李老三

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

巖體生產(chǎn)過程中，經(jīng)受各種地質(zhì)作用和構(gòu)造力影響，往往形成眾多的節(jié)理、層理和斷層面等缺陷，是一種各向異性非連續(xù)介質(zhì)，其完整性和均勻性受到不同程度的破壞，這種不連續(xù)性對巖體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力都有重要影響[1]。隧道及地下工程的修建不可避免穿越節(jié)理巖體巖質(zhì)地層，用基于連續(xù)性假設(shè)數(shù)值方法很難滿足施工和設(shè)計要求；而離散元法特別適合于富含節(jié)理不連續(xù)面體，從節(jié)理引起的不連續(xù)性出發(fā)，把節(jié)理巖體視為由離散的塊體和巖塊間的節(jié)理面組成。自1971年Cundall首次提出離散單元以來，得到了眾多學(xué)者的不斷完善和發(fā)展。

王剛等[2]通過斷裂損傷理論，認為節(jié)理裂隙對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要；鄭穎人等[3]通過模型試驗研究了層狀巖體的強度和變形特征；周輝等[4]通過室內(nèi)試驗研究不同位置節(jié)理、不同長度節(jié)理對巖體峰值剪切強度和抗剪強度參數(shù)的影響；王貴君等[5-6]、桑運龍等[7]運用UDEC對不同節(jié)理裂隙巖體中無支護暗挖隧道進行穩(wěn)定性分析；劉剛等[8]通過模型試驗研究節(jié)理密度對圍巖變形及破壞影響，提出斷續(xù)節(jié)理密度控制著圍巖穩(wěn)定性；楊忠峰等[9]采用數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗驗證對稱型節(jié)理發(fā)育隧道支護的合理性和優(yōu)化建議。

對比國內(nèi)外文獻，針對深埋巖質(zhì)隧道節(jié)理產(chǎn)狀研究并不多，特別是鐵路隧道標準斷面更少。因此，研究節(jié)理產(chǎn)狀對鐵路標準斷面隧道圍巖穩(wěn)定性影響及錨桿力學(xué)特性具有顯著理論意義和實踐價值。

1 工程概況

新建鄭萬鐵路黃家溝隧道為時速350 km雙線鐵路隧道，全長7.827 km，隧道一般埋深100～300 m，最大埋深380 m。該隧道地處荊山山脈，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕低山地貌區(qū)，隧址區(qū)內(nèi)地勢總體上呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的態(tài)勢，地形復(fù)雜，溝壑交錯，山巒縱橫。主體山勢呈北西—南東向延展，連綿起伏，地形切割較深，峰谷相間。主要巖性為志留系下統(tǒng)羅惹坪組砂質(zhì)頁巖，新灘組砂頁巖。地下水主要類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。黃家溝隧道地質(zhì)構(gòu)造與隧道的關(guān)系及地質(zhì)縱斷面如圖1、圖2所示。隧道受田家溝斷裂和金斗-鞍子寨倒轉(zhuǎn)背斜的影響，隧道洞身發(fā)育一系列北西向、近南北向和北東向斷裂和節(jié)理密集帶，對隧道的穩(wěn)定性影響較大。

圖1 黃家溝隧道地質(zhì)構(gòu)造線與隧道關(guān)系圖

圖2 黃家溝隧道地質(zhì)縱斷面圖

隧道所穿越山體主要有5組發(fā)育節(jié)理，節(jié)理密度一般為1～3組/m，密集處超過5組/m，部分節(jié)理裂隙延伸長度大于2 m。隧道圍巖層狀構(gòu)造明顯，揭示巖層傾角一般為9°～85°。巖層呈薄層、中厚至厚層狀，層理較發(fā)育，層理結(jié)合面強度較低，由于本隧道埋深較大，地應(yīng)力較高，所以當結(jié)構(gòu)面受力后易發(fā)生剪切破壞和順層理面滑移破壞。

2 計算模型及參數(shù)

本次模擬計算使用ITASCA公司通用離散元程序UDEC進行模擬，該軟件是一個處理不連續(xù)介質(zhì)的二維程序。UDEC程序適用于模擬節(jié)理系統(tǒng)的分離過程，而且能夠自動識別節(jié)理面產(chǎn)生的新接觸點，較真實反映節(jié)理面力學(xué)行為。

根據(jù)黃家溝隧道現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告和現(xiàn)場節(jié)理量測，該隧道所穿越山體主要有5組發(fā)育節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀如表1所示。

表1 節(jié)理產(chǎn)狀

2.1 計算模型及邊界條件

針對我國鐵路350 km/h隧道標準斷面設(shè)計圖，研究節(jié)理巖體不同產(chǎn)狀(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)時圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律。節(jié)理間距0.4 m，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100 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)力約束。

2.2 計算參數(shù)

塊體遵從Mohr-Coulom強度準則，結(jié)構(gòu)面采用面接觸滑動模型。初始應(yīng)力場考慮300 m埋深自重應(yīng)力，在隧道中心施加垂直地應(yīng)力σv=6.90 MPa，水平方向的地應(yīng)力σh=3.25 MPa，各向按梯度變化。根據(jù)黃家溝隧道現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告和文獻[1]，巖塊和節(jié)理面計算參數(shù)如表2、表3所示。

表2 巖塊材料力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理計算參數(shù)

3 節(jié)理產(chǎn)狀分析結(jié)果及結(jié)論

由于節(jié)理的存在，出現(xiàn)明顯順層地質(zhì)偏壓現(xiàn)象，巖層順著節(jié)理方向滑動，產(chǎn)生較大偏壓荷載。

3.1 圍巖應(yīng)力影響

隧道開挖強卸荷引起一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移。不同節(jié)理產(chǎn)狀引起主應(yīng)力分布特征如圖3所示。

圖3 不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖主應(yīng)力分布特征

節(jié)理面相對巖塊來說參數(shù)要低得多，從圖3看出，節(jié)理面從根本上改變了圍巖應(yīng)力重分布，不僅影響著主應(yīng)力方向，而且也影響其大小，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向不再是切向和徑向。應(yīng)力在與不連續(xù)面平行方向釋放, 分布較均勻，巖體松弛明顯, 甚至出現(xiàn)了拉應(yīng)力。在垂直于結(jié)構(gòu)面方向洞周主應(yīng)力增加，且分布極不均勻，同時在結(jié)構(gòu)面附近主應(yīng)力集度較大。各層巖體均相當于獨立處于受彎剪狀態(tài)的懸臂梁，由于層狀巖體的抗彎能力不強，因而不能承受或只能承受較小的應(yīng)力，容易發(fā)生彎折破壞，使結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移或張開。

對于水平的層狀巖體，容易在頂部和仰拱出現(xiàn)鼓起，處于受拉狀態(tài)。傾角較小時，節(jié)理間滑移力難以克服其黏聚力，破壞形式表現(xiàn)為拱部和底部節(jié)理之間沿節(jié)理層面分離。當傾角達到60°，隧道左拱肩和右墻腳部位應(yīng)力明顯大于對稱部位應(yīng)力，因而造成了破壞的非對稱性。對于傾向巖層，沿著傾斜的一方易造成巖塊滑移，位移大大增加，甚至斜頂鼓起，破壞模式表現(xiàn)為節(jié)理面的滑移。

對于豎直產(chǎn)狀巖體，在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生一個垂直于層面的拉應(yīng)力，由于層間粘結(jié)力弱，因而各層之間容易產(chǎn)生離層，隧道側(cè)壁容易造成邊墻巖層彎曲壓潰破壞。

3.2 位移影響

位移是隧道穩(wěn)定性最直接的評判標準，不同節(jié)理產(chǎn)狀(0°、30°、60°和90°)圍巖位移矢量特征分布特征如圖4所示。

圖4 不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖位移矢量分布特征

從圖4中可以看出，開挖使得隧道上部圍巖失去支撐，而結(jié)構(gòu)面參數(shù)較弱，沿節(jié)理面剪切滑移較大，產(chǎn)生向洞內(nèi)位移。邊墻上部位移大于下部位移。結(jié)構(gòu)面水平時，最大位移發(fā)生在拱頂和仰拱處，如圖4(a)所示，而并不是在邊墻，其破壞形式表現(xiàn)為拱部巖層彎折破壞。當節(jié)理傾角為30°和60°，如圖4(b)、圖4(c)所示，最大位移發(fā)生在右拱肩和左拱腳，具有明顯不對稱性；當豎向節(jié)理時， 節(jié)理黏聚力不能抵抗層間下滑力，隧道周圍巖體沿豎向節(jié)理面發(fā)生整體下滑破壞，位移主要在拱部以向下發(fā)展為主，破壞模式主要變現(xiàn)為垂直節(jié)理剪切破壞，有冒頂塌方趨勢。因此必須采取支護措施，增強節(jié)理面黏聚力和摩擦角，提高巖層抗剪強度。

3.3 節(jié)理離層區(qū)影響

由于層間節(jié)理粘結(jié)力弱，不能承受或只能承受很小的拉應(yīng)力，因此層間節(jié)理逐漸張開，從而使層狀巖層的各層之間處于離層狀態(tài)，不同節(jié)理產(chǎn)狀節(jié)理離層區(qū)分布特征如圖5所示。

圖5 不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖節(jié)理離層區(qū)分布特征

離層區(qū)節(jié)理面之間法向應(yīng)力、法向力均為零，為隧道失穩(wěn)潛在區(qū)域。從圖5中看出，節(jié)理離層區(qū)不是發(fā)生在最大主應(yīng)力方向上，而是沿垂直于節(jié)理面方向發(fā)展。隨著節(jié)理傾角增大，節(jié)理離層區(qū)面積先增大，再減小。當傾角較小時，節(jié)理間主應(yīng)力難以克服其黏聚力，易發(fā)生節(jié)理分離，離層后所進行的應(yīng)力調(diào)整使相鄰巖層的強度降低，直到沿徑向發(fā)展到一定深度達到新的平衡為止。

水平層狀巖體及傾角較小時，不易發(fā)生順層滑移，頂部和仰拱節(jié)理之間產(chǎn)生離層區(qū)，易引起彎折破壞；隨著傾角增大(30°～60°)，巖層順弱勢節(jié)理面滑動趨勢增大，主要取決于節(jié)理面強度，破壞模式主要為層狀巖體沿節(jié)理滑移；當傾角75°～90°時，洞周受力趨于對稱，圍巖破壞主要為邊墻巖層彎曲壓潰，中間垂直巖體挾持作用減弱，有剪切破壞失穩(wěn)引起冒頂坍方趨勢。

3.4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與分析

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測項目共7項，其中圍巖1項，初支4項，二襯2項，見表4。

表4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測項目統(tǒng)計表

埋設(shè)完成后馬上讀取初始讀數(shù)，在噴射混凝土完成或襯砌混凝土澆注完成后再進行一次讀數(shù)。在初期應(yīng)力應(yīng)變急劇增大時，每天測1次；增速減緩時，每2～4 d測1次；應(yīng)力應(yīng)變基本穩(wěn)定時，每7～10 d測1次。

在Excel表中輸入斷面里程、安裝日期、圍巖級別、埋深、施工方法等基本信息。

通過時間與數(shù)據(jù)變化的關(guān)系自動生成曲線，可以較直觀地了解應(yīng)力變化趨勢，見圖6。

圖6 初支應(yīng)力變化趨勢圖

圖7 錨桿最大軸力與錨桿-節(jié)理夾角關(guān)系圖

4 節(jié)理巖體錨桿受力特性分析

按照鐵路現(xiàn)行標準斷面設(shè)計圖，錨桿環(huán)向間距一般1.2 m，表5為不同傾角左右兩側(cè)對稱錨桿最大軸力值，分布形式如圖7所示。

從表5看出，在傾角較小時，兩側(cè)大部分錨桿軸力差值不大，說明傾角較小時，不易發(fā)生順層滑動，洞周圍巖破壞形式與板裂介質(zhì)理論一致。隨著傾角增大，形成一個高密度的偏壓荷載，總體兩側(cè)錨桿軸力差值增大，而且右側(cè)明顯大于左側(cè)，巖層順弱勢節(jié)理面滑動趨勢增大，洞周破壞主要取決于節(jié)理面強度。通過錨桿軸向作用，使得各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，呈現(xiàn)出組合梁的彎曲變形特征，提高巖層抗彎剛度和強度。

表5 錨桿最大軸力統(tǒng)計表

從圖7可看出，右側(cè)錨桿軸力普遍大于左側(cè)，從錨桿最大軸力與錨桿-節(jié)理面夾角關(guān)系來看，錨桿與滑移面夾角大于23°時軸力較大，發(fā)揮較為明顯效果，錨桿增大層間摩阻力，增強節(jié)理剪切剛度，抑制層狀巖質(zhì)隧道的剪切滑移程度。

5 結(jié)論

(1)針對水平、傾斜、垂直的層狀巖體進行多組對比分析，由于節(jié)理面的出現(xiàn)，從根本上改變了圍巖應(yīng)力分布，極大削弱了巖體力學(xué)特性，與傳統(tǒng)松散介質(zhì)理論隧道失穩(wěn)模式不盡相同，施工擾動引起圍巖沿節(jié)理面滑動造成地質(zhì)偏壓荷載，成為層狀巖體隧道失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵所在。

(2)不同節(jié)理產(chǎn)狀情況下，圍巖受力方向不同,最大位移位置不同，破壞形式不同，但層間節(jié)理首先破壞，節(jié)理離層區(qū)發(fā)生在巖體節(jié)理垂直方向，而不是在最大主應(yīng)力方向上，隨之節(jié)理傾角增大,巖層受剪破壞是造成圍巖失穩(wěn)破壞的根本原因之一。

(3)對不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖節(jié)理離層區(qū)分布特征分析可知，隨著節(jié)理傾角增大，節(jié)理離層區(qū)面積先增大，再減小。節(jié)理傾角在45°～75°時，對圍巖穩(wěn)定性影響較大。因為傾向節(jié)理破壞以層間滑移為主，同時又包含層狀節(jié)理法向的彎折破壞。

(4)通過對錨桿最大軸力與錨桿節(jié)理夾角關(guān)系分析可知，隨著節(jié)理面傾角增大，兩側(cè)錨桿軸力差值增大，順弱勢節(jié)理面滑動趨勢增大。由于錨桿軸向作用，增大了層間摩阻力，有效抑制了層狀巖質(zhì)沿節(jié)理滑移，使各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，增強了隧道圍巖的整體穩(wěn)定性。

(5)根據(jù)對比分析，錨桿與滑移面夾角大于23°時錨固效果更佳，充分發(fā)揮“銷釘”和“組合梁”效果，區(qū)別于現(xiàn)行鐵路標準斷面通用圖以等長、等間距的系統(tǒng)錨桿設(shè)計理念，對錨桿打設(shè)角度應(yīng)結(jié)合巖層節(jié)理走向及產(chǎn)狀進行優(yōu)化。