隧道圍巖節(jié)理產(chǎn)狀對施工穩(wěn)定性影響研究

陳探

摘要：隧道圍巖節(jié)理產(chǎn)狀是影響隧道開挖及支護(hù)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。為探究千枚巖地層節(jié)理產(chǎn)狀對連拱隧道施工穩(wěn)定性的影響，依托祁門某連拱隧道，建立了隧道開挖的三維有限元模型，分析了千枚巖巖層節(jié)理產(chǎn)狀與連拱隧道開挖圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)性，探討了千枚巖不同節(jié)理傾角和節(jié)理數(shù)量下的連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：在千枚巖連拱隧道施工過程中，當(dāng)掌子面附近存在傾角大于60°的多條節(jié)理時(shí)，需要適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)，并嚴(yán)格控制爆破開挖對圍巖的擾動(dòng)。

關(guān)鍵詞：連拱隧道;節(jié)理產(chǎn)狀;千枚巖;數(shù)值模擬

巖體在自然風(fēng)化、侵蝕和節(jié)理面的切割作用下，強(qiáng)度會(huì)大幅下降[1]。在隧道開挖工程中，圍巖的初始形態(tài)被破壞，形成二次應(yīng)力，裂紋在此過程積累，逐漸發(fā)育成節(jié)理巖體。隧道因節(jié)理巖體失穩(wěn)破壞引發(fā)施工事故較多，因此有關(guān)節(jié)理巖體隧道開挖穩(wěn)定性的研究己成為隧道施工中的熱點(diǎn)問題之一[2]。

目前，在隧道施工圍巖穩(wěn)定性方面開展了大量的研究，但由于工程地質(zhì)條件多變、地層節(jié)理產(chǎn)狀不一致，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用機(jī)理還不夠充分，圍巖參數(shù)的選擇具有不確定性[3]。在層狀巖體隧道的設(shè)計(jì)與施工中，多采用經(jīng)驗(yàn)類比法。本研究以依托工程地勘調(diào)查、技術(shù)調(diào)研為基礎(chǔ)，對施工過程中數(shù)據(jù)收集分析，研究千枚巖巖層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面及節(jié)理數(shù)量與連拱隧道開挖圍巖變形的相關(guān)性，以及對連拱隧道施工的影響。

1 工程概況

項(xiàng)目依托德上高速公路池祁段某連拱隧道，隧道主要穿越碎石土、強(qiáng)～中風(fēng)化千枚巖，隧址區(qū)千枚巖巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道所處的地形、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。本次調(diào)查主要觀測點(diǎn)描述見表1。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

本文采用Midas/GTS三維有限元軟件模擬含節(jié)理巖層連拱隧道的施工過程，分析隧道圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能以及變形規(guī)律，建立千枚巖節(jié)理產(chǎn)狀及節(jié)理數(shù)量與隧道開挖圍巖變形的相關(guān)性模型，最終提出節(jié)理產(chǎn)狀對連拱隧道施工的影響。

有限元模型中的圍巖和中隔墻采用三維實(shí)體單元，噴射混凝土采用板單元模擬，錨桿采用植入型桁架模擬[4]。連拱隧道物理模型洞室跨度8m，埋深為30m。隧道圍巖兩側(cè)約束條件為水平約束，下部為豎向約束，上部為自由約束。隧道兩側(cè)和隧道上下部節(jié)理跨度均是4倍隧道寬度。巖土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 不同節(jié)理傾角的位移及應(yīng)力分析

選取0°、30°、60°和90°四種不同節(jié)理傾角的千枚巖巖體來進(jìn)行分析，研究巖層節(jié)理傾角與連拱隧道開挖圍巖變形的相關(guān)性以及對連拱隧道施工的影響。不同節(jié)理傾角條件下中隔墻Z方向位移如圖1所示。

由上圖可知，當(dāng)巖體節(jié)理傾角由0°增長到90°，連拱隧道中隔墻Z方向位移也隨之增大。對于物理力學(xué)特性相近的節(jié)理，節(jié)理水平時(shí)的中隔墻沉降最小，節(jié)理垂直時(shí)的中隔墻沉降最大。巖層節(jié)理傾角小于45°時(shí)，隨著節(jié)理傾角的增大，中隔墻沉降變化較小;巖層節(jié)理傾角大于45°時(shí)，隨著節(jié)理傾角的增大，中隔墻沉降變化明顯。

領(lǐng)完，分析了節(jié)理傾角連拱隧道開挖中隔墻主應(yīng)力，當(dāng)巖體節(jié)理傾角由0°增長到90°，連拱隧道中隔墻主應(yīng)力也隨之增大，但變化幅值較小。對于物理力學(xué)特性相近的節(jié)理，節(jié)理水平時(shí)的中隔墻最大主應(yīng)力最小，節(jié)理垂直時(shí)中隔墻最大主應(yīng)力最大。

2.2.2 不同節(jié)理數(shù)量的位移及應(yīng)力分析

選取在節(jié)理傾角為30°時(shí)，節(jié)理數(shù)量分別為1條、2條和3條的巖體進(jìn)行建模。研究千枚巖巖層節(jié)理數(shù)量與連拱隧道開挖圍巖變形的相關(guān)性及其對施工的影響。不同節(jié)理數(shù)量條件下中隔墻Z方向位移云圖如圖2所示。

由上圖可以得出，當(dāng)節(jié)理數(shù)量增多時(shí)，連拱隧道中隔墻Z方向位移也隨之增大。對于物理力學(xué)特性相近的節(jié)理，中隔墻沉降隨著節(jié)理數(shù)量增長呈線性增長。另外，分析了不同節(jié)理數(shù)量條件下中隔墻最大應(yīng)力，可以得出，當(dāng)巖體節(jié)理數(shù)量增多時(shí)，連拱隧道中隔墻主應(yīng)力也隨之增大，但變化幅值較小。相同物理力學(xué)條件下，中隔墻最大主應(yīng)力隨著節(jié)理數(shù)量增長呈線性增長。

3 巖層節(jié)理產(chǎn)狀對連拱隧道施工影響

結(jié)合不同節(jié)理傾角和節(jié)理數(shù)量下數(shù)值模擬結(jié)果，分析千枚巖巖層節(jié)理傾角與連拱隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)性，見表3-表4。

由上表可知，隨著節(jié)理傾角和節(jié)理數(shù)量的增長，連拱隧道開挖后中隔墻和初期支護(hù)的位移和應(yīng)力均有所增長;節(jié)理傾角變化對中隔墻和初期支護(hù)的位移和應(yīng)力影響更明顯。因此，在千枚巖連拱隧道施工過程中，當(dāng)掌子面附近存在傾角大于60°的多條節(jié)理時(shí)，需要根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，提出合理的支護(hù)方案，并嚴(yán)格控制爆破開挖對圍巖的擾動(dòng)。

4 結(jié)論

本研究通過數(shù)值模擬方法研究了千枚巖巖層節(jié)理產(chǎn)狀與連拱隧道開挖圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)性。在千枚巖連拱隧道施工過程中，當(dāng)掌子面附近存在傾角大于60°的多條節(jié)理時(shí)，需要適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)，并嚴(yán)格控制爆破開挖對圍巖的擾動(dòng)。該結(jié)論成功應(yīng)用于依托工程的千枚巖層狀地層發(fā)育段的連拱隧道施工，提前加強(qiáng)支護(hù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，保障了施工安全。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊忠民，高永濤，吳順川，等.節(jié)理巖體中縱向間距對連拱隧道穩(wěn)定性的影響[J].中國公路學(xué)報(bào)，2018，31（10）：167-176.

[3]李亞勇，王芳其，靳曉光，等.節(jié)理巖體中連拱隧道施工對周邊建筑物的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，38（06）：115-122.

[4]盧國興，靳金強(qiáng)，胡恒，等.既有公路隧道修復(fù)方案優(yōu)化及穩(wěn)定性分析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2021（22）：140-144.