巖體節(jié)理對隧道開挖穩(wěn)定性的影響分析

張文勝

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

天然巖體是經(jīng)過多次而反復(fù)的地質(zhì)作用的地質(zhì)體，而節(jié)理作為巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面，使巖體的完整性及均勻性受到不同程度的破壞，直接影響著地下工程的設(shè)計、施工及工程的穩(wěn)定性評價[1]。以往的隧道穩(wěn)定性研究常常是將圍巖看成連續(xù)體來進(jìn)行數(shù)值模擬計算，沒有考慮節(jié)理的削弱作用，這是不甚合理的。我國修建的隧道穿越的地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜，如何對節(jié)理巖體中的隧道穩(wěn)定性進(jìn)行評定也是今后隧道工程中的重點與難點[2]。

1 工程概況

貴陽市南埡路三號隧道為分離式雙向八車道隧道，全長1 171.1 m，隧道開挖寬度21.8 m，高度為14.3 m，其左右兩隧道凈距為21.8 m。隧道穿越地段圍巖分級為Ⅳ級，巖體中節(jié)理裂隙較為發(fā)育，根據(jù)掌子面露出資料及地質(zhì)勘探顯示，圍巖中主要發(fā)育一組節(jié)理，傾向70～90 °，傾角78～120 °，節(jié)理間距0.5～1 m。隧道掌子面圖如圖1所示。

圖1 隧道掌子面

2 利用強(qiáng)度折減法分析隧道穩(wěn)定性

為研究巖體中節(jié)理對隧道穩(wěn)定性的削弱作用，本文引入強(qiáng)度折減法，分別計算出連續(xù)完整巖體及考慮節(jié)理因素的破碎巖體的安全系數(shù)，通過對比來研究節(jié)理的影響。

強(qiáng)度折減法是基于極限分析法而提出的理論，極限分析法假設(shè)理想塑性體或剛塑性體處于極限狀態(tài)，即巖土體的潛在滑動面上的滑動力與抗滑力相等或剪應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度相等。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析時，通常是將c、φ值反復(fù)除以相同的折減系數(shù)，之后進(jìn)行平衡計算，直到隧道失穩(wěn)。根據(jù)鄭穎人[3]的研究，在折減過程中，隧道洞周的位移會隨折減系數(shù)的增大而不斷發(fā)展，當(dāng)隧道洞周的位移發(fā)生突變時，我們就認(rèn)為隧道失穩(wěn)，將此時對應(yīng)的折減系數(shù)視為隧道的安全系數(shù)，作為定量評定隧道穩(wěn)定性的指標(biāo)。如圖2所示，此計算中的隧道安全系數(shù)即為10.5。

圖2 折減系數(shù)—特征點位移曲線

3 模型建立

本文為討論是否考慮巖體節(jié)理的兩種情況，需要分別利用FLAC3D軟件建立完整巖體的連續(xù)體模型，利用3DEC軟件建立節(jié)理巖體的離散體模型。隧道的幾何尺寸及節(jié)理特征按照第2節(jié)中的設(shè)計要求取值，為得到全段隧道在不同埋深下的圍巖穩(wěn)定性曲線，模型中的埋深需由淺至深取多個值。為減小邊界條件的影響，左右邊界和模型底部取約5倍隧道洞徑進(jìn)行計算。計算模型見圖3。

巖體及節(jié)理的計算參數(shù)根據(jù)地勘資料確定，具體數(shù)值見表1。

4 計算結(jié)果分析

經(jīng)過強(qiáng)度折減法計算，分別得到完整巖體及節(jié)理巖體在不同埋深下的安全系數(shù)，將結(jié)果匯總?cè)鐖D4所示。

從圖4安全系數(shù)隨埋深變化曲線圖可看出，兩條曲線的變化趨勢基本相同：隨著埋深的不斷增加，圍巖安全系數(shù)先增大后減小。隧道處于超淺埋時，其安全系數(shù)較小，在不加支護(hù)的情況下難以自穩(wěn)，這是因為埋深太淺，開挖后不能形成塌落拱，圍巖沒有自承能力；隨著埋深的不斷增加，其安全系數(shù)迅速增大，這是因為在隧道達(dá)到一定埋深后，塌落拱形成，圍巖的自承能力可以使毛洞自穩(wěn)；在出現(xiàn)安全系數(shù)極大值之后隨著隧道埋深的增大，地應(yīng)力也隨之增大，安全系數(shù)逐漸減??；甚至在埋深達(dá)到某一極限狀態(tài)時，由于地應(yīng)力較大，毛洞開挖后所受應(yīng)力超出圍巖自承能力，在無支護(hù)下開挖隧道不能自穩(wěn)。完整巖體的安全系數(shù)要明顯大于相同埋深下的節(jié)理巖體情況，這說明節(jié)理對隧道圍巖的削弱作用是不可忽略的。在實際工程中，利用有限元軟件算出圍巖穩(wěn)定性往往較大，毛洞開挖后容易自穩(wěn)，因此選擇的支護(hù)方案也會較薄弱，若實際巖體中存在著大量的節(jié)理，則會引起拱頂?shù)魤K、滑移、局部失穩(wěn)等災(zāi)害。但是在實際巖體中，節(jié)理多是不貫通的，因此本節(jié)離散元軟件計算的結(jié)果是偏保守的，實際的隧道穩(wěn)定性應(yīng)在二者之間。

(a)完整巖體計算模型

(b)節(jié)理巖體計算模型圖3 計算模型示意

項目重度/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°巖塊參數(shù)23.04.00.360032法向剛度/(GPa·m-1)切向剛度/(GPa·m-1)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°抗拉強(qiáng)度/kPa節(jié)理參數(shù)553501810

圖4 不同埋深下的隧道安全系數(shù)

5 結(jié)論

本文結(jié)合南埡路三號隧道的實際情況，利用強(qiáng)度折減法定量化分析了節(jié)理對圍巖穩(wěn)定性的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)圍巖穩(wěn)定性隨著埋深的增大而先快速增加到極值點后慢慢減小。超淺埋及超深埋的毛洞自穩(wěn)能力均較差，這與隧道圍巖能否形成具有自承能力的塌落拱密切相關(guān)，修建隧道時，應(yīng)當(dāng)將隧道埋深控制在合理埋深區(qū)間內(nèi)。

(2)節(jié)理對圍巖穩(wěn)定性的削弱作用明顯，將巖體看做連續(xù)體時，即使隧道開挖后能夠自穩(wěn)，在考慮節(jié)理之后，也有可能發(fā)生失穩(wěn)。在節(jié)理巖體中開挖隧道時，隧道支護(hù)應(yīng)在開挖后立即施做，且支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)按保守設(shè)計。