蝕變巖體隧洞圍巖變形響應(yīng)模擬研究

賈超 廉明遠(yuǎn)

摘 要：蝕變巖體是影響隧洞圍巖穩(wěn)定和變形的重要因素，為分析蝕變巖體對(duì)圍巖變形的影響，在有限元理論的基礎(chǔ)上，選擇最常見(jiàn)的城門(mén)洞形隧洞為研究對(duì)象，對(duì)圍巖變形進(jìn)行模擬，對(duì)比分析了正常微風(fēng)化巖和3種蝕變巖隧洞洞室頂拱和側(cè)壁的位移，結(jié)果表明：蝕變程度不同，無(wú)論是頂拱還是側(cè)壁圍巖的位移不同，蝕變?cè)絿?yán)重圍巖位移越大；巖體一旦蝕變后，一定范圍內(nèi)頂拱和側(cè)壁圍巖位移變化具有相同的趨勢(shì)，蝕變?cè)絿?yán)重，位移量越大；隧洞不同部位對(duì)蝕變影響的敏感程度不同，頂拱位移比洞室上下游側(cè)壁的大，是變形觀測(cè)和圍巖支護(hù)的關(guān)鍵部位。

關(guān)鍵詞：蝕變巖體：圍巖穩(wěn)定：位移：隧洞

中圖分類(lèi)號(hào)：TV223.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.028

隨著施工手段和工程技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)地下空間的利用越來(lái)越多，工程規(guī)模不斷增大。隧道、水電站地下廠房、巖鹽儲(chǔ)庫(kù)群等隧洞開(kāi)挖工程的地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜，巖體特性相差很大，因此在施工前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，并對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，影響隧洞圍巖變形的因素除隧道埋深、地下水、斷面形式和尺寸外，蝕變巖體的影響也不容忽視[1-3]。選擇合適的斷面形式，充分考慮蝕變巖體對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性和安全性分析，對(duì)工程質(zhì)量和圍巖支護(hù)方案的選擇具有重要意義。有限元法是研究地下工程應(yīng)力和應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的有效方法，筆者在有限元理論的基礎(chǔ)上，選擇最常見(jiàn)的城門(mén)洞形隧洞為研究對(duì)象，采用有限元程序ANSYS計(jì)算隧洞頂拱和側(cè)壁處的位移，并進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出不同蝕變程度巖體隧洞的位移響應(yīng)結(jié)果。

1 蝕變巖體特性分析

蝕變巖體是淺埋地下開(kāi)挖工程中經(jīng)常遇到的軟弱巖體，其對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定及變形起著決定性作用。巖體蝕變是云母富集化及黏土巖化的復(fù)雜過(guò)程，新鮮巖石受強(qiáng)烈混合巖化過(guò)程和巖漿熱力作用，巖石的成分發(fā)生變化，通過(guò)石英溶解、鈉代謝、新生石英沉淀、黏土巖化及含黏土礦物巖石崩解，以及晚期碳酸鹽化、云母富集化等蝕變作用，形成了巖體中較大范圍的蝕變體[4-7]，其成分主要包括黑云母、伊利石、高嶺石和蒙脫石等。蝕變巖體往往分布在斷裂破碎帶內(nèi)或其附近，其產(chǎn)狀與T程區(qū)主構(gòu)造線基本一致，疏松多孔，呈透明狀，使原本就薄弱的軟弱結(jié)構(gòu)面更加易于破壞[8]。蝕變巖天然容重為24.5～ 25.8 kN/m3，蝕變?cè)絿?yán)重其天然含水率越高，一般為2.55%～ 3.14%，孔隙率為4.06%～10.26%，巖體自由膨脹率軸向?yàn)?.4%～4.2%、徑向?yàn)?.2%～2.4%，膨脹力為11～13 kPa，抗壓強(qiáng)度為55～72 MPa[9]。

2 算例分析

2.1 計(jì)算模型及分析方案

模擬的節(jié)理巖體隧洞的斷面形式為城門(mén)洞形，斷面尺寸為9.4 mx9.4 m（寬×高），見(jiàn)圖1。模型中考慮了3組軟弱結(jié)構(gòu)面節(jié)理組，角度分別為45°、65°和85°，節(jié)理間距為6.0～ 20.0Cm，取平均值13 cm。采用彈塑性模型對(duì)蝕變巖體和結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析。選取的微風(fēng)化巖和3種不同計(jì)算方案蝕變巖結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

2.2 主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)

隧洞變形的主要部位與工程區(qū)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地應(yīng)力、側(cè)壓力系數(shù)及斷面形式有關(guān)。在控制隧洞埋深、斷面形式、結(jié)構(gòu)面傾角和間距一定的情況下，僅改變蝕變巖體的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)城門(mén)洞形斷面形式進(jìn)行位移分析計(jì)算，從而得出蝕變巖體對(duì)節(jié)理隧洞圍巖變形的影響。考慮的主要因素有隧洞關(guān)鍵部位位移及巖體蝕變程度。選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)（見(jiàn)圖1），分別為城門(mén)洞形隧洞頂拱、弧形拱和側(cè)壁的交點(diǎn)及側(cè)壁中點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算不同蝕變方案和不同部位位移量的大小得出蝕變巖體隧洞圍巖的位移響應(yīng)。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算時(shí)隧洞埋深為200 m，初始地應(yīng)力為12 MPa，對(duì)模型中主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫向和豎向位移進(jìn)行模擬，以Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，利用程序確定不同方案下圍巖的變形量。由不同方案下洞室橫向和豎向位移（圖2～圖4）可知，正常微風(fēng)化巖體和蝕變巖體方案三、方案二、方案一下城門(mén)洞形隧洞頂拱處的最大豎向位移分別為12.1、21.0、22.5、31.5 mm，弧形拱和側(cè)壁交點(diǎn)處的最大橫向位移分別為7.5、11.2、12.4、14.5 mm.上下游側(cè)壁中點(diǎn)處的最大橫向位移分別為6.9、10.6、11.8、13.8 mm。最大位移發(fā)生在蝕變程度最大時(shí)的頂拱位置，達(dá)31.5 mm，為豎向位移。頂拱處豎向位移遠(yuǎn)大于側(cè)壁處的橫向位移。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大橫向位移發(fā)生在方案一弧形拱和側(cè)壁交點(diǎn)處，為14.5 mm。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 蝕變對(duì)隧洞不同部位位移的影響

對(duì)比隧洞不同部位的位移響應(yīng)結(jié)果（見(jiàn)圖2～圖4）可知，無(wú)論是隧洞頂拱還是側(cè)壁，蝕變巖體隧洞的位移都遠(yuǎn)大于未蝕變巖體隧洞的。頂拱處蝕變巖體隧洞的最大位移為31.5 mm，未蝕變巖體隧洞的僅為12.1 mm.而且蝕變巖體的位移不斷發(fā)展呈發(fā)散趨勢(shì)，遠(yuǎn)高于未蝕變巖體隧洞頂拱處豎向位移的發(fā)展程度。說(shuō)明巖體蝕變嚴(yán)重影響隧洞頂拱的安全穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)落石、坍塌等災(zāi)害，危及頂拱安全。頂拱處的位移增加都呈先慢后快，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。以方案1為例，位移從0增大到5 mm用了5個(gè)工作步，而從5 mm增大到20 mm僅用了2個(gè)工作步。究其原因可能是，開(kāi)挖使得地應(yīng)力釋放，加之蝕變巖體的黏聚力大大降低而容重卻減小較少，使得圍巖在重力作用下的位移增大。各方案下，弧形拱和側(cè)壁交點(diǎn)處及側(cè)壁中點(diǎn)橫向位移有相似的變化趨勢(shì)，只是前者同一時(shí)間的橫向位移普遍大于后者0.2～0.7 mm。同樣也是蝕變巖體的位移較未蝕變巖體的明顯增大，弧形拱和側(cè)壁交點(diǎn)處未蝕變巖體的最大橫向位移僅為7.5 mm，蝕變巖體的最大橫向位移為14.5 mm，蝕變巖體最大橫向位移約為未蝕變巖體最大橫向位移的兩倍。蝕變巖體和未蝕變巖體側(cè)壁中點(diǎn)橫向位移最大值分別為13.8 mm和6.9 mm，也具有類(lèi)似的結(jié)論。

無(wú)論是蝕變巖體還是未蝕變巖體，頂拱豎向位移和側(cè)壁橫向位移變化趨勢(shì)不同。前者的位移增大先慢后快，后趨于穩(wěn)定，位移量最大為31.5 mm；后者開(kāi)挖后橫向位移迅速增大，隨即位移稍有增大但變化不大，最大位移僅為14.5 mm。產(chǎn)生這種不同變化的原因是，不同位置圍巖受力不同。

2.4.2 蝕變程度對(duì)圍巖位移的影響

蝕變程度不同，無(wú)論是頂拱還是側(cè)壁圍巖的位移不同，蝕變?cè)絿?yán)重圍巖位移越大。由計(jì)算結(jié)果和位移變化曲線可知，巖體從未蝕變到蝕變位移增大顯著，但巖體一旦蝕變后，一定范圍內(nèi)頂拱和側(cè)壁圍巖位移變化具有相同的趨勢(shì)，蝕變?cè)絿?yán)重，位移越大。其原因是蝕變程度決定巖體力學(xué)參數(shù)的變化幅度，尤其是巖體黏聚力的變化程度，宏觀上反映為蝕變?cè)絿?yán)重，隧洞開(kāi)挖地應(yīng)力釋放后，巖體位移越大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響圍巖的安全穩(wěn)定，應(yīng)注意合理支護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

巖體蝕變會(huì)大大增加隧洞頂拱及側(cè)壁的位移，考慮蝕變巖體對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響，利用有限元程序ANSYS對(duì)比分析各關(guān)鍵部位的位移，判定隧道圍巖的穩(wěn)定性及安全性，進(jìn)而選擇合適的圍巖支護(hù)方案是研究洞室穩(wěn)定性的重要方法和有效手段。巖體蝕變作用大大降低了隧道圍巖的力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性和位移產(chǎn)生重要影響。通過(guò)對(duì)城門(mén)洞形隧洞頂拱、弧形拱和側(cè)壁交點(diǎn)處及側(cè)壁中點(diǎn)位移的對(duì)比分析可知，巖體蝕變使隧道頂拱豎向位移及側(cè)壁的橫向位移增大，在洞室圍巖穩(wěn)定性分析中不容忽視，且蝕變?cè)絿?yán)重圍巖的位移越大，嚴(yán)重時(shí)危及洞室安全，應(yīng)引起重視。通過(guò)模擬研究，可以了解不同蝕變程度下圍巖的位移響應(yīng)，從而對(duì)不同蝕變程度洞室采取不同的支護(hù)方案。

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