碎裂結(jié)構(gòu)巖體圍巖壓力對隧道襯砌內(nèi)力的影響

徐 紅, 曾博文, 李永明, 張志強(qiáng)

(1. 烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司，新疆烏魯木齊830001; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031; 3. 烏魯木齊市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)執(zhí)行辦公室，新疆烏魯木齊830001)

碎裂結(jié)構(gòu)巖體圍巖壓力對隧道襯砌內(nèi)力的影響

徐 紅1, 曾博文2, 李永明3, 張志強(qiáng)2

(1. 烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司，新疆烏魯木齊830001; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031; 3. 烏魯木齊市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)執(zhí)行辦公室，新疆烏魯木齊830001)

文章以烏魯木齊軌道交通2號線高鐵站—華山路區(qū)間隧道為工程依托背景，隧道穿越斷層帶破碎節(jié)理發(fā)育較好的巖體地層，分析了碎裂結(jié)構(gòu)巖體的基本力學(xué)特性，得到了碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形破壞的模式，并建立碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道模型，基于離散元的方法，分析不同埋深下，即不同圍巖壓力下，隧道襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律，得出了一些適用于碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道施工的重要結(jié)論，以期指導(dǎo)同類工程。

隧道工程； 碎裂結(jié)構(gòu)巖體； 圍巖壓力； 襯砌內(nèi)力

烏魯木齊軌道交通2號線高鐵站—華山路區(qū)間隧道所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，所穿越的地層均含有發(fā)育較好的節(jié)理破碎帶巖體，其中以碎裂結(jié)構(gòu)的巖體為主。具有這種結(jié)構(gòu)的巖體在無圍壓和低圍壓的條件下在傳播應(yīng)力上和變形發(fā)展上經(jīng)常呈現(xiàn)不連續(xù)特性，在力學(xué)性質(zhì)上具有明顯的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。故圍巖壓力對碎裂結(jié)構(gòu)巖體的力學(xué)性能具有較大的影響，需要對隧道襯砌受力的狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)的研究。

國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)對碎裂結(jié)構(gòu)巖體圍巖壓力對隧道襯砌內(nèi)力影響展開了研究，如周洪福等人[1]對碎裂結(jié)構(gòu)巖體似連續(xù)性的特點(diǎn)進(jìn)行初步地分析，得到了水電工程可利用巖體的一種新的評價(jià)方法；李鵬飛等人[2]討論隧道圍巖壓力沿洞周的分布規(guī)律和不均勻系數(shù)的分布特征，分析隧道圍巖壓力作用機(jī)制和完善支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；韓勇等人[3]采用UDEC數(shù)值分析軟件，建立碎裂結(jié)構(gòu)巖體數(shù)值模型，研究碎裂結(jié)構(gòu)巖體應(yīng)力傳播的結(jié)構(gòu)效應(yīng)；龔建伍等人[4]對淺埋小凈距隧道的圍巖壓力進(jìn)行理論分析和探討，提出考慮隧道雙洞先后施工過程的圍巖壓力分析模型和計(jì)算方法；譚忠盛等人[5]經(jīng)過對算法的比較分析，提出一種簡單、實(shí)用的二次二階矩法；李鵬飛等人[6]選取隧道圍巖壓力計(jì)算的7種常用方法，分別計(jì)算隧道埋深和隧道跨度等參數(shù)對圍巖壓力計(jì)算結(jié)果的影響；劉德軍等人[7]為了克服隧道襯砌內(nèi)表面常用補(bǔ)強(qiáng)方法的不足，探索纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土加固隧道襯砌的適用性；劉學(xué)增等人[8]基于隧道襯砌拱頂結(jié)構(gòu)1∶1的荷載試驗(yàn)，建立襯砌裂縫深度與襯砌剛度的關(guān)系，提出裂縫處襯砌剛度計(jì)算的梁彈簧模型。

高鐵站—華山路站區(qū)間隧道沿線分布的風(fēng)化巖主要為強(qiáng)風(fēng)化～中等風(fēng)化的泥巖，成巖較差易軟化易形成軟弱夾層。圍巖等級為III、IV級，可以將該區(qū)段的地層看作是破碎狀節(jié)理巖體。本文基于碎裂結(jié)構(gòu)巖體中隧道的變形和破壞模式，建立碎裂結(jié)構(gòu)巖體隧道模型，分析不同圍壓對隧道襯砌內(nèi)力的影響。

1 工程概況

高鐵站—華山路站起點(diǎn)里程DK15+750 m，終點(diǎn)里程DK17+100，長1 350 m。位于山前丘陵區(qū)，地勢南高北低，既有蘭新鐵路穿越DK16+850～DK17+050段西側(cè)為維泰路挖方路塹地，起伏較大，地面標(biāo)高在810～855 m之間。

烏魯木齊市區(qū)地下水位、含水層厚度、滲透系數(shù)、富水性等受基巖埋深、補(bǔ)給斷裂等影響存在明顯的差異。地表水分布于DK15+800～DK15+835段，為一側(cè)溝內(nèi)流水。側(cè)溝內(nèi)流水較淺，水深0.2 m左右。該水源補(bǔ)給主要為上游近山丘陵地帶的荒山綠化灌溉用水和大氣降水，水量不大。車站內(nèi)地下水為松散層孔隙潛水，主要埋藏于第四系中更新統(tǒng)圓礫土中，水位埋深1.0～30.5 m，水位高程792.4～834.5 m，地下水主要接受大氣降水，水量不大。擬建區(qū)間隧道在左線ZDK16+360～ZDK16+455以及右線YDK16+355～YDK16+450，經(jīng)過九家灣斷層組中的F5-3斷層，其下破碎帶區(qū)域巖石呈現(xiàn)明顯的碎裂狀(圖1)。

圖1 碎裂狀巖體

2 碎裂結(jié)構(gòu)巖體基本力學(xué)特性

2.1 碎裂結(jié)構(gòu)巖體

碎裂結(jié)構(gòu)巖體是指在III、IV級堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面切割下形成分離的結(jié)構(gòu)巖體。碎裂結(jié)構(gòu)巖體，既不同于塊裂結(jié)構(gòu)巖體，也不同于完整結(jié)構(gòu)巖體。這不僅表現(xiàn)在巖體結(jié)構(gòu)上，而且更重要的是表現(xiàn)在巖體力學(xué)作用上。就巖體力學(xué)性質(zhì)來說，塊裂結(jié)構(gòu)巖體主要受軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)控制，而碎裂結(jié)構(gòu)巖體則既受結(jié)構(gòu)面控制，又受結(jié)構(gòu)體—巖塊力學(xué)性質(zhì)控制。就巖體力學(xué)作用來說，同樣，它既不同于塊裂結(jié)構(gòu)巖體，又不同于完整結(jié)構(gòu)巖體力學(xué)作用。

構(gòu)成碎裂結(jié)構(gòu)巖體有兩種結(jié)構(gòu)類型，即碎裂結(jié)構(gòu)和粗碎屑散體結(jié)構(gòu)。其中碎裂結(jié)構(gòu)又可以分為許多種亞類，主要有三種亞類：等厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)，不等厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀碎裂結(jié)構(gòu)。以上各種巖體結(jié)構(gòu)按力學(xué)作用可以歸并為兩種典型結(jié)構(gòu)，即對縫砌體碎裂結(jié)構(gòu)和錯(cuò)縫砌體碎裂結(jié)構(gòu)。本文依托工程區(qū)間隧道為不等厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)。

2.2 碎裂結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞模式

碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形是比較復(fù)雜的，它的變形中常有四種成分，即結(jié)構(gòu)體壓縮變形、結(jié)構(gòu)體剪切變形、結(jié)構(gòu)面壓縮閉合變形、結(jié)構(gòu)面剪切滑移變形。這四種成分不僅在具體的巖體變形中影響程度不同，而且發(fā)揮作用的階段亦不相同。

碎裂結(jié)構(gòu)巖體的破壞主要有四種方式，即結(jié)構(gòu)體被壓碎，這種情況比較少有；結(jié)構(gòu)體沿著結(jié)構(gòu)面滑動，使巖體結(jié)構(gòu)解體；巖體結(jié)構(gòu)崩潰，解體；結(jié)構(gòu)體滾動，使巖體結(jié)構(gòu)解體。碎裂結(jié)構(gòu)巖體破壞是比較復(fù)雜的，屬于多種方式的復(fù)合破壞。

3 基本假設(shè)與模型的建立

3.1 基本假設(shè)

由于離散元法特別適合于富含節(jié)理弱面和大變形的工程問題，因而較多應(yīng)用于碎裂結(jié)構(gòu)巖體的模擬，本文采用UDEC離散元軟件。為研究碎裂結(jié)構(gòu)巖體在隧道開挖圍巖穩(wěn)定性，做如下假設(shè)：

(1)模型處于平面應(yīng)變狀態(tài)；考慮第三維方向的應(yīng)力分布，建立平面計(jì)算模型；

(2)巖石為均質(zhì)彈塑性材料，由于節(jié)理的存在而非各向同性材料；

(3)結(jié)構(gòu)面平直全長貫通，兩組結(jié)構(gòu)面相互正交，各組間距相等；兩組結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能是相同的，計(jì)算選取的結(jié)構(gòu)面參數(shù)均相同；

(4)固定左右邊界水平位移及下邊界豎向位移；超淺埋和淺埋情況下上邊界自由直接取到地表，深埋情況下上邊界取隧道開挖跨徑的3倍，并于上邊界施加均布壓力p模擬上覆巖層壓力。

3.2 模型的建立

為研究碎裂結(jié)構(gòu)巖體中隧道的基本力學(xué)響應(yīng)，按照復(fù)合襯砌斷面圖建模。巖體結(jié)構(gòu)為兩組結(jié)構(gòu)面形成的對縫式碎裂結(jié)構(gòu)，兩組結(jié)構(gòu)面間距均為0.4 m，隧道跨度B=8.02 m，模型寬度為10倍跨徑約81 m，底板距下邊界約35 m，當(dāng)拱頂距上邊界覆土深度大于35 m時(shí)取35 m，并在上邊界施加均布巖層壓力模擬上覆巖層壓力；當(dāng)拱頂距上邊界的覆土深度小于等于35 m時(shí)，上邊界取到地表(圖2)。

圖2 碎裂結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

如圖2所示，約束模型左右邊界的水平位移和下邊界的上下位移。S為巖層厚度，p為上覆土壓。計(jì)算共取22個(gè)工況，埋深從10～900 m不等。

模型選取以下參數(shù)：GSI=50，GCI=75 MPa，m=8，D=0；JRC=11，JCS=75 MPa，φr=26，容重γ=26 kN/m3，泊松比μ=0.27，變形模量Em=8 660.25 MPa，巖石抗拉強(qiáng)度σt=0.216 1 MPa;節(jié)理法向剛度均為Kn=18.141 GPa，抗拉強(qiáng)度為0，其余圍巖物性指標(biāo)及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)如表1所示。

考慮到二次襯砌主要作為安全儲備來使用，故分析時(shí)不考慮二次襯砌，選取初襯參數(shù)如表2所示。

4 隧道襯砌內(nèi)力分析

為了在開挖后加入支護(hù)，研究支護(hù)后圍壓效應(yīng)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，采用struct梁單元模擬襯砌，對于襯砌的模擬我們采用厚度36 cm的struct梁單元一次施作完成，襯砌沿開挖斷面全環(huán)封閉。采用地層—結(jié)構(gòu)模式分析襯砌在不同圍壓水平下的內(nèi)力變化，研究圍壓變化對隧道暗挖法施工情況下開挖隧道后主體支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響。

4.1 襯砌彎矩分析

各工況襯砌彎矩分布如圖3所示。隧道埋深超過100 m后，襯砌彎矩分布基本與埋深100 m時(shí)相同，因此只給出襯砌彎矩分布有明顯變化工況。

根據(jù)計(jì)算獲得的各工況下襯砌最大彎矩值(絕對值)隨隧道埋深變化圖如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出：

(1)隧道埋深較小情況下，襯砌拱頂部位彎矩較大，邊墻部位彎矩相對要小；隧道埋深較大的情況下，襯砌拱頂部位彎矩較小，而邊墻彎矩較大。

(2)從襯砌彎矩最大絕對值變化上看，隨埋深增大，襯砌彎矩緩慢增大，由20 kN·m左右增大到40 kN·m左右。

4.2 襯砌軸力分析

由于計(jì)算工況較多，此處僅給出軸力分布有明顯變化的工況(圖5)。當(dāng)隧道埋深大于100 m后，襯砌軸力分布基本與埋深100 m時(shí)相同，只是絕對數(shù)值上有差異。

表1 各工況下圍巖物性指標(biāo)和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

圖4 襯砌最大彎矩值隨隧道埋深變化

根據(jù)計(jì)算獲得的各工況下襯砌最大軸力值(絕對值)隨隧道埋深變化圖如圖6所示。

從圖5、圖6可以看出：

(1)從襯砌軸力分布情況看，隧道埋深小于100 m時(shí)，襯砌軸力分布較為均勻；隧道埋深大于等于100 m時(shí)，襯砌軸力分布變的有差異，拱頂軸力很小幾乎為零，而兩側(cè)邊墻軸力較大。

(a)埋深10 m

(b)埋深50 m

(c)埋深100 m

圖6 襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化

(2)從襯砌軸力的最大絕對值隨隧道埋深變化圖上看，隧道埋深10～35 m，襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化幾乎呈線性增大的趨勢，其數(shù)值從700 kN左右迅速上升到1 100 kN左右；隧道埋深35～40 m，襯砌最大軸力值隨埋深增大急劇減小，其數(shù)值從1 100 kN左右迅速減少到300 kN左右；隧道埋深40～900 m，襯砌最大軸力值隨隧道埋深變化呈緩慢增大趨勢，其數(shù)值從300 kN左右上升到700 kN左右。

4.3 安全性評價(jià)

取10 m、50 m、100 m埋深三個(gè)工況，討論支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，計(jì)算出安全系數(shù)如表3～表5所示。

表3 埋深10 m時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

從以上各表可以看出：埋深較淺時(shí)，墻腳處安全系數(shù)較小，是整個(gè)斷面最為危險(xiǎn)的位置。隨著埋深的增大，拱頂位置處的安全系數(shù)接近限值，斷面其他位置的安全系數(shù)呈下降趨勢。埋深達(dá)到100 m時(shí)，除拱腳位置外，斷面其余位置安全系數(shù)均較小，均處于較危險(xiǎn)的狀態(tài)。

表4 埋深50 m時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

表5 埋深100 m時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

5 結(jié)論

(1)巖體的力學(xué)作用和力學(xué)性能密切地與它所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，這被稱為巖體的圍壓效應(yīng)。當(dāng)圍壓超過于一定水平時(shí)，巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)迅速減少到可以忽略的程度，這個(gè)圍壓水平本文稱其為巖體喪失結(jié)構(gòu)效應(yīng)的臨界圍壓水平。巖體喪失結(jié)構(gòu)效應(yīng)后，可以將其簡化為連續(xù)介質(zhì)處理，但是巖體存在明顯結(jié)構(gòu)效應(yīng)時(shí)，必須用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的方法處理。

(2)通過離散單元法數(shù)值模擬，得到了襯砌內(nèi)力與圍巖壓力之間的關(guān)系，由襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律可看出，在埋深35～40 m處，襯砌內(nèi)力出現(xiàn)突變，說明圍巖穩(wěn)定性出現(xiàn)突變，這與巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)喪失相吻合。同時(shí)可得出，隧道圍巖穩(wěn)定性隨圍壓的增大呈先增大后降低的變化趨勢，即隨著圍壓的增大，隧道圍巖穩(wěn)定性先由較差向較好變化，當(dāng)圍壓達(dá)到巖體喪失結(jié)構(gòu)效應(yīng)的臨界圍壓水平后再向較差變化。

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U451+.4

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[定稿日期]2017-06-21

國家自然科學(xué)基金(編號:51478396)；新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號:2013-1)

徐紅(1970～)，女，高級工程師，主要從事地鐵隧道工程設(shè)計(jì)與管理工作。

四川省土木建筑學(xué)會首套專家叢書問世