節(jié)理傾角及組數(shù)對(duì)鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

羅勝利 伍容兵 張志強(qiáng)

(1. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,昆明 650200; 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

節(jié)理作為巖體中存在的天然軟弱結(jié)構(gòu)面,普遍存在于工程地質(zhì)中。 而這些節(jié)理面又將完整的巖體切割得極為破碎,使得圍巖的結(jié)構(gòu)完整性大幅降低[1-4]。越來(lái)越多的隧道工程表明,巖體內(nèi)部節(jié)理面的存在,是造成隧道工程圍巖變形過(guò)大、隧道整體塌方失穩(wěn)的主要原因之一[5-9]。

目前,隧道圍巖失穩(wěn)分析常用方法主要分為室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等。 在室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面,張志強(qiáng)等采用正交試驗(yàn)研究裂隙巖體節(jié)理對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響[10];索超峰等通過(guò)模型試驗(yàn)研究多組節(jié)理情況下隧道施工擾動(dòng)后圍巖的塌落范圍變化情況[11];李唱唱等利用水壓致裂法和三維水壓致裂法對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析,研究深埋高地應(yīng)力下引水隧洞節(jié)理圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題[12];戚偉等采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)多種手段結(jié)合,對(duì)焦家金礦優(yōu)勢(shì)節(jié)理組不同組合形成的塊體穩(wěn)定性進(jìn)行分析[13]。

常用的數(shù)值模擬方法主要包括有限單元法和離散單元法。 其中有限單元法是基于連續(xù)介質(zhì)理論的,把物體劃分為有限個(gè)單元,節(jié)點(diǎn)之間用數(shù)學(xué)方程聯(lián)系起來(lái)。 馬天輝等采用有限元模擬節(jié)理巖體中隧洞圍巖損傷破壞過(guò)程,研究節(jié)理巖體中隧洞圍巖體的破壞機(jī)理,分析巖體中節(jié)理傾角對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律[14];袁鐵等通過(guò)數(shù)值模擬方法研究節(jié)理巖體隧道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布,得出水平節(jié)理使拱頂及仰拱周邊圍巖的塑性區(qū)增大的結(jié)論[15];王昊等建立導(dǎo)洞遍布節(jié)理模型,進(jìn)行參數(shù)敏感性分析[16]。 離散單元法是典型的非連續(xù)數(shù)值計(jì)算方法,已大量應(yīng)用在地下巷道的穩(wěn)定性分析中。 李軍等采用UDEC 對(duì)隧道巖體節(jié)理進(jìn)行模擬,得出單組節(jié)理下隧道拱頂變形為多組節(jié)理下的1/4 左右[17];鄭余朝等采用3DEC 軟件對(duì)不同節(jié)理情況下的隧道安全系數(shù)進(jìn)行分析,評(píng)價(jià)各因素對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響[18];袁彬等利用UDEC 離散元軟件分析了在0～90°傾角范圍內(nèi)的隧道圍巖變形破壞特征[19];張斌等基于三維離散元計(jì)算方法,模擬分析不同傾角下層狀隧道圍巖的穩(wěn)定性[20]。

綜上所述,很少有學(xué)者針對(duì)節(jié)理圍巖發(fā)生塑性破壞的主控因素進(jìn)行深入研究。 基于此,以下采用遍布節(jié)理本構(gòu)模型,分析節(jié)理傾角、節(jié)理組數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,并探究圍巖發(fā)生塑性破壞的主控因素,為以后進(jìn)一步研究節(jié)理發(fā)育圍巖失穩(wěn)破壞提供參考。

1 工程概況

玉磨鐵路線路位于云南省,由昆玉鐵路的玉溪西站起,經(jīng)峨山、元江、普洱、景洪止于勐臘邊境磨憨口岸,是中老鐵路的重要組成部分。 玉磨鐵路線路全長(zhǎng)507 km,設(shè)計(jì)速度160 km/h,是“一帶一路”建設(shè)的標(biāo)志性工程之一。 西雙版納雙線鐵路隧道位于野象谷站—西雙版納站區(qū)間,全長(zhǎng)10 680 m,最大埋深620 m。 隧址區(qū)屬低中山地貌,地面高程580～1 325 m,相對(duì)高差20～750 m。受區(qū)域構(gòu)造影響,測(cè)段構(gòu)造極為發(fā)育,發(fā)育3 條斷層、1 個(gè)背斜,走向均為NW 向。 隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖揭示為:Ⅲ級(jí)圍巖為0.4%,Ⅳ級(jí)圍巖為29%,Ⅴ級(jí)圍巖為70.6%。 DK354+000～DK357+750 段以炭質(zhì)片巖為主,受軟弱節(jié)理面影響,呈彈塑性體,巖體強(qiáng)度較低。 掌子面巖體節(jié)理發(fā)育且呈碎裂狀,并存在許多分離體,掌子面巖體狀況見(jiàn)圖1。

圖1 玉磨鐵路西雙版納隧道掌子面巖體狀況

根據(jù)隧道已開(kāi)挖段初支表面監(jiān)控量測(cè)情況,西雙版納隧道2 號(hào)斜井工區(qū)小里程方向,DK354+131 ～DK354+075 段拱頂沉降累計(jì)最大為31.2 cm,最大累計(jì)收斂416 mm,DK354+103 左拱腰最大侵限為56.3 cm。 針對(duì)大變形段,為了防止變形進(jìn)一步擴(kuò)大,進(jìn)而發(fā)生大規(guī)模的圍巖垮塌事故,現(xiàn)場(chǎng)采取臨時(shí)套拱和臨時(shí)斜撐的方案,對(duì)變形未穩(wěn)定段落進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。在變形穩(wěn)定后,為了滿足隧道限界要求,需要鑿除已侵限的圍巖和初支,進(jìn)行換拱施工。

2 計(jì)算模型

為揭示穿越節(jié)理發(fā)育地層時(shí)由于施工開(kāi)挖引起的隧道周邊圍巖變形及破壞特征,計(jì)算模型見(jiàn)圖2,根據(jù)圣維南原理,隧道距離計(jì)算模型邊界均大于3.5 倍洞徑,計(jì)算模型尺寸為103.8 m(X)×30 m(Y)×101.6 m(Z)。 考慮計(jì)算結(jié)果的收斂性,隧道計(jì)算埋深取100 m,隧道拱頂至模型上表面的高度為50 m,其余覆土厚度采用施加等效表面荷載形式表示。 計(jì)算模型共離散成65 580 個(gè)六面體網(wǎng)格,除模型上表面為荷載邊界外,其余表面均采用位移邊界,左右表面限制X方向自由度,前后表面限制Y方向自由度,底面限制X、Y和Z方向自由度。 為了突顯斷層破碎帶節(jié)理圍巖在隧道開(kāi)挖影響下的變形和破壞特征,計(jì)算過(guò)程采用全斷面開(kāi)挖,且不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu),隧道處于毛洞狀態(tài),開(kāi)挖進(jìn)尺取1.0 m。

圖2 三維整體計(jì)算模型

根據(jù)隧道節(jié)理發(fā)育區(qū)域的圍巖資料以及TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,確定計(jì)算模型中圍巖及節(jié)理的參數(shù),具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及節(jié)理力學(xué)參數(shù)

在節(jié)理發(fā)育的斷層帶中,巖體在節(jié)理的“切割”作用下,巖體呈現(xiàn)出破碎、碎裂的狀態(tài),圍巖越破碎,對(duì)隧道施工越不利。 對(duì)于隧道施工而言,圍巖的節(jié)理傾角和節(jié)理數(shù)量不同,隧道開(kāi)挖后圍巖的變形特征和破壞形態(tài)將會(huì)有較大的差異。 現(xiàn)場(chǎng)顯示平均節(jié)理間距0.05 m,節(jié)理之間的間距相比起模型的結(jié)構(gòu)尺寸足夠小。 遍布節(jié)理模型不考慮節(jié)理面厚度,且節(jié)理貫通整個(gè)遍布節(jié)理模型。 單組節(jié)理和兩組節(jié)理工況見(jiàn)圖3。節(jié)理傾角、節(jié)理組數(shù)設(shè)置情況見(jiàn)表2。

表2 模型工況設(shè)置

圖3 節(jié)理工況示意

3 節(jié)理傾角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

針對(duì)單組節(jié)理圍巖,開(kāi)挖完成后,截取計(jì)算模型Y=15 m 處截面的節(jié)理屈服云圖和塑性應(yīng)變?cè)茍D,見(jiàn)圖4～圖9。

圖4 0°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

由圖4 可知,當(dāng)節(jié)理傾角為0°,由于模型的節(jié)理、模型的幾何對(duì)稱性,節(jié)理屈服、圍巖塑性應(yīng)變呈現(xiàn)出左右對(duì)稱、上下對(duì)稱的特點(diǎn),主要分布于拱部?jī)蓚?cè)拱肩和仰拱兩側(cè)區(qū)域,此區(qū)域受施工擾動(dòng)明顯,在施工影響、重力以及應(yīng)力重分布等綜合作用下,發(fā)生了塑性屈服,施工過(guò)程中不及時(shí)加以控制,易發(fā)生較大變形甚至是坍塌事故。

由圖5 ～圖8 可知,當(dāng)傾角由0°逐漸增大至90°時(shí),隨著傾角增大,受隧道開(kāi)挖擾動(dòng)圍巖及節(jié)理塑性屈服分布特征發(fā)生改變,不再是對(duì)稱分布。 相較于水平節(jié)理,圍巖及節(jié)理塑性屈服分布形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),傾角較小(20°、40°)時(shí),塑性區(qū)主要沿著垂直于節(jié)理的方向分布,此時(shí)巖體性質(zhì)是影響塑性區(qū)形成和分布主控因素;隨著傾角進(jìn)一步增加(60°、80°),塑性分布區(qū)及發(fā)展域包括兩部分,一部分是沿著節(jié)理方向;另一部分是垂直于節(jié)理方向。 其中,沿著節(jié)理方向的塑性區(qū)范圍更大,由此說(shuō)明在此傾角情況下,節(jié)理是圍巖整體發(fā)生塑性破壞的主控因素。

圖5 20°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

圖6 40°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

圖7 60°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

圖8 80°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

由圖9 可知,當(dāng)節(jié)理傾角為90°時(shí),由于模型的節(jié)理、模型的幾何對(duì)稱性,圍巖及節(jié)理屈服區(qū)域主要分布在隧道兩側(cè),沿著節(jié)理方向垂向分布且影響范圍深入地層中。節(jié)理是影響圍巖發(fā)生塑性破壞的主控因素。 由此可知,對(duì)于垂直節(jié)理巖體,施工過(guò)程中一旦節(jié)理屈服且發(fā)生顯著的剪切滑移,則可能導(dǎo)致拱頂巖體整體垮塌,造成施工災(zāi)難,所以隧道穿越90°節(jié)理圍巖施工較為危險(xiǎn)。

圖9 90°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

當(dāng)傾角由90°逐漸增大至180°時(shí),節(jié)理傾角越接近90°,圍巖傾角越陡,節(jié)理傾角越接近180°,圍巖傾角越平緩。 根據(jù)反對(duì)稱性,節(jié)理傾角較陡時(shí),巖體性質(zhì)是影響塑性區(qū)形成和分布主控因素;節(jié)理傾角較平緩,圍巖發(fā)生沿節(jié)理面的剪切滑移破壞節(jié)理是圍巖整體發(fā)生塑性破壞的主控因素,與節(jié)理傾角由0°～90°時(shí)的規(guī)律相同。

提取單組節(jié)理各傾角工況的塑性應(yīng)變最大值,并繪制曲線,見(jiàn)圖10。 由圖10 可知,當(dāng)節(jié)理傾角為60°或120°時(shí),圍巖的塑性應(yīng)變最大,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.197,說(shuō)明節(jié)理傾角為60°或120°時(shí),在開(kāi)挖擾動(dòng)下,隧道周邊圍巖發(fā)生塑性破壞的趨勢(shì)最明顯,對(duì)隧道施工最為不利。 該結(jié)論與通過(guò)隧道洞周圍巖變形量分析結(jié)論一致。

圖10 單組節(jié)理各傾角組合工況的塑性應(yīng)變

4 節(jié)理組數(shù)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

計(jì)算完成后,截取2 組節(jié)理工況下計(jì)算模型Y=15 m 處截面的圍巖塑性應(yīng)變及節(jié)理屈服云圖,見(jiàn)圖11～圖14。

圖11 0°+60°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

圖12 30°+60°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

圖13 90°+60°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

圖14 120°+60°節(jié)理各工況下圍塑性破壞特征

由圖11～圖14 可知,2 組節(jié)理將圍巖進(jìn)一步“切割”,圍巖變得較為破碎,根據(jù)節(jié)理屈服云圖,節(jié)理屈服區(qū)域主要分布在洞周兩側(cè)拱肩至拱腳區(qū)域,節(jié)理屈服區(qū)域不再沿著節(jié)理或垂直節(jié)理方向深入圍巖內(nèi)部,由此說(shuō)明,2 組節(jié)理?xiàng)l件下節(jié)理面塑性屈服與節(jié)理方向無(wú)明顯關(guān)系。 巖體發(fā)生塑性應(yīng)變的部位與節(jié)理屈服部位重合,且塑性應(yīng)變區(qū)域面積和深度均小于節(jié)理塑性屈服。 因此,對(duì)于存在2 組節(jié)理的地層,圍巖整體破碎,開(kāi)挖后洞周塑性區(qū)主要分布在隧道兩側(cè)拱肩至墻腳區(qū)域,造成圍巖塑性破壞的主要原因是節(jié)理面的塑性屈服。

提取2 組節(jié)理各傾角工況的塑性應(yīng)變最大值,并繪制曲線,見(jiàn)圖15。 由圖15 可知,當(dāng)節(jié)理傾角組合為60°+90°時(shí),圍巖的塑性應(yīng)變最大,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.521,說(shuō)明節(jié)理傾角為60°+90°時(shí),在開(kāi)挖擾動(dòng)下,隧道周邊圍巖發(fā)生塑性破壞的趨勢(shì)最明顯,對(duì)隧道施工最為不利。 該結(jié)論與通過(guò)隧道洞周圍巖變形量分析結(jié)論一致。

圖15 2 組節(jié)理各傾角組合工況的塑性應(yīng)變

5 結(jié)論

采用有限元軟件,研究節(jié)理傾角和節(jié)理組數(shù)對(duì)隧道圍巖塑性破壞特征的影響,得出以下主要結(jié)論。

(1)節(jié)理傾角水平時(shí),節(jié)理屈服、圍巖塑性應(yīng)變呈現(xiàn)出左右對(duì)稱、上下對(duì)稱的特點(diǎn),主要分布于拱部?jī)蓚?cè)拱肩和仰拱兩側(cè)區(qū)域。

(2)節(jié)理傾角較陡時(shí),巖體性質(zhì)是影響塑性區(qū)形成和分布主控因素;節(jié)理傾角較平緩,圍巖發(fā)生沿節(jié)理面的剪切滑移破壞節(jié)理是圍巖整體發(fā)生塑性破壞的主控因素。 當(dāng)節(jié)理傾角為60°或120°時(shí),圍巖的塑性應(yīng)變最大,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.197。

(3)當(dāng)節(jié)理傾角為90°時(shí),圍巖及節(jié)理屈服區(qū)域主要分布在隧道兩側(cè),沿著節(jié)理方向垂向分布,且影響范圍深入地層中,節(jié)理是影響圍巖發(fā)生塑性破壞的主控因素。

(4)2 組節(jié)理?xiàng)l件下開(kāi)挖后,洞周塑性區(qū)主要分布在隧道兩側(cè)拱肩至墻腳區(qū)域,造成圍巖塑性破壞的主要原因是節(jié)理面的塑性屈服。 當(dāng)節(jié)理傾角組合為60°+90°時(shí),圍巖的塑性應(yīng)變最大,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.521。