不同傾角層狀圍巖隧道開挖松動圈的范圍與分布

王 睿，趙志清，鄧祥輝，姚 軍

（1.西安工業(yè)大學建筑工程學院，陜西西安 710021；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西西安 710065）

層狀巖體因?qū)娱g黏結(jié)力差，不僅其變形和強度具有明顯的各向異性，而且其破壞機理及方式也明顯不同于其他巖體［1］。在隧道開挖過程中，巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力重分布使洞室周邊局部區(qū)域圍巖應(yīng)力超過巖體強度，圍巖進入塑性破壞狀態(tài)，形成松動圈。

由于數(shù)值計算可以較真實地模擬巖體材料的構(gòu)造特征以及施工過程，現(xiàn)已成為眾多學者分析隧道圍巖松動圈范圍及分布規(guī)律的重要手段。徐坤等［2］依托蘭新鐵路大梁隧道工程，采用有限差分軟件FLAC 3D計算了Ⅴ級圍巖大變形段的受力情況，確定了圍巖松動圈范圍；肖明等［3］通過建立地下洞室三維有限元模型計算了洞周圍巖損傷系數(shù)，并與圍巖損傷系數(shù)閾值進行比較，確定了在開挖爆破作用下圍巖松動圈范圍；張俊明等［4］以莫爾-庫侖本構(gòu)模型為計算準則，采用有限差分軟件FLAC 3D 計算了隧道圍巖最大松動圈厚度，并結(jié)合松動圈系數(shù)，全面分析了隧道圍巖松動圈的分布情況；孫?？龋?］采用MIDAS/GTS FLAC 3D耦合模擬技術(shù)，對巷道圍巖松動圈的形成過程進行了模擬，得出可將巷道圍巖最大主應(yīng)力小于原巖應(yīng)力范圍判定為巷道圍巖松動圈范圍；張書強等［6］以巖石應(yīng)變值超過巖石的最大拉應(yīng)變值作為隧道圍巖松動圈的判別準則，應(yīng)用有限差分軟件FLAC 3D 對隧道圍巖松動圈的發(fā)展進行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試值對比，從而確定了圍巖松動圈范圍。

截至目前，用數(shù)值計算方法分析隧道圍巖松動圈范圍，國內(nèi)大多數(shù)學者采用的是有限元法，且無統(tǒng)一判別標準，而運用離散元法的文獻很少。

離散元法是由美國學者康德爾在1971年首次提出。該方法將節(jié)理巖體看成是由不連續(xù)的塊體和塊體之間的接觸面組成的，在計算中假設(shè)單元體是離散的，由于新的接觸面能夠被自動識別，故求解速度快，精度高。在層狀巖體的受力過程中，不連續(xù)的巖層可以發(fā)生變形、平移和轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)面可以發(fā)生壓縮、分離和滑動，因此層狀圍巖可以看作是不連續(xù)的離散介質(zhì)。故本文采用離散元軟件UDEC 進行數(shù)值模擬，分析不同傾角層狀圍巖隧道開挖后無支護措施時圍巖的自穩(wěn)狀態(tài)、松動圈范圍及其分布規(guī)律。

1 工程概況

延安安塞經(jīng)志丹至吳起（簡稱延志吳）高速公路大梁峁隧道為直墻分離式雙車道特長隧道，開挖跨度12.0 m。左線全長4 278 m，里程樁號為ZK79+030—ZK83+308；右線全長4 310 m，里程樁號為YK79+045—YK83+355。隧道洞身段為白堊系下統(tǒng)環(huán)河華池組中風化砂巖，呈褐紅色，中～厚層狀結(jié)構(gòu)，層理發(fā)育，鈣質(zhì)膠結(jié)，多與泥巖呈互層狀產(chǎn)出，巖層較完整。由于長期的地質(zhì)作用，在隧道各區(qū)段巖層傾角各不相同且差異較大。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘測，隧道洞身段大多屬于Ⅲ級圍巖，擬采用全斷面法開挖。

2 離散元數(shù)值分析

2.1 模型建立

2.1.1 工況及尺寸

巖層傾角分別取0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°，共建立7個模型。模型中隧道斷面是依據(jù)工程隧道實際斷面經(jīng)過簡化而成，為直墻半圓拱形，計算開挖跨度取12.0 m，高度取9.0 m，巖層厚度取30 cm。

根據(jù)彈性力學中的圣維南原理，隧道開挖后應(yīng)力重分布只發(fā)生在靠近洞室的一側(cè)，當超過3 倍洞徑則認為開挖對圍巖影響較小，可忽略不計。因此，建模時模型水平方向取84 m，以模型洞室下邊界為基準，豎直向下取36 m。為了簡化計算，以模型洞室拱頂為基準，豎直向上取72 m，其余地層換算成等效荷載施加在模型上部。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

考慮到數(shù)值計算的精確性，網(wǎng)格形狀定為等邊三角形。巖層傾角為0°時在隧道洞室區(qū)域網(wǎng)格邊長取0.3 m，向上和向下延伸的求解區(qū)域網(wǎng)格邊長依次取1.0，2.0 m；巖層傾角為15°，30°，45°，60°，75°時網(wǎng)格邊長均取0.3 m；巖層傾角為90°時隧道洞室區(qū)域網(wǎng)格邊長取0.3 m，向左和向右延伸的求解區(qū)域網(wǎng)格邊長依次取1.0，2.0 m。

2.1.3 邊界約束條件

采用位移法鉸接約束邊界。水平方向左右兩邊界施加法向約束使該方向速度為0，前后方向兩邊界也施加法向約束使該方向位移為0；模型底部邊界施加法向約束，上部邊界為自由面，同時在模型上邊界施加厚54 m巖土層的等效荷載1.242 MPa。

2.2 參數(shù)的確定

根據(jù)隧道圍巖現(xiàn)場實測資料，并結(jié)合JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范》和《工程地質(zhì)手冊》（第4版），最終確定的泥巖、砂巖及接觸面參數(shù)見表1和表2。

表1 巖體參數(shù)

表2 泥巖與砂巖接觸面力學參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果與分析

對7 種模型經(jīng)過循環(huán)迭代運算，并采用Tecplot 進行后處理，得到最小主應(yīng)力云圖，見圖1。當最小主應(yīng)力大于巖體極限強度時圍巖進入屈服狀態(tài)。屈服區(qū)域即圍巖松動圈范圍。

圖1 不同傾角層狀圍巖隧道開挖后最小主應(yīng)力云圖

由圖1和對應(yīng)的網(wǎng)格尺寸（0.3，1.0，2.0 m）計算得出不同傾角時層狀圍巖隧道各部位的松動圈范圍，見表3?？芍孩賹訝顕鷰r隧道松動圈沿隧道橫斷面分布并不均勻，這是圍巖壓力分布不均、地層產(chǎn)狀復雜多變、巖體力學性質(zhì)各向異性綜合作用的結(jié)果。②巖層傾角為0°（水平）和90°（豎直）時，由于隧道兩側(cè)圍巖巖性相同，圍巖壓力相等，使得松動圈以隧道軸線為中線對稱分布，且呈現(xiàn)出由隧道拱頂向兩邊墻逐漸減小的趨勢。③巖層傾角為15°，30°，45°，60°和75°時，層狀圍巖隧道存在明顯的偏壓現(xiàn)象，且右側(cè)圍巖壓力均大于左側(cè)，使得右側(cè)松動圈范圍明顯大于左側(cè)。④隨著巖層傾角的增大，隧道拱頂和左拱腰的松動圈范圍呈先減小后增大的趨勢，而右拱腰和右邊墻松動圈范圍呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這種偏壓現(xiàn)象在巖層傾角為15°～60°時比較明顯。

表3 不同傾角時層狀圍巖隧道各部位松動圈范圍

3 結(jié)論

1）傾角為0°（水平）時，層狀圍巖隧道的松動圈范圍最大，且出現(xiàn)在隧道拱頂處。松動圈范圍在1.6～2.6 m，使得隧道在支護時需要的支護力也最大。

2）傾角為0°（水平）和90°（豎直）時，層狀圍巖隧道松動圈以隧道軸線為中線呈對稱分布，且呈現(xiàn)出由隧道拱頂向兩邊墻逐漸減小的變化趨勢。

3）傾角為15°，30°，45°，60°和75°時，層狀圍巖隧道松動圈分布不對稱，存在明顯的偏壓現(xiàn)象。