深埋軟硬互層隧道圍巖開(kāi)挖穩(wěn)定性研究

王仁鵬

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施向著自然條件更惡略、地質(zhì)條件更復(fù)雜的西部地區(qū)拓展，致使其在穿越自然條件復(fù)雜的山區(qū)時(shí)，遇到了大量不同傾斜角度的層狀結(jié)構(gòu)體。特別是擬建某隧道，隧道線路走向大部分與地層分界線、地質(zhì)主構(gòu)造線大致平行，導(dǎo)致順層產(chǎn)生的深埋隧道圍巖變形問(wèn)題突出、集中，處理不慎可能給隧道的施工及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，分析不同巖層傾角地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性是地下結(jié)構(gòu)修建前的重要工作[1]。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)層狀巖體隧道開(kāi)挖展開(kāi)研究并取得了眾多成果。汪杰等[2-3]、劉攀等[4]、李小帥等[5]基于不同試驗(yàn)及數(shù)值模擬手段，對(duì)不同傾角節(jié)理巖體本構(gòu)損傷、破壞特性做了研究分析；董志明等[6]、賈蓬[7]基于不同的假定條件，結(jié)合不同的計(jì)算理論，研究了軟弱結(jié)構(gòu)面影響下隧道圍巖破壞特性；鄧祥輝等[8]、譚鑫等[9]通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)不同巖層傾角隧道的變形特征及穩(wěn)定性等進(jìn)行了研究。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同傾角節(jié)理巖體本構(gòu)損傷、軟弱結(jié)構(gòu)面影響下隧道圍巖破壞特性及不同巖層傾角隧道的變形特征及穩(wěn)定性作了研究分析，且以淺層為主，關(guān)于因巖體傾斜且?guī)r體之間節(jié)理、層理面等地質(zhì)構(gòu)造作用影響的深埋順層隧道研究卻鮮有報(bào)道。本文以擬建某隧道為例，就硬軟互層隧道圍巖開(kāi)挖穩(wěn)定性開(kāi)展有限元計(jì)算研究，重點(diǎn)對(duì)不同巖層傾角隧道開(kāi)挖圍巖的穩(wěn)定性和破壞模式進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。本項(xiàng)研究對(duì)促進(jìn)該隧道的順利建設(shè)有著顯著的理論意義和重大的工程價(jià)值。

2 工程概況

擬建某隧道全長(zhǎng)約1815m，最大埋深約400m。隧道淺埋段埋深為15～50m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料圖及隧道工點(diǎn)資料，該隧道深埋順層區(qū)間地層巖性以三疊系砂巖、泥巖及互層為主，泥巖紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落；砂巖多為長(zhǎng)石石英砂巖，淺灰、紫紅色，中-細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚-厚層狀，質(zhì)稍硬。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大量基巖露頭結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測(cè)量統(tǒng)計(jì)：隧道圍巖巖層產(chǎn)狀為 N30°～48°E/SE39°～50°，與線路夾角處于0°～30°之間；主要優(yōu)勢(shì)節(jié)理面兩組（取平均值）：（1）N52°W/NE75°，（2）N42°W/SW81°，面理平整，閉合，無(wú)填充物，發(fā)育間距與層理厚度相當(dāng)。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型建立

本模型寬度為120m、高度為100m。有限元模型取邊界條件為：（1）模型底部施加法向約束；（2）模型頂部施予上覆土壓力的約束；（3）模型的左、右兩側(cè)，施加實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力。計(jì)算模型采用的是三節(jié)點(diǎn)的三角形單元，對(duì)模型進(jìn)行有限元離散，并對(duì)有限元隧道模型斷面附近的巖體作加密網(wǎng)格處理。隧道模型開(kāi)挖時(shí)，按照全斷面開(kāi)挖考慮。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 模型參數(shù)

本文地層主要包含了三種材料：（1）硬質(zhì)巖；（2）軟質(zhì)巖；（3）結(jié)構(gòu)面。本模型隧道圍巖采用的是內(nèi)置實(shí)體單元進(jìn)行模擬，模型材料服從摩爾-庫(kù)倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系[10]；模型結(jié)構(gòu)面運(yùn)用軟件內(nèi)置的GOODMAN接觸單元進(jìn)行模擬。模型的巖層參數(shù)主要是參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》和有關(guān)單位提供的地勘報(bào)告里面的建議值，節(jié)理面參數(shù)參考的是室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試得到的推薦取值以及同類(lèi)計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)一選取，物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.3 模型工況

3.3.1 穩(wěn)定安全系數(shù)分析

采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算各隧道的穩(wěn)定安全系數(shù)，表2給出了傾角變化時(shí)隧道的穩(wěn)定安全系數(shù)。

由表2分析可知：

（1）隧道安全系數(shù)隨著巖層傾角增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)傾角為10°時(shí)，其穩(wěn)定安全系數(shù)為2.82，隨著傾角增大，穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增加，傾角為40°時(shí)達(dá)到峰值3.07，之后穩(wěn)定安全系數(shù)又逐漸減小，75°時(shí)降至2.57。

（2）巖層傾角存在界限值，硬-軟互層組合隧道為40°，小于或大于該值穩(wěn)定安全系數(shù)均減小，10°～75°區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)變化幅度最高達(dá)16%。

3.3.2 變形破壞模式

在前述穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文給出了強(qiáng)度折減至極限狀態(tài)時(shí)隧道的變形破壞模式，如圖2所示。

由圖2分析可得出：

（1）傾角的大小對(duì)隧道破壞模式影響很大。當(dāng)傾角較?。ā?0°）時(shí)，垂直于層面方向的位移量和破壞范圍大，隧道圍巖以彎曲折斷破壞模式為主，即巖層向洞內(nèi)彎曲折斷，層面法向開(kāi)裂；當(dāng)傾角較大（>60°）時(shí)，順層面方向變形范圍占優(yōu)勢(shì)，但最大位移量表現(xiàn)于垂直層面方向，表明隧道圍巖破壞模式在順層滑移破壞的基礎(chǔ)上，垂直層面方向折斷破壞最先啟動(dòng)的可能性較大，即巖層先彎曲折斷，后引發(fā)較大范圍的滑移；當(dāng)傾角在30°至60°之間時(shí)，變形范圍由垂直層面為主逐漸向順層面為主轉(zhuǎn)變，但順層面向位移量大，表明滑移破壞最先啟動(dòng)，后引發(fā)折斷和滑移的共同破壞。

（2）無(wú)論哪種傾角，彎曲折斷和順層滑移都是存在的，只不過(guò)程度不一樣，當(dāng)傾角為40°，兩種破壞模式的規(guī)?；鞠喈?dāng)，此時(shí)得到的圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)接近峰值。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 某隧道穩(wěn)定安全系數(shù)

圖2 強(qiáng)度折減至極限平衡時(shí)破壞模式圖

4 結(jié)論

本文以擬建某隧道為例，就硬軟互層層理和共軛節(jié)理共同作用下隧道圍巖開(kāi)挖穩(wěn)定性開(kāi)展數(shù)值模擬研究，主要對(duì)不同巖層傾角隧道開(kāi)挖圍巖的穩(wěn)定性和破壞模式進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。得到如下結(jié)論：

（1）巖層傾角存在界限值，硬-軟互層組合隧道為40°，小于或大于該值穩(wěn)定安全系數(shù)均減小，10°～75°區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)變化幅度最高達(dá)16%。

（2）強(qiáng)度折減條件下，圍巖破壞模式隨著傾角變化略有不同，主要破壞模式為滑移引發(fā)條件下的滑移與層裂共同破壞。

當(dāng)傾角≤30°時(shí)，隧道圍巖以彎曲折斷破壞模式為主；當(dāng)傾角>60°時(shí)，隧道圍巖破壞模式在順層滑移破壞的基礎(chǔ)上，垂直層面方向折斷破壞最先啟動(dòng)的可能性較大；當(dāng)傾角介于30°～60°之間時(shí)，變形范圍由垂直層面為主逐漸向順層面為主轉(zhuǎn)變，但順層面向位移量大，表明滑移破壞最先啟動(dòng)，后引發(fā)折斷和滑移的共同破壞。