，dz為節(jié)理巖體隧道拱頂?shù)呢Q向位移；α為地表傾角。

當(dāng)?shù)乇韮A角大于30°后，隨著傾角的增大，圍巖拱頂?shù)呢Q向位移急劇增大，隧道處于極其不利的狀態(tài)，也就是說(shuō)，在隧道施工過(guò)程中，當(dāng)偏壓隧道的地表傾角過(guò)大時(shí)，對(duì)隧道圍巖監(jiān)測(cè)和支護(hù)等措施都應(yīng)該增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文基于FLAC3D有限差分元數(shù)值模擬軟件，研究了地表傾角對(duì)節(jié)理巖體隧道圍巖塑性區(qū)和圍巖拱頂豎向位移的影響，得到結(jié)論如下：

1)隨著地表傾角的增大，節(jié)理巖體隧道圍巖的塑性區(qū)由拱頂和拱底逐漸向拱腰和拱腳部分轉(zhuǎn)移；

2)地表傾角在40°時(shí)，節(jié)理巖體隧道隨著開挖程度的加深，在隧道模型的左邊界部分區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了剪應(yīng)力；

3)節(jié)理巖體隧道圍巖的拱頂位移與地表的傾角近似的成線性關(guān)系，其中地表傾角在0°和10°時(shí)的拱頂位移相差不大，而20°，30°和40°時(shí)的隧道圍巖拱頂位移較0°時(shí)的拱頂位移，其增長(zhǎng)的幅度分別為1.5%，2.5%和29.9%。

[1] 孟國(guó)濤,方 丹,李良權(quán),等.含優(yōu)勢(shì)斷續(xù)節(jié)理組的工程巖體等效遍布節(jié)理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(10):2115-2121.

[2] 劉 君,孔憲京.節(jié)理巖體中隧道開挖與支護(hù)的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2007,28(2):321-326.

[3] 賈 蓬,唐春安,楊天鴻,等.具有不同傾角層狀結(jié)構(gòu)面巖體中隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006,27(11)：1275-1278.

[4] 周小平,張永興,王建華.節(jié)理巖體圓形隧道滑動(dòng)區(qū)的研究[J].巖土力學(xué),2004,25(S):139-143.

[5] 張志強(qiáng),何本國(guó),關(guān)寶樹.節(jié)理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性判定指標(biāo)合理性研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011,49(1)：92-93.

[6] 趙作富,陳 建,胡國(guó)軍,等.巖層傾角與隧道走向間關(guān)系對(duì)大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性的影響[J].公路與汽運(yùn),2014(5):190-194.

[7] 趙 永,楊天鴻.基于遍布節(jié)理模型的深埋巷道穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山,2016(5):36-41.

The influence research on surface inclination angle to jointed rock tunnel surrounding rock plastic zone★

Zhan Liang Bi Quanchao Zhao Yan Gao Dian

(HebeiArchitectureandEngineeringInstitute,Zhangjiakou075000,China)

This article chooses the shallow bias tunnel as the research object, through FLAC3D finite difference software, studied the surface inclination at 0°, 10°, 20°, 30°and 40°, the five conditions which influence plastic zone of the surrounding rock for joint rock tunnel. The results show that： the increasing of the surface angle, the increasing of surrounding rock plastic zone and the vault settlement of surrounding rock, when local table angle is less than 30°, the vault settlement of surrounding rock have a linear relationship with the surface inclination.

joint tunnel, surounding rock, surface inclination, FLAC3D

1009-6825(2017)09-0147-03

2017-01-15★：河北建筑工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào)：XB201610)

詹 亮(1990- )，男，在讀碩士； 畢全超(1981- )，男，碩士生導(dǎo)師，副教授; 趙 巖(1992- )，男，在讀碩士； 高 典(1991- )，男，在讀碩士

U451.2

A