鐵路標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道節(jié)理傾角效應(yīng)研究

李老三

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

巖體生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)受各種地質(zhì)作用和構(gòu)造力影響，往往形成眾多的節(jié)理、層理和斷層面等缺陷，是一種各向異性非連續(xù)介質(zhì)，其完整性和均勻性受到不同程度的破壞，這種不連續(xù)性對(duì)巖體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力都有重要影響[1]。隧道及地下工程的修建不可避免穿越節(jié)理巖體巖質(zhì)地層，用基于連續(xù)性假設(shè)數(shù)值方法很難滿(mǎn)足施工和設(shè)計(jì)要求；而離散元法特別適合于富含節(jié)理不連續(xù)面體，從節(jié)理引起的不連續(xù)性出發(fā)，把節(jié)理巖體視為由離散的塊體和巖塊間的節(jié)理面組成。自1971年Cundall首次提出離散單元以來(lái)，得到了眾多學(xué)者的不斷完善和發(fā)展。

王剛等[2]通過(guò)斷裂損傷理論，認(rèn)為節(jié)理裂隙對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要；鄭穎人等[3]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了層狀巖體的強(qiáng)度和變形特征；周輝等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究不同位置節(jié)理、不同長(zhǎng)度節(jié)理對(duì)巖體峰值剪切強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響；王貴君等[5-6]、桑運(yùn)龍等[7]運(yùn)用UDEC對(duì)不同節(jié)理裂隙巖體中無(wú)支護(hù)暗挖隧道進(jìn)行穩(wěn)定性分析；劉剛等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)研究節(jié)理密度對(duì)圍巖變形及破壞影響，提出斷續(xù)節(jié)理密度控制著圍巖穩(wěn)定性；楊忠峰等[9]采用數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)稱(chēng)型節(jié)理發(fā)育隧道支護(hù)的合理性和優(yōu)化建議。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，針對(duì)深埋巖質(zhì)隧道節(jié)理產(chǎn)狀研究并不多，特別是鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面更少。因此，研究節(jié)理產(chǎn)狀對(duì)鐵路標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道圍巖穩(wěn)定性影響及錨桿力學(xué)特性具有顯著理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 工程概況

新建鄭萬(wàn)鐵路黃家溝隧道為時(shí)速350 km雙線(xiàn)鐵路隧道，全長(zhǎng)7.827 km，隧道一般埋深100～300 m，最大埋深380 m。該隧道地處荊山山脈，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕低山地貌區(qū)，隧址區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體上呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的態(tài)勢(shì)，地形復(fù)雜，溝壑交錯(cuò)，山巒縱橫。主體山勢(shì)呈北西—南東向延展，連綿起伏，地形切割較深，峰谷相間。主要巖性為志留系下統(tǒng)羅惹坪組砂質(zhì)頁(yè)巖，新灘組砂頁(yè)巖。地下水主要類(lèi)型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。黃家溝隧道地質(zhì)構(gòu)造與隧道的關(guān)系及地質(zhì)縱斷面如圖1、圖2所示。隧道受田家溝斷裂和金斗-鞍子寨倒轉(zhuǎn)背斜的影響，隧道洞身發(fā)育一系列北西向、近南北向和北東向斷裂和節(jié)理密集帶，對(duì)隧道的穩(wěn)定性影響較大。

圖1 黃家溝隧道地質(zhì)構(gòu)造線(xiàn)與隧道關(guān)系圖

圖2 黃家溝隧道地質(zhì)縱斷面圖

隧道所穿越山體主要有5組發(fā)育節(jié)理，節(jié)理密度一般為1～3組/m，密集處超過(guò)5組/m，部分節(jié)理裂隙延伸長(zhǎng)度大于2 m。隧道圍巖層狀構(gòu)造明顯，揭示巖層傾角一般為9°～85°。巖層呈薄層、中厚至厚層狀，層理較發(fā)育，層理結(jié)合面強(qiáng)度較低，由于本隧道埋深較大，地應(yīng)力較高，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)面受力后易發(fā)生剪切破壞和順層理面滑移破壞。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

本次模擬計(jì)算使用ITASCA公司通用離散元程序UDEC進(jìn)行模擬，該軟件是一個(gè)處理不連續(xù)介質(zhì)的二維程序。UDEC程序適用于模擬節(jié)理系統(tǒng)的分離過(guò)程，而且能夠自動(dòng)識(shí)別節(jié)理面產(chǎn)生的新接觸點(diǎn)，較真實(shí)反映節(jié)理面力學(xué)行為。

根據(jù)黃家溝隧道現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理量測(cè)，該隧道所穿越山體主要有5組發(fā)育節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀如表1所示。

表1 節(jié)理產(chǎn)狀

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

針對(duì)我國(guó)鐵路350 km/h隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)圖，研究節(jié)理巖體不同產(chǎn)狀(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)時(shí)圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律。節(jié)理間距0.4 m，模型橫向取100 m，下邊界距離隧道中心35 m，上邊界距離隧道中心100 m。左、右邊界水平位移約束，下邊界豎向位移約束，上邊界施加自重應(yīng)力約束。

2.2 計(jì)算參數(shù)

塊體遵從Mohr-Coulom強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)面采用面接觸滑動(dòng)模型。初始應(yīng)力場(chǎng)考慮300 m埋深自重應(yīng)力，在隧道中心施加垂直地應(yīng)力σv=6.90 MPa，水平方向的地應(yīng)力σh=3.25 MPa，各向按梯度變化。根據(jù)黃家溝隧道現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查報(bào)告和文獻(xiàn)[1]，巖塊和節(jié)理面計(jì)算參數(shù)如表2、表3所示。

表2 巖塊材料力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理計(jì)算參數(shù)

3 節(jié)理產(chǎn)狀分析結(jié)果及結(jié)論

由于節(jié)理的存在，出現(xiàn)明顯順層地質(zhì)偏壓現(xiàn)象，巖層順著節(jié)理方向滑動(dòng)，產(chǎn)生較大偏壓荷載。

3.1 圍巖應(yīng)力影響

隧道開(kāi)挖強(qiáng)卸荷引起一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移。不同節(jié)理產(chǎn)狀引起主應(yīng)力分布特征如圖3所示。

圖3 不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖主應(yīng)力分布特征

節(jié)理面相對(duì)巖塊來(lái)說(shuō)參數(shù)要低得多，從圖3看出，節(jié)理面從根本上改變了圍巖應(yīng)力重分布，不僅影響著主應(yīng)力方向，而且也影響其大小，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向不再是切向和徑向。應(yīng)力在與不連續(xù)面平行方向釋放, 分布較均勻，巖體松弛明顯, 甚至出現(xiàn)了拉應(yīng)力。在垂直于結(jié)構(gòu)面方向洞周主應(yīng)力增加，且分布極不均勻，同時(shí)在結(jié)構(gòu)面附近主應(yīng)力集度較大。各層巖體均相當(dāng)于獨(dú)立處于受彎剪狀態(tài)的懸臂梁，由于層狀巖體的抗彎能力不強(qiáng)，因而不能承受或只能承受較小的應(yīng)力，容易發(fā)生彎折破壞，使結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移或張開(kāi)。

對(duì)于水平的層狀巖體，容易在頂部和仰拱出現(xiàn)鼓起，處于受拉狀態(tài)。傾角較小時(shí)，節(jié)理間滑移力難以克服其黏聚力，破壞形式表現(xiàn)為拱部和底部節(jié)理之間沿節(jié)理層面分離。當(dāng)傾角達(dá)到60°，隧道左拱肩和右墻腳部位應(yīng)力明顯大于對(duì)稱(chēng)部位應(yīng)力，因而造成了破壞的非對(duì)稱(chēng)性。對(duì)于傾向巖層，沿著傾斜的一方易造成巖塊滑移，位移大大增加，甚至斜頂鼓起，破壞模式表現(xiàn)為節(jié)理面的滑移。

對(duì)于豎直產(chǎn)狀巖體，在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生一個(gè)垂直于層面的拉應(yīng)力，由于層間粘結(jié)力弱，因而各層之間容易產(chǎn)生離層，隧道側(cè)壁容易造成邊墻巖層彎曲壓潰破壞。

3.2 位移影響

位移是隧道穩(wěn)定性最直接的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，不同節(jié)理產(chǎn)狀(0°、30°、60°和90°)圍巖位移矢量特征分布特征如圖4所示。

圖4 不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖位移矢量分布特征

從圖4中可以看出，開(kāi)挖使得隧道上部圍巖失去支撐，而結(jié)構(gòu)面參數(shù)較弱，沿節(jié)理面剪切滑移較大，產(chǎn)生向洞內(nèi)位移。邊墻上部位移大于下部位移。結(jié)構(gòu)面水平時(shí)，最大位移發(fā)生在拱頂和仰拱處，如圖4(a)所示，而并不是在邊墻，其破壞形式表現(xiàn)為拱部巖層彎折破壞。當(dāng)節(jié)理傾角為30°和60°，如圖4(b)、圖4(c)所示，最大位移發(fā)生在右拱肩和左拱腳，具有明顯不對(duì)稱(chēng)性；當(dāng)豎向節(jié)理時(shí)， 節(jié)理黏聚力不能抵抗層間下滑力，隧道周?chē)鷰r體沿豎向節(jié)理面發(fā)生整體下滑破壞，位移主要在拱部以向下發(fā)展為主，破壞模式主要變現(xiàn)為垂直節(jié)理剪切破壞，有冒頂塌方趨勢(shì)。因此必須采取支護(hù)措施，增強(qiáng)節(jié)理面黏聚力和摩擦角，提高巖層抗剪強(qiáng)度。

3.3 節(jié)理離層區(qū)影響

由于層間節(jié)理粘結(jié)力弱，不能承受或只能承受很小的拉應(yīng)力，因此層間節(jié)理逐漸張開(kāi)，從而使層狀巖層的各層之間處于離層狀態(tài)，不同節(jié)理產(chǎn)狀節(jié)理離層區(qū)分布特征如圖5所示。

圖5 不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖節(jié)理離層區(qū)分布特征

離層區(qū)節(jié)理面之間法向應(yīng)力、法向力均為零，為隧道失穩(wěn)潛在區(qū)域。從圖5中看出，節(jié)理離層區(qū)不是發(fā)生在最大主應(yīng)力方向上，而是沿垂直于節(jié)理面方向發(fā)展。隨著節(jié)理傾角增大，節(jié)理離層區(qū)面積先增大，再減小。當(dāng)傾角較小時(shí)，節(jié)理間主應(yīng)力難以克服其黏聚力，易發(fā)生節(jié)理分離，離層后所進(jìn)行的應(yīng)力調(diào)整使相鄰巖層的強(qiáng)度降低，直到沿徑向發(fā)展到一定深度達(dá)到新的平衡為止。

水平層狀巖體及傾角較小時(shí)，不易發(fā)生順層滑移，頂部和仰拱節(jié)理之間產(chǎn)生離層區(qū)，易引起彎折破壞；隨著傾角增大(30°～60°)，巖層順弱勢(shì)節(jié)理面滑動(dòng)趨勢(shì)增大，主要取決于節(jié)理面強(qiáng)度，破壞模式主要為層狀巖體沿節(jié)理滑移；當(dāng)傾角75°～90°時(shí)，洞周受力趨于對(duì)稱(chēng)，圍巖破壞主要為邊墻巖層彎曲壓潰，中間垂直巖體挾持作用減弱，有剪切破壞失穩(wěn)引起冒頂坍方趨勢(shì)。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與分析

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共7項(xiàng)，其中圍巖1項(xiàng)，初支4項(xiàng)，二襯2項(xiàng)，見(jiàn)表4。

表4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表

埋設(shè)完成后馬上讀取初始讀數(shù)，在噴射混凝土完成或襯砌混凝土澆注完成后再進(jìn)行一次讀數(shù)。在初期應(yīng)力應(yīng)變急劇增大時(shí)，每天測(cè)1次；增速減緩時(shí)，每2～4 d測(cè)1次；應(yīng)力應(yīng)變基本穩(wěn)定時(shí)，每7～10 d測(cè)1次。

在Excel表中輸入斷面里程、安裝日期、圍巖級(jí)別、埋深、施工方法等基本信息。

通過(guò)時(shí)間與數(shù)據(jù)變化的關(guān)系自動(dòng)生成曲線(xiàn)，可以較直觀地了解應(yīng)力變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。

圖6 初支應(yīng)力變化趨勢(shì)圖

圖7 錨桿最大軸力與錨桿-節(jié)理夾角關(guān)系圖

4 節(jié)理巖體錨桿受力特性分析

按照鐵路現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)圖，錨桿環(huán)向間距一般1.2 m，表5為不同傾角左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)錨桿最大軸力值，分布形式如圖7所示。

從表5看出，在傾角較小時(shí)，兩側(cè)大部分錨桿軸力差值不大，說(shuō)明傾角較小時(shí)，不易發(fā)生順層滑動(dòng)，洞周?chē)鷰r破壞形式與板裂介質(zhì)理論一致。隨著傾角增大，形成一個(gè)高密度的偏壓荷載，總體兩側(cè)錨桿軸力差值增大，而且右側(cè)明顯大于左側(cè)，巖層順弱勢(shì)節(jié)理面滑動(dòng)趨勢(shì)增大，洞周破壞主要取決于節(jié)理面強(qiáng)度。通過(guò)錨桿軸向作用，使得各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，呈現(xiàn)出組合梁的彎曲變形特征，提高巖層抗彎剛度和強(qiáng)度。

表5 錨桿最大軸力統(tǒng)計(jì)表

從圖7可看出，右側(cè)錨桿軸力普遍大于左側(cè)，從錨桿最大軸力與錨桿-節(jié)理面夾角關(guān)系來(lái)看，錨桿與滑移面夾角大于23°時(shí)軸力較大，發(fā)揮較為明顯效果，錨桿增大層間摩阻力，增強(qiáng)節(jié)理剪切剛度，抑制層狀巖質(zhì)隧道的剪切滑移程度。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)水平、傾斜、垂直的層狀巖體進(jìn)行多組對(duì)比分析，由于節(jié)理面的出現(xiàn)，從根本上改變了圍巖應(yīng)力分布，極大削弱了巖體力學(xué)特性，與傳統(tǒng)松散介質(zhì)理論隧道失穩(wěn)模式不盡相同，施工擾動(dòng)引起圍巖沿節(jié)理面滑動(dòng)造成地質(zhì)偏壓荷載，成為層狀巖體隧道失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵所在。

(2)不同節(jié)理產(chǎn)狀情況下，圍巖受力方向不同,最大位移位置不同，破壞形式不同，但層間節(jié)理首先破壞，節(jié)理離層區(qū)發(fā)生在巖體節(jié)理垂直方向，而不是在最大主應(yīng)力方向上，隨之節(jié)理傾角增大,巖層受剪破壞是造成圍巖失穩(wěn)破壞的根本原因之一。

(3)對(duì)不同節(jié)理產(chǎn)狀隧道圍巖節(jié)理離層區(qū)分布特征分析可知，隨著節(jié)理傾角增大，節(jié)理離層區(qū)面積先增大，再減小。節(jié)理傾角在45°～75°時(shí)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。因?yàn)閮A向節(jié)理破壞以層間滑移為主，同時(shí)又包含層狀節(jié)理法向的彎折破壞。

(4)通過(guò)對(duì)錨桿最大軸力與錨桿節(jié)理夾角關(guān)系分析可知，隨著節(jié)理面傾角增大，兩側(cè)錨桿軸力差值增大，順弱勢(shì)節(jié)理面滑動(dòng)趨勢(shì)增大。由于錨桿軸向作用，增大了層間摩阻力，有效抑制了層狀巖質(zhì)沿節(jié)理滑移，使各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，增強(qiáng)了隧道圍巖的整體穩(wěn)定性。

(5)根據(jù)對(duì)比分析，錨桿與滑移面夾角大于23°時(shí)錨固效果更佳，充分發(fā)揮“銷(xiāo)釘”和“組合梁”效果，區(qū)別于現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)斷面通用圖以等長(zhǎng)、等間距的系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)理念，對(duì)錨桿打設(shè)角度應(yīng)結(jié)合巖層節(jié)理走向及產(chǎn)狀進(jìn)行優(yōu)化。