層狀地質(zhì)公路隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

羅海燕 石俊 劉燈凱

摘要：層理作為一種層狀構(gòu)造，其存在影響隧道圍巖穩(wěn)定性。為研究層理與隧道縱斷面成不同交角時(shí)，其對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，文章基于有限元模擬軟件MIDAS GTS，對(duì)5種角度層理巖體隧道進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：隨著層理角度的增加，圍巖穩(wěn)定性逐漸變好，于45°時(shí)，圍巖穩(wěn)定性最好，隨后圍巖穩(wěn)定性逐漸變差。

Abstract： As a layered structure， bedding affects the stability of tunnel surrounding rock. In order to study the influence of the bedding on the stability of the tunnel surrounding rock when the bedding and the longitudinal section of the tunnel form different angles， the article simulates five angle bedding rock tunnels based on the finite element simulation software MIDAS GTS. The results show that： with the increase of the bedding angle， the stability of the surrounding rock gradually becomes better， when the angle is 45°， the stability of the surrounding rock is the best， and then the stability of the surrounding rock gradually deteriorates.

關(guān)鍵詞：公路隧道;層狀地質(zhì);圍巖穩(wěn)定性;層理角度;數(shù)值模擬

Key words： highway tunnel;layered geology;surrounding rock stability;bedding angle;numerical simulation

中圖分類號(hào)：U451? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）23-0096-02

0? 引言

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素繁多，大致可概括為3類：地質(zhì)因素、工程因素以及施工因素。地質(zhì)因素包括巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、巖塊堅(jiān)硬程度、巖體的完整性程度、結(jié)構(gòu)面的抗剪特性、地下水用、風(fēng)化作用等;工程因素包括隧道埋深、斷面形狀、大小、高跨比等;施工因素包括施工方法和手段、支護(hù)時(shí)間及方式等，其中地質(zhì)因素是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的最主要因素。層理作為巖石沿垂直方向變化所產(chǎn)生的層狀構(gòu)造，其存在影響隧道圍巖穩(wěn)定性，因此，大量學(xué)者對(duì)含層理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為研究二次襯砌內(nèi)力受蠕變效應(yīng)影響的效果，張文居、楊清浩[1]以鷓鴣山隧道為依托，利用離散元軟件3DEC，建立了當(dāng)層理面傾角β分別為0°、30°、60°和90°時(shí)隧道的數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算;在軟巖隧道中，巖石具有一定的蠕變特征，為了確保隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定性，汪俊波、孟陸波等[2]對(duì)不同層理構(gòu)造砂巖開(kāi)展了三軸蠕變?cè)囼?yàn)，分析了層理構(gòu)造對(duì)砂巖力學(xué)特性的影響;為了研究層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，吳渤[3]以武漢花山大道隧道工程為背景，通過(guò)采用室內(nèi)模型試驗(yàn)、理論建模、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)與反演分析等方法，全面系統(tǒng)地研究了層狀巖體破損機(jī)理、圍巖穩(wěn)定性、錨固機(jī)理，并與花山大道隧道工程實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比分析;徐國(guó)文[4]采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等方法，對(duì)層狀千枚巖宏細(xì)觀各向異性力學(xué)特征進(jìn)行了深入研究。

通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，研究層理對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究點(diǎn)很全面，但就研究層理角度對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的文章來(lái)說(shuō)，大多數(shù)考慮的是層理與隧道橫斷面之間的角度關(guān)系，鮮有考慮層理與隧道縱斷面之間角度關(guān)系的文章。因此，本文基于MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件，研究當(dāng)層理與隧道縱斷面成不同交角時(shí)，其對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1? 工程背景

云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)的某區(qū)段項(xiàng)目土建工程存在4座隧道，共長(zhǎng)9265m，占線路總長(zhǎng)的82.59%，隧道穿越地層含V級(jí)、Ⅳ級(jí)以及Ⅲ級(jí)圍巖。Ⅴ級(jí)圍巖以強(qiáng)風(fēng)化白云巖為主，呈碎裂狀松散結(jié)構(gòu)為主，巖溶發(fā)育，巖土體富水性較強(qiáng);Ⅳ級(jí)圍巖以強(qiáng)風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化白云巖、泥灰?guī)r為主，多為碎裂結(jié)構(gòu)、中厚狀結(jié)構(gòu)，局部賦存巖溶空腔，巖體富水性強(qiáng);Ⅲ級(jí)圍巖以強(qiáng)風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化白云巖、鈣質(zhì)泥巖為主。地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍巖地質(zhì)條件差。對(duì)隧道穿越V級(jí)圍巖段，擬采用預(yù)留核心土三臺(tái)階分部開(kāi)挖法（土質(zhì)段）或三臺(tái)階分部開(kāi)挖法（石質(zhì)段）開(kāi)挖;對(duì)隧道Ⅳ級(jí)圍巖及Ⅲ級(jí)圍巖段，擬采用上下斷面臺(tái)階法開(kāi)挖;對(duì)隧道Ⅳ級(jí)圍巖緊急停車帶段，擬采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，對(duì)于隧道穿越煤層段，擬采用全斷面法開(kāi)挖。

在此選取其中一條隧道為研究對(duì)象，采用二臺(tái)階法開(kāi)挖，該隧道為一座單幅短隧道，隧道全長(zhǎng)215m，其中穿越Ⅳ級(jí)圍巖段隧道長(zhǎng)120m，穿越Ⅴ級(jí)圍巖段隧道長(zhǎng)80m，明洞長(zhǎng)15m，隧道最大埋深約為59.94m。隧道橫斷面圖見(jiàn)圖1，隧道開(kāi)挖后及時(shí)采用Φ22砂漿錨桿、C25噴射混凝土以及I16型鋼拱架進(jìn)行初期支護(hù)，其中錨桿長(zhǎng)2.5m，采用梅花形布置，其中環(huán)向×縱向=1.0m×0.8m;噴射混凝土厚23cm;型鋼拱架梅榀間隔80cm。

2? 隧道模型的建立

建立隧道縱斷面與層理角度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°時(shí)隧道三維數(shù)值模型，考慮隧道橫斷面尺寸及該隧道所處地質(zhì)條件，在建立數(shù)值模型時(shí)，模型邊界至隧道的橫向距離取為隧道的3倍跨徑，模型底部至隧道的距離取為3倍洞徑，隧道埋深取實(shí)際隧道最大埋深，即59.94m，層理面至隧道最近距離為1m，層理間間隔2m，共5條層理，模型長(zhǎng)×高=83.9m×105m，部分模型具體尺寸見(jiàn)圖2。

進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，隧道及巖體采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬，采用三角形網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格;錨桿采用1D植入式桁架單元進(jìn)行模擬;初支時(shí)選用的型鋼拱架以及噴射混凝土按照所占面積大小采用等效的殼單元進(jìn)行模擬，部分網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖3，模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3? 結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖前，地下巖體處于初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道開(kāi)挖后，初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，隧道圍巖具有向隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因此，可用從隧道開(kāi)挖至支護(hù)后的隧道拱頂位移來(lái)描述隧道圍巖穩(wěn)定性。圖4表示隧道縱斷面與層理分別呈15°、30°、45°、60°、75°時(shí)隧道從開(kāi)挖至支護(hù)完成后拱頂連線上最大位移。從圖3可以看出，隨著層理角度的增加，隧道拱頂位移先減小后增大，并當(dāng)層理角度為45°時(shí)，隧道拱頂位移最小，說(shuō)明該層理狀態(tài)下隧道開(kāi)挖圍巖最為穩(wěn)定。

圖5為隧道縱斷面與層理呈不同角度時(shí)拱腰處錨桿受力圖，隧道圍巖位移越大，錨桿受力越大，故通過(guò)錨桿受力大小亦可反映隧道圍巖穩(wěn)定情況。從圖6可知，隨著層理逐漸增大，錨桿受力先減小后增大，且在45°層理下錨桿受力最小，故可知，當(dāng)隧道縱斷面與層理呈45°時(shí)，隧道圍巖穩(wěn)定性較好。

4? 結(jié)論

基于數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS，對(duì)層理與隧道縱斷面成不同角度時(shí)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出主要結(jié)論如下：①隨著層理角度的增加，隧道拱頂位移先減小后增大，并當(dāng)層理角度為45°時(shí)，隧道拱頂位移最小;②隨著層理逐漸增大，錨桿受力先減小后增大，且在45°層理下錨桿受力最小;③當(dāng)層理角度小于45°時(shí)，隨著層理角度的增大，隧道圍巖穩(wěn)定情況越好，當(dāng)層理角度大于45°時(shí)，隨著層理角度的增大，隧道圍巖越不穩(wěn)定，當(dāng)隧道縱斷面與層理成45°時(shí)隧道圍巖最為穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文居，楊清浩.層理面傾角對(duì)圍巖蠕變及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響研究[J].施工技術(shù)，2019，48（11）：73-78.

[2]汪俊波，孟陸波，劉天毅，等.砂巖層理構(gòu)造對(duì)力學(xué)特性影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2020，64（04）：130-135.

[3]吳渤.層狀巖體隧道圍巖擾動(dòng)區(qū)演化與錨固機(jī)理研究[D].徐州：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2016.

[4]徐國(guó)文.層狀千枚巖地層隧道穩(wěn)定性分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.