層狀巖體傾角對圍巖開挖變形特征的影響分析

王志強(qiáng)

摘要：層狀巖體在現(xiàn)階段城市地下工程建設(shè)過程中十分常見，對圍巖變形特征的影響不同于常規(guī)地下工程項(xiàng)目。本文依托某軌道交通環(huán)線車站特有的工程地質(zhì)背景，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Midas/NX軟件對車站主體工程所涉及到的7個(gè)特征斷面逐一進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上總結(jié)分析其具體的圍巖變性特征，并對監(jiān)測方案提出改進(jìn)措施，為類似工程提供借鑒。

Abstract： Stratified rock mass is very common in the process of urban underground engineering construction at present， and it has different influence on the deformation characteristics of surrounding rock than conventional underground engineering project. Based on the unique engineering geological background of a rail transit station and the real-time monitoring data， the Midas/NX software is used to simulate the seven characteristic sections involved in the main project of the station. On this basis， the specific characteristics of the surrounding rock denaturation are summarized and the improvement measures of the monitoring scheme are put forward to provide reference for similar projects.

關(guān)鍵詞：層狀巖體；隧道開挖；Midas/NX；圍巖變形

Key words： stratified rock mass；tunnel excavation；Midas/NX；surrounding rock deformation

中圖分類號(hào)：U452.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0075-02

0 引言

巖體在形成的過程中，要經(jīng)受各種復(fù)雜的地質(zhì)作用。各種斷層、節(jié)理及裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育使得巖體的物理力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜[1]。隧道的開挖是在巖土體環(huán)境中進(jìn)行，受圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)、賦存狀態(tài)、施工方法影響較大，開挖過程中的變形分析，是隧道安全施工的關(guān)鍵點(diǎn)，也是隧道建設(shè)中的一個(gè)難題。柳厚祥，鄭智雄[2]等人在研究了在高地應(yīng)力的初始條件下不同錨桿支護(hù)方式對大傾角傾斜層狀巖體穩(wěn)定性的影響；彭焱森，邱奎[3]分析了當(dāng)巖層傾角不同時(shí)，隧道圍巖中不同位置的錨桿對于洞室變形及圍巖應(yīng)力的約束作用也有顯著的不同；劉學(xué)增，林亮倫[4]研究逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)影響下，隧道斷面周邊的圍巖應(yīng)力變化特征及破壞模式的分類研究，并給出了當(dāng)巖層傾角在75°的時(shí)候的隧道斷面圍巖接觸壓力的影響范圍和應(yīng)力大小的變化區(qū)間；劉紅兵[5]分析了巖層傾角對偏壓作用的影響程度和規(guī)律，通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)圍巖最大主應(yīng)力線最大梯度方向與節(jié)理層面方向具有一致性；楊修[6]總結(jié)和歸納了位移判別法、強(qiáng)度準(zhǔn)則法、極限應(yīng)變法、塑性區(qū)尺寸判別法四種層狀巖體中適用的失穩(wěn)判別依據(jù)；Wang.Y，Yin.J.M[7]等對層狀巖體的各向異性特性運(yùn)用FLAC3D軟件用于分析的變形，得出當(dāng)巖層的傾向保持不變，隨巖層傾角的增大，隧道周邊位移是有減少的趨勢的結(jié)論。所以針對大傾角層狀巖體地鐵隧道開挖圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有十分重要的理論與工程意義。

1 工程概況

某軌道交通環(huán)線一期工程車站南北兩側(cè)均為山地，位于山體下方，車站采用礦山法施工，車站結(jié)構(gòu)包括車站主體結(jié)構(gòu)及站前配線區(qū)間，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為YDK29+739.859，線設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為YDK30+007.860，長268.001m，軌面標(biāo)高為226.716m。開挖斷面為直墻圓拱形斷面，為深埋隧道，采用雙側(cè)壁島坑法施工。擬建工程場地地貌單元為構(gòu)造剝蝕淺丘地貌。場地地面高程240～312m。地形總體呈東高西低的特征，地形起伏較大，坡角為30～200，局部斜坡、陡坎處可達(dá)500～800。

車站主體擬采用礦山法施工，跨度23.6m，洞高21.09m，斷面為曲墻圓拱形，走向1970，與地質(zhì)構(gòu)造線交角近于平行，場地地面高程283～313m，橫向地形坡度較大，上覆土層一般厚0.0～1.5m，主要為素填土、粉質(zhì)粘土，下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖夾砂巖。本段隧道圍巖主要為較完整的塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)砂質(zhì)泥巖，預(yù)測正常單位涌水量2.13L/min·10m，地下水狀態(tài)為一級，呈滴狀或線狀排出。洞頂中等風(fēng)化巖體厚46.3～71.3m>2.5Hq，為深埋隧道。圍巖參數(shù)建議值如表1所示。

2 施工過程模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

基于本文工程的特殊地質(zhì)條件，采用摩爾庫倫模型來模擬開挖過程的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，由于該軌道交通環(huán)線主體工程全長約268m，取其中具有代表性的巖層分布斷面，由于Midas/NX計(jì)算軟件可將板單元和實(shí)體單元所產(chǎn)生的誤差降低到5%以內(nèi)，各斷面的襯砌均采用板單元進(jìn)行模擬，襯砌結(jié)構(gòu)與典型斷面模型如圖1所示。

通過模擬隧道開挖后第一次襯砌施加過程之后的圍巖變形，得到各巖層分布斷面的位移云圖，如圖2。通過七個(gè)斷面的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)巖層傾角為六十度時(shí)，隧道斷面附近一定區(qū)域內(nèi)砌塊與巖體均發(fā)生了傾斜，出現(xiàn)了沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的趨勢，巖層交錯(cuò)程度越復(fù)雜，產(chǎn)生的位移也更大。

根據(jù)監(jiān)控量測規(guī)范和監(jiān)測方案要求，按照每20m一個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)測監(jiān)控量測點(diǎn)，將整個(gè)車站主體各個(gè)監(jiān)測斷面的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分別于與對應(yīng)監(jiān)測布點(diǎn)位置的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比以及該斷面拱頂沉降和洞內(nèi)收斂位移最大模擬值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3。

數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)控量測結(jié)果總體趨勢比較吻合，實(shí)測值通常情況下都略小于數(shù)值模擬結(jié)果，這中情況發(fā)生的主要原因可能是襯砌的施工不夠及時(shí)，在襯砌完工后，再進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測，隧道斷面圍巖的應(yīng)力和位移可能已經(jīng)出現(xiàn)部分的流失。

通過數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了模型的可靠性，所以整個(gè)隧道斷面在施工過程中最大拱頂沉降值約為13.4mm，最大洞內(nèi)收斂約為7.5mm，均在監(jiān)控量測報(bào)警值30mm以內(nèi)，所以整個(gè)主體工程各個(gè)斷面的圍巖位移狀態(tài)均處在規(guī)范要求的許可范圍之內(nèi)，現(xiàn)場監(jiān)控量測的確起到了確保安全施工的作用。

3 結(jié)論

本文依托某軌道交通環(huán)線一期工程車站的具體工程，從實(shí)際工程地質(zhì)情況出發(fā)，對大傾角層狀巖體隧道開挖引起的圍巖破壞形式和受力情況改變，位移變化等規(guī)律進(jìn)行了研究，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

①通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)大傾角層狀巖體交錯(cuò)時(shí)，會(huì)使整個(gè)圍巖的位移影響范圍擴(kuò)大，若發(fā)生在隧道斷面處，會(huì)造成拱頂位移明顯偏大現(xiàn)象，上覆土層分布不均時(shí)會(huì)對這種偏移現(xiàn)象帶來顯著影響；

②當(dāng)巖層交錯(cuò)現(xiàn)象比較幾種出現(xiàn)在隧道斷面附近，并貫穿隧道斷面時(shí)，這種圍巖會(huì)加劇位移云圖偏移的影響范圍；

③在圍巖在隧道開挖過程中，巖層傾角對隧道開挖的穩(wěn)定性有著顯著的影響，隨著開挖巖層傾角的逐步增大，拱頂沉降變形呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在某一個(gè)狀態(tài)下出現(xiàn)峰值，在以后的工程開挖中可利用此規(guī)律，適當(dāng)?shù)谋苊庠谧畈焕麅A角巖層進(jìn)行開挖。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔書賢.層狀圍巖隧道力學(xué)特性及穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶大學(xué).

[2]柳厚祥，鄭智雄，胡勇軍，趙明綱.層狀巖體不同傾角對高地應(yīng)力隧道穩(wěn)定性影響分析[J].交通科學(xué)與工程，2014，30（2）：46-50.

[3]彭焱森，邱奎.陡傾層狀不同傾角巖體下的隧道的施工力學(xué)行為分析[J].公路隧道，2013（4）：17-22.

[4]劉學(xué)增，林亮倫.75°傾角逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)對公路隧道影響的模型實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（12）：2523-2530.

[5]劉紅兵.巖層傾角對層狀巖體隧道穩(wěn)定性影響分析[J].公路工程，2013（8）：167-169.

[6]楊修.深埋水平巖層隧道開挖圍巖穩(wěn)定性分析[D].北京交通大學(xué).2012.

[7]Wang.Y， Yin.J.M， Xiao.G.Q. Three-dimensional stability analysis of stratified rock mass tunnel based on anisotropic theory.[C]. Rock Stress and Earthquakes-Proceedings of the 5th International Symposium on In-Situ Rock Stress 2010. 617-621.