層狀巖質(zhì)邊坡成洞過程中圍巖變形及力學(xué)特征研究

陳俊棟，葛修潤，宋丹青，蔡建華

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030；2.中鐵科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731； 3.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731)

在我國基建高速發(fā)展的過程中，邊坡穩(wěn)定性越來越成為影響工程安全運(yùn)營的作用因素[1-2]。自新奧法提出以來，在世界范圍內(nèi)地下工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代隧道技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志[3]。隨著我國公路、鐵路建設(shè)規(guī)模不斷加大，越來越多的長(zhǎng)大深埋隧道出現(xiàn)，層狀巖質(zhì)邊坡圍巖隧道支護(hù)體系的設(shè)計(jì)和施工逐漸成為隧道建設(shè)中的難題，特別是隧道的進(jìn)出口的邊坡穩(wěn)定性是決定隧道工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵問題[4]。

近年來，許多學(xué)者對(duì)邊坡開挖變形機(jī)制做了大量研究并取得了較多的研究成果。Tommasi等[5]采用GPR方法結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，分析了緩傾角順層巖質(zhì)邊坡圍巖的屈曲規(guī)律，并利用數(shù)值模擬研究了邊坡圍巖屈曲機(jī)制，研究表明，圍巖屈曲變形的主要原因是地下水壓力。Najib等[6]針對(duì)巖質(zhì)邊坡開挖的彈性變形，利用二維有限元方法分析了泊松比、坡度及開挖進(jìn)度對(duì)彈性變形的影響。Nie等[7]結(jié)合某大型水利水電工程，對(duì)不同荷載條件下，嚴(yán)重切削谷巖質(zhì)邊坡圍巖開挖變形做了系統(tǒng)研究，并利用數(shù)值分析方法對(duì)不同施工條件下邊坡圍巖的變形規(guī)律進(jìn)行了分析。唐紅梅等[8]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了巫山至無錫公路巖體開挖過程中邊坡位移和應(yīng)力的變化。王宇等[9]結(jié)合某高速公路一橋墩承臺(tái)開挖邊坡，分析了巖層厚度、巖層傾角、地震作用及地下水滲流等對(duì)邊坡圍巖變形的影響。劉小麗等[10]利用有限元應(yīng)力邊坡圍巖穩(wěn)定性分析方法，對(duì)二階階梯型均質(zhì)邊坡圍巖開挖進(jìn)行了分析，結(jié)果表明考慮開挖作用及不考慮開挖作用的不同工況下，邊坡的穩(wěn)定性及其對(duì)邊坡強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)的分布規(guī)律，并且比較了其潛在滑動(dòng)面特征。成層狀巖質(zhì)邊坡圍巖是分布最為廣泛、也是眾多學(xué)者關(guān)注、出現(xiàn)問題最多的一類巖質(zhì)邊坡，也是工程建設(shè)危害最大的一類邊坡[11-14]。目前，針對(duì)邊坡開挖變形機(jī)制的研究較多，但是，由于軟弱結(jié)構(gòu)面的存在使巖質(zhì)邊坡的變形特征變得更加復(fù)雜，尤其是含有多層軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖質(zhì)邊坡，因此針對(duì)層狀巖質(zhì)邊坡的開挖變形及力學(xué)特征的研究還需進(jìn)一步研究，這種研究將會(huì)對(duì)隧道開挖過程中地質(zhì)災(zāi)害的防治有著重要的意義。

本文以某隧道進(jìn)出口處含順向軟弱結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡為例，采用全斷面開挖方法進(jìn)行隧道開挖，結(jié)合ANSYS有限元軟件工具對(duì)開挖邊坡圍巖建模，研究了邊坡開挖前后的圍巖變形及其力學(xué)特征。此外，通過對(duì)比分析最接近真實(shí)地應(yīng)力釋放率之后，采取支護(hù)前后的位移及力學(xué)特征，研究了最接近真實(shí)地應(yīng)力釋放率之后的支護(hù)效果。

1 工程概況

該工程區(qū)的大地構(gòu)造單元為長(zhǎng)江三角洲褶皺帶中的景潭斑塊褶皺束，由前震旦系變質(zhì)巖組成。隧道的邊坡坡度陡，地形陡峭。隧道位于地形的陡峭交交匯處。邊坡圍巖發(fā)育一組外部斜坡接頭，在外部接縫面應(yīng)力進(jìn)行了重新分布并伴隨著剪切位移及卸荷裂縫。邊坡圍巖地貌照片見圖1。邊坡圍巖有一組外傾節(jié)理發(fā)育，沿節(jié)理面發(fā)生了應(yīng)力剪切錯(cuò)動(dòng)，并伴著應(yīng)力重分布及卸荷裂隙。邊坡主要軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育照片見圖2。隧道設(shè)計(jì)的本段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，支護(hù)類型為錨網(wǎng)噴護(hù)加鋼拱架，斷面結(jié)構(gòu)類型為半明半暗，開挖方式為全斷面，見圖3。

圖1 巖質(zhì)邊坡地貌圖

圖2 邊坡開挖斷面圖

圖3隧道開挖施工圖

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 邊坡圍巖成洞的有限元模擬

隧道成洞開挖時(shí)，巖體的原有平衡被打破，在地應(yīng)力的作用下，圍巖質(zhì)點(diǎn)將向一定方向移動(dòng)，即沿最短距離向消除阻力的自由表面，這就造成了圍巖內(nèi)應(yīng)力重分布，形成“二次應(yīng)力場(chǎng)”[15]?？梢圆捎玫貞?yīng)力自動(dòng)釋放法和反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法對(duì)這種應(yīng)力重分布進(jìn)行模擬[16]。地應(yīng)力自動(dòng)釋理論認(rèn)為：隧道開挖會(huì)導(dǎo)致開挖圍巖的應(yīng)力分布不平衡，為獲得新的應(yīng)力平衡，在應(yīng)力場(chǎng)的作用下，巖體會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，應(yīng)力平衡后的應(yīng)力場(chǎng)與開挖前相比后產(chǎn)生較大的變化。從工程實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)來看，這種理論比較符合實(shí)際情況，應(yīng)力的發(fā)展過程更合理，此外，在模型受力分析時(shí)，這種方法不用輸入釋放載荷，其實(shí)現(xiàn)過程更為方便[17]。

為了真實(shí)的模擬實(shí)際工況，如果把巖體的變形當(dāng)作線彈性或彈塑性問題，并建模型進(jìn)行隧道受力分析時(shí)，通常采用應(yīng)力逐步釋放來模擬隧道成洞及支護(hù)的效應(yīng)。隧道施工過程的模擬采用“虛擬支撐力逐步釋放法”可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)行，分析過程變得更容易實(shí)現(xiàn)，而這種處理與實(shí)現(xiàn)工況也更加符合。本文以ANSYS為工具，采用上述方法，對(duì)隧道開控施工過程進(jìn)行了模擬。在“地應(yīng)力自動(dòng)釋放法”的基礎(chǔ)上“虛擬支撐力逐步釋放法”，從而分為4個(gè)階段模擬了圍巖的卸荷過程，見圖4。(a)階段是初始地應(yīng)力狀態(tài)，(b)階段，邊坡開挖引起邊界上的節(jié)點(diǎn)的釋放荷載f1i=a1fi。在邊坡圍巖中去除隧道單元時(shí)，在邊界圍巖相應(yīng)節(jié)上點(diǎn)施加虛擬支撐力p1i=(1-a1)(-fi)，從而生成荷載邊界條件，并進(jìn)行下一步計(jì)算，并得到開挖過程中圍巖的位移和應(yīng)力場(chǎng)；(c)階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)施受力后，釋放了部分節(jié)點(diǎn)荷載f2i=a2fi，此時(shí)需將支撐力減小至p2i=(1-a1-a2)(-fi)，并進(jìn)行下一步計(jì)算，就可以得到支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的狀態(tài)；(d)階段，二襯結(jié)構(gòu)承受力后，結(jié)點(diǎn)力得到釋放，此時(shí)去掉支撐力，并進(jìn)行計(jì)算。其中，a1、a2、a3為各階段的地應(yīng)力釋放率。

2.2 隧道模型建立及參數(shù)選取

為了進(jìn)一步貼合實(shí)際工況，模型做了如下假定：巖體為各向同性體，所產(chǎn)生的變形為小變形，其變形值在彈性范圍內(nèi)，假設(shè)為平面應(yīng)變問題，所施加的支護(hù)結(jié)構(gòu)有拱架，噴射混凝土和管棚。

在模型建立過程中，各構(gòu)件的參數(shù)均源自實(shí)際工程數(shù)據(jù)。坐標(biāo)系均按常規(guī)取，右為X正，下為Y正。考慮到邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的敏感性，取了比隧道區(qū)域更大的尺寸。在計(jì)算過程中，邊坡圍巖和隧道洞室被視為一個(gè)整體，模型邊界遠(yuǎn)大于因隧道開挖而引起變形的范圍：在隧道的橫截面中，X向取120 m；Y向取30 m。模型中巖體不同風(fēng)化程度的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算; 邊坡外三個(gè)控制性結(jié)構(gòu)面從地表到隧道內(nèi)部依次分布。管道棚采用單元LINK1，其余材料采用固體PLAN2單元[18-19]。施工順序?yàn)椋哼吰绿烊粻睢鷰r開挖、邊坡及隧道初期支護(hù)，圍巖的各種參數(shù)取值見表1。巖質(zhì)邊坡計(jì)算模型見圖5。

圖4 虛支撐力逐步釋放模擬巖體成洞示意圖

圖5 巖質(zhì)邊坡的二維計(jì)算模型

3 圍巖變形及力學(xué)特征分析

通過分析地應(yīng)力釋放率對(duì)開挖巖質(zhì)邊坡位移分布的影響，認(rèn)為大部分的地應(yīng)力釋放率最接近真實(shí)應(yīng)力釋放率。 該分析過程不再贅述。

3.1 隧道開挖后不支護(hù)時(shí)圍巖變形分析

圖6和圖7顯示了隧道開挖不進(jìn)行支護(hù)時(shí)，隧道圍巖的變形其力學(xué)特征的計(jì)算結(jié)果。水平位移圖6(a)顯示，圍巖開挖后負(fù)方向位移最大負(fù)值為3 mm，且主要發(fā)生在仰拱區(qū)域，而正方向位移最大正值為18 mm，主要出現(xiàn)在第二條控制性結(jié)構(gòu)面以外的區(qū)域；從圖6(b)看出，在開挖X負(fù)向的位移沿第二條控制性結(jié)構(gòu)面外側(cè)發(fā)展，位移則出現(xiàn)在其內(nèi)側(cè)，拱頂外位移量最大；X正向位移出現(xiàn)在仰拱外。由圖6(c)可知，總位移量最大也是出現(xiàn)在第二條結(jié)構(gòu)面外側(cè)和仰拱處。從圖6(d)可以看出，隧道開挖后的位移矢量方向是指向隧道體，尤其是第2條結(jié)構(gòu)面以外巖體的位移矢量方向更加明顯，矢量最大值出現(xiàn)在第1條結(jié)構(gòu)面以外巖體的拱頂位置。

圖6開挖不支護(hù)邊坡位移云圖(單位:m)

由此可知，第二條控制性結(jié)構(gòu)面以上坡體的位移較大，以下區(qū)域基本沒有位移產(chǎn)生，第二條控制性結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡開挖后的變形起到了控制作用；第一條結(jié)構(gòu)面以上坡體的位移最大，這說明第一條結(jié)構(gòu)面以外巖體的變形最大。此外，在外界誘發(fā)因素條件下，第1條結(jié)構(gòu)面以外巖體將首先沿該結(jié)構(gòu)面發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，此外，當(dāng)外界因素繼續(xù)增加，第2條結(jié)構(gòu)面以外巖體為潛在滑體，第2條結(jié)構(gòu)面為潛在滑帶，位于此結(jié)構(gòu)面外側(cè)巖體最容易沿此結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)破壞。

結(jié)合圖7(a)，開挖后圍巖自重應(yīng)力在X方向上形成水平向應(yīng)力，應(yīng)力集中出現(xiàn)在仰拱處。由圖7(b)可知，巖土的重力場(chǎng)是隧道圍巖的豎向應(yīng)力的主要形成原因。坡面主要分布拉應(yīng)力，土壓應(yīng)力沿深度變大。由圖7(c)的剪切應(yīng)力云圖可知，剪切應(yīng)力主要出現(xiàn)第二控制結(jié)構(gòu)面附近和拱的位置處具有剪切應(yīng)力集中區(qū)。由圖7中的剪切應(yīng)變?cè)频姆植伎芍刂平Y(jié)構(gòu)表面附近發(fā)育了主要的剪應(yīng)變。其中，第一控制結(jié)構(gòu)面中的剪應(yīng)變最大，其值可達(dá)0.4。由此可知，第二條結(jié)構(gòu)面以上坡體的應(yīng)力較大，以下區(qū)域的應(yīng)力較小，三條結(jié)構(gòu)面的應(yīng)變比坡體應(yīng)變大很多，尤其是第一條結(jié)構(gòu)面一般最大，這表明第二控制結(jié)構(gòu)在斜坡開挖后的應(yīng)力狀態(tài)中起控制作用。因此，應(yīng)注意隧道的設(shè)計(jì)和施工。

圖7無支護(hù)條件下邊坡應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(應(yīng)力單位：Pa)

3.2 支護(hù)狀態(tài)下圍巖變形及力學(xué)特征分析

圖8和圖9是有支護(hù)的圍巖變形特性及力學(xué)分析結(jié)果。對(duì)比圖6和圖8可知，隧道開挖后大部分應(yīng)力進(jìn)行了釋放，開挖邊坡的位移在支護(hù)前后基本相同，水平位移支撐最大增加約0.1 mm，Y向位移最大約0.2 mm。這是大部分地面應(yīng)力被釋放，因?yàn)樗淼赖某跏贾斡射摴皣娚溴^支撐。后期的位移得到了控制，在支護(hù)之后，上部圍巖的位移基本上沒有變化。支護(hù)后，圍巖的位移及應(yīng)力應(yīng)變分布基本與支護(hù)前相同，在支護(hù)后第二條控制性結(jié)構(gòu)面以上坡體的位移較大，以下區(qū)域基本沒有位移產(chǎn)生，第二條控制性結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡開挖后的變形起到了控制作用；第一條結(jié)構(gòu)面以上坡體位移最大，這說明第一條結(jié)構(gòu)面以外巖體變形最大。

對(duì)比圖7和圖9可知，圍巖在支護(hù)前后的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力基本沒有發(fā)生變化。但是，由對(duì)比圖7(c)、圖7(d)與圖9(c)、圖9(d)可知，在初支平衡了少量的應(yīng)力后，整個(gè)地應(yīng)力都進(jìn)行了再次調(diào)整，其最大值分別為300 kPa(應(yīng)力)和0.4(應(yīng)變)。值得注意的是，支護(hù)后第2及第3控制性結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)變分布發(fā)生較大變化，兩條結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)變基本上與邊坡巖體相同，只有第一條結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)變未發(fā)生變化。 此外，從斜坡塑性區(qū)的塑料圖(見圖10)可以看出，塑性區(qū)主要集中在初始支撐后的第一和第二控制結(jié)構(gòu)平面上。 所以根據(jù)計(jì)算確定的滑面主要是由控制性結(jié)構(gòu)面的變形開始，并發(fā)展至隧道的開挖體。這與邊坡的變形監(jiān)測(cè)分析的結(jié)果是一致的。

圖8 支護(hù)條件下邊坡位移云圖(單位:m)

圖9支護(hù)條件下邊坡應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(應(yīng)力單位：Pa)

圖10邊坡塑性區(qū)云圖

4 結(jié) 論

(1) 開挖后的層狀巖質(zhì)邊坡，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)重新分布，應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱頂附近，為壓應(yīng)力，其值隨深度的增大而增大。拉應(yīng)力集中發(fā)生在坡面附近。剪切應(yīng)力主要發(fā)生在第二控制軟弱結(jié)構(gòu)表面附近。第一控制結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)變最大，且主要的剪切應(yīng)變沿著控制結(jié)構(gòu)面分布。

(2) 當(dāng)接近真實(shí)地應(yīng)力釋放率后再進(jìn)行支護(hù)，對(duì)比支護(hù)前后的變形及力學(xué)特征可知，支撐前后的位移，應(yīng)力和應(yīng)變分布基本相同，但剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變有一定程度的降低。這表明在地面應(yīng)力釋放速率達(dá)到一定水平后，特別是當(dāng)它接近真實(shí)的應(yīng)力釋放速率時(shí)，支撐效果更好。

(3) 圍巖開挖后變形發(fā)展的形式受主要軟弱結(jié)構(gòu)面的控制。第二弱結(jié)構(gòu)面上方斜坡的位移和應(yīng)力較大，第二控制結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡開挖后的變形起控制作用。由于第一結(jié)構(gòu)面的存在，在此結(jié)構(gòu)面處位移和剪切應(yīng)變都為最大。在外界因素誘發(fā)下，第一條結(jié)構(gòu)面以外巖體將首先沿該結(jié)構(gòu)面發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，第二條結(jié)構(gòu)面以外巖體為潛在滑體，第二條結(jié)構(gòu)面為潛在滑帶。

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