不同節(jié)理位置及傾角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響分析

賀暄

摘要：文章以黃土含節(jié)理地區(qū)隧道開挖為例，采用有限元軟件Midas建立模型，并考慮不同節(jié)理位置和節(jié)理傾角兩種工況，對(duì)隧道圍巖變形以及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：（1）考慮不同節(jié)理位置時(shí)，對(duì)于水平位移，節(jié)理的存在會(huì)略減小靠近節(jié)理一側(cè)拱腰的最大水平位移;對(duì)于豎向位移，節(jié)理的存在使得最大豎向位移向節(jié)理處靠近。節(jié)理在拱腰、拱肩和拱頂時(shí)，其最大豎向位移比無節(jié)理時(shí)分別大8.8%、10.3%和0.3%，節(jié)理在拱肩處應(yīng)力比拱腰和拱頂時(shí)圍巖應(yīng)力分別大3.2%和4.0%。（2）節(jié)理傾角為30°、45°、60°和90°時(shí)的最大豎向位移值比無節(jié)理時(shí)分別大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，隨著節(jié)理傾角的增大，最大豎向位移值逐漸減小;節(jié)理傾角為45°、60°和90°時(shí)的最大應(yīng)力比節(jié)理傾角為30°時(shí)分別小0.4%、1.1%和2.0%，隨著節(jié)理傾角的增大，最大圍巖應(yīng)力逐漸減小，但整體變化趨勢(shì)不大。

關(guān)鍵詞：隧道工程;黃土;節(jié)理;位移;傾角;應(yīng)力

0 引言

節(jié)理是影響巖土穩(wěn)定性的重要因素之一，不同節(jié)理位置和節(jié)理傾角對(duì)于隧道工程都有較大的影響，尤其在我國(guó)西南地區(qū)，遍布的黃土中又常常伴有節(jié)理出現(xiàn)，因此，研究黃土中節(jié)理的存在對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。近年來，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究：朱勁、張志強(qiáng)等人[1-2]以沙壩灣隧道靠近洞口偏壓段為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法研究了紅層地區(qū)不同節(jié)理傾角下隧道圍巖力學(xué)響應(yīng)、變形特性;趙作富、王貴君等人[3-4]通過分析隧道不同走向條件下巖層節(jié)理傾角對(duì)頂平衡拱內(nèi)層狀圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響，研究節(jié)理傾角對(duì)隧道拱頂圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示巖層傾斜、隧道走向與巖層走向相同時(shí)拱頂圍巖的穩(wěn)定性隨節(jié)理傾角增大而減小，隧道走向與巖層走向垂直時(shí)拱頂圍巖的穩(wěn)定性隨節(jié)理傾角增大而增大;馬天輝、賈超等人[5-6]在二軸圍壓條件下，數(shù)值模擬了節(jié)理巖體中隧洞圍巖損傷破壞過程，研究了節(jié)理巖體中隧洞圍巖體的破壞機(jī)理，分析了巖體中節(jié)理傾角對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律等。

本文主要以某處黃土含節(jié)理地區(qū)隧道開挖為例，通過采用有限元軟件Midas建立模型，并考慮不同節(jié)理位置和節(jié)理傾角兩種工況，對(duì)隧道圍巖變形以及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析，以期研究結(jié)果可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

我國(guó)西南地區(qū)廣泛分布著黃土，黃土是具有第四紀(jì)中風(fēng)力搬運(yùn)的黃色粉土沉積物，常伴有節(jié)理發(fā)育等特性。由于節(jié)理的存在，不僅會(huì)影響黃土本身的穩(wěn)定性，而且會(huì)造成軟土中形成不同方向的軟弱結(jié)構(gòu)面，若在存在節(jié)理的黃土中施工，很容易造成安全事故。某鐵路隧道穿越黃土地區(qū)山嶺，經(jīng)過地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)該建設(shè)地區(qū)節(jié)理較發(fā)育，巖土體比較破碎。隧道最大洞徑為10.6m，高度為9.5m，上覆土體埋深約為37.8～47.6m。為了保證隧道建設(shè)的安全性，本文采用數(shù)值模擬手段，分析了節(jié)理的存在對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

如圖1所示，為采用有限元軟件Midas建立的開挖前后數(shù)值模型圖，其中圖1（a）和圖1（b）分別為開挖前和開挖支護(hù)后的模型圖。為了減小模型尺寸帶來的影響，建模時(shí)模型上表面即為山嶺頂部，隧道中心埋深取48m，模型長(zhǎng)寬高分別為50m、10m和80m。網(wǎng)格共計(jì)15756個(gè)，均采用實(shí)體單元，均采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。由于本文主要研究節(jié)理的影響，故初支和二次支護(hù)一次進(jìn)行，襯砌厚度為0.35m。節(jié)理采用無厚度的接觸單元模擬，節(jié)理具體形態(tài)與位置在下節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述。表1給出了土體、節(jié)理以及襯砌的相關(guān)物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)。

2.2 不同計(jì)算工況建立

如圖2所示，本文僅考慮一條節(jié)理的情況，并分別探討不同節(jié)理位置以及不同節(jié)理傾角兩種工況的影響。如圖2（a）所示，考慮三種不同垂直節(jié)理位置的影響，分別為拱腰處（A處）、拱肩處（B處）和拱頂處（C處）;如圖2（b）所示，考慮4種不同節(jié)理傾角的影響，節(jié)理均通過左側(cè)拱腰處，節(jié)理傾角分別為30°（D1處）、45°（C1處）、60°（B1處）和90°（A1處）。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 不同節(jié)理位置的分析

位移是反映隧道穩(wěn)定性以及安全性的重要因素之一。如下頁圖3所示，分別給出了無節(jié)理和有節(jié)理在拱腰、拱肩和拱頂時(shí)的隧道開挖穩(wěn)定后水平位移以及豎向位移云圖。由圖3（a）可知，當(dāng)無節(jié)理時(shí)，隧道位移表現(xiàn)為沿隧道豎直中線兩側(cè)對(duì)稱分布，其中拱頂最大豎向位移為83.8mm;當(dāng)節(jié)理在拱腰處時(shí)，隧道兩側(cè)拱腰處水平位移最大，且位移方向?yàn)檫h(yuǎn)離隧道方向，同時(shí)隧道拱頂位移最大，且拱頂表現(xiàn)為沉降，拱底表現(xiàn)為隆起。觀察圖3（b）云圖可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水平位移云圖，節(jié)理的存在會(huì)略減小靠近節(jié)理一側(cè)拱腰的最大水平位移;對(duì)于豎向位移云圖，節(jié)理的存在使得最大豎向位移向節(jié)理處靠近。圖3（c）、圖3（d）分別為節(jié)理在拱肩和拱頂時(shí)的位移云圖，其位移變化規(guī)律與圖3（b）均一致，即節(jié)理的存在會(huì)略減小靠近節(jié)理一側(cè)拱腰的最大水平位移以及使得最大豎向位移向節(jié)理處靠近。

為了對(duì)無節(jié)理和有節(jié)理在不同位置處的變形值進(jìn)行對(duì)比分析，下頁圖4提取出無節(jié)理工況下以及有節(jié)理在拱腰、拱肩和拱頂時(shí)的最大豎向位移值。由圖4可知，無節(jié)理時(shí)產(chǎn)生的豎向位移最小，其次是節(jié)理在拱頂時(shí)，最大的為節(jié)理在拱肩處。節(jié)理在拱腰、拱肩和拱頂時(shí)，其最大豎向位移比無節(jié)理時(shí)分別大8.8%、10.3%和0.3%。

隧道開挖會(huì)導(dǎo)致圍巖卸荷并釋放壓力，圍巖應(yīng)力是反映圍巖穩(wěn)定性的另一重要因素。如下頁圖5所示，分別為節(jié)理在拱腰、拱肩和拱頂時(shí)的圍巖拱腰處最大應(yīng)力。由圖5可知，節(jié)理在拱肩處應(yīng)力比拱腰和拱頂時(shí)圍巖應(yīng)力分別大3.2%和4.0%。

3.2 不同節(jié)理傾角的分析

如圖6所示，分別給出了節(jié)理傾角分別為30°、45°、60°和90°時(shí)的隧道開挖穩(wěn)定后水平位移以及豎向位移云圖。由圖6（a）可知，當(dāng)節(jié)理傾角為30°時(shí)，節(jié)理以上部分水平位移方向均為負(fù)，這與無節(jié)理時(shí)水平位移云圖不同;而對(duì)于豎向位移云圖，當(dāng)節(jié)理傾角為30°時(shí)，導(dǎo)致位移在節(jié)理面發(fā)生突變，節(jié)理面處位移明顯增大。圖6（b）～圖6（d）分別為節(jié)理傾角為45°、60°和90°時(shí)的位移云圖，其位移變化規(guī)律與圖6（a）較一致，且隨著節(jié)理傾角的增大，最大豎向位移存在減小的趨勢(shì)。

為了對(duì)不同節(jié)理傾角的隧道變形值進(jìn)行對(duì)比分析，圖7提取出節(jié)理傾角分別為30°、45°、60°和90°時(shí)的最大豎向位移值。由上節(jié)可知，無節(jié)理時(shí)最大豎向位移為83.9mm，則節(jié)理傾角為30°、45°、60°和90°時(shí)的最大豎向位移值比無節(jié)理時(shí)分別大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，隨著節(jié)理傾角的增大，最大豎向位移值逐漸減小。

如圖8所示，為節(jié)理傾角分別為30°、45°、60°和90°時(shí)的最大應(yīng)力變化圖。由圖8可知，節(jié)理傾角為45°、60°和90°時(shí)的最大應(yīng)力比節(jié)理傾角為30°時(shí)分別小0.4%、1.1%和2.0%。隨著節(jié)理傾角的增大，最大圍巖應(yīng)力逐漸減小，但整體變化趨勢(shì)不大。

4 結(jié)語

本文以某黃土含節(jié)理地區(qū)隧道開挖為例，通過采用有限元軟件Midas建立模型，并考慮不同節(jié)理位置和節(jié)理傾角兩種工況，對(duì)隧道圍巖變形以及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

（1）考慮不同節(jié)理位置時(shí)，對(duì)于水平位移，節(jié)理的存在會(huì)略減小靠近節(jié)理一側(cè)拱腰的最大水平位移;對(duì)于豎向位移，節(jié)理的存在使得最大豎向位移向節(jié)理處靠近。無節(jié)理時(shí)位移最小，其次是節(jié)理在拱頂時(shí)，最大的為節(jié)理在拱肩處。節(jié)理在拱腰、拱肩和拱頂時(shí)，其最大豎向位移比無節(jié)理時(shí)分別大8.8%、10.3%和0.3%;節(jié)理在拱肩處應(yīng)力比拱腰和拱頂時(shí)圍巖應(yīng)力分別大3.2%和4.0%。

（2）考慮不同節(jié)理傾角，當(dāng)節(jié)理傾角為30°時(shí)，位移在節(jié)理面發(fā)生突變，節(jié)理面處位移明顯增大。節(jié)理傾角為30°、45°、60°和90°時(shí)的最大豎向位移值比無節(jié)理時(shí)分別大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，隨著節(jié)理傾角的增大，最大豎向位移值逐漸減小;節(jié)理傾角為45°、60°和90°時(shí)的最大應(yīng)力比節(jié)理傾角為30°時(shí)分別小0.4%、1.1%和2.0%，隨著節(jié)理傾角的增大，最大圍巖應(yīng)力逐漸減小，但整體變化趨勢(shì)不大。

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