節(jié)理巖體中大跨隧道圍巖變形破壞模式分析

摘要： 運用3DEC離散元軟件，建立含不同節(jié)理分布的大跨隧道模型?？紤]節(jié)理的走向、傾角、間距和力學(xué)參數(shù)等因素，對大跨隧道開挖后無支護(hù)的圍巖變形破壞情況進(jìn)行模擬計算，并對大量計算結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：大跨隧道圍巖開挖后的風(fēng)險部位主要由節(jié)理走向與傾角決定，該部位失穩(wěn)及落塊由節(jié)理間距和力學(xué)參數(shù)決定；當(dāng)考慮雙向組合節(jié)理時，圍巖情況比單向節(jié)理更為復(fù)雜，隧道圍巖的變形破壞形式不僅在橫截面上呈現(xiàn)一定規(guī)律，并且在隧道軸向上也會有所差異；X向節(jié)理主要影響隧道橫截面圍巖變形破壞的位置，Y，Z向節(jié)理則會影響隧道軸線方向的圍巖變形分布規(guī)律，并且節(jié)理傾角愈大，圍巖松動范圍愈深。

關(guān)鍵詞： 隧道工程；節(jié)理巖體；離散元模擬；圍巖變形破壞；大跨隧道

中圖分類號： U 451.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1000-5013（2025）01-0030-08

Analysis of Deformation and Failure Mode of Surrounding Rock of Long-Span Tunnel in Jointed Rock Mass

TIAN Haotian¹，YU Jin¹，LIN Congbo¹， WANG Haimeng²，CAI Haohui²，ZHOU Wei²

（1. College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2. China Communications Second Navigation Engineering Bureau Limited Company，Wuhan 430000，China）

Abstract：Using 3DEC discrete element software，a model of long-span tunnel with different joint distributions is established. Considering the strikes，dip angles，spacing and mechanical parameters of joints，the deformation and failure of surrounding rocks without support of the long-span tunnel after excavation is simulated and analyzed. The research results show that the risk position of the long-span tunnel surrounding rock after excavation is mainly determined by the strikes and dip angles of the joints. The instability and falling of blocks in this position are determined by the joint spacing and mechanical parameters. When considering the bidirectional combination joints，the surrounding rocks are more complex than the unidirectional joints. The deformation and failure forms of the tunnel surrounding rocks not only present a certain laws in the cross section，but also present difference in the tunnel axis. The X-direction joints mainly affect the deformation and failure location of the tunnel cross-section surrounding rocks，while the Y，Z-direction joints affect the deformation distribution laws of the tunnel axis direction，and the larger the joint dip angle，the deeper the surrounding rocks loosening ranges.

Keywords：tunnel engineering；jointed rock mass；discrete element simulation；deformation and failure of surrounding rock；long-span tunnel

特大跨度隧道與普通斷面公路隧道相比，圍巖的自穩(wěn)時間更長，同時失穩(wěn)風(fēng)險也更高^［1］。因此，在特大跨度隧道的開挖過程中，圍巖變形的控制成為施工中的重點和難點^［2］。大跨隧道圍巖的變形破壞模式是進(jìn)行合理支護(hù)的前提^［3］，因此，在隧道設(shè)計前需要對圍巖的變形破壞進(jìn)行分析和預(yù)判，以確保隧道開挖過程中的穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟(jì)性。目前，國內(nèi)外有較多學(xué)者通過力學(xué)模型試驗、數(shù)值模擬等方法，分析了圍巖變形破壞的影響因素，對于明晰圍巖的變形破壞機(jī)制有極大的推動作用^［4］。為有效開展隧道圍巖的支護(hù)設(shè)計，學(xué)者們針對不同的地質(zhì)與工程特點，提出了隧道開挖的合理洞型、支護(hù)技術(shù)、變形控制方法等，保障了隧道的施工安全^［5］，但采用傳統(tǒng)的均質(zhì)體方法分析大跨隧道的變形破壞模式不夠精確，需要考慮節(jié)理巖體的不均勻性。

牛少卿等^［6］對大跨度巷道頂板的層狀特征進(jìn)行了分析，探討了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理，并得出巖層沿節(jié)理面滑動是主要失穩(wěn)原因之一。高峰等^［7］采用UDEC離散元軟件模擬了隧道塌方情況，發(fā)現(xiàn)巖體節(jié)理對于塌方形式起著主導(dǎo)作用。Bahaaddini等^［8］使用PFC3D數(shù)值模擬軟件研究了不同節(jié)理對巖體變形破壞的影響，發(fā)現(xiàn)破壞模式主要由節(jié)理方向和巖橋步距角決定。Chen等^［9］使用離散元方法模擬了受圍壓作用下的節(jié)理巖體，發(fā)現(xiàn)樣本的破壞模式和對圍壓的敏感性都受到節(jié)理組傾角的控制。Chen等^［10］發(fā)現(xiàn)了巖體壓縮時，在不同節(jié)理傾角下和不同連續(xù)因子下的變形特征。趙景彭^［11］以大梁山隧道為工程依托，研究發(fā)現(xiàn)在不同節(jié)理傾角下，隧道圍巖穩(wěn)定性的差異和錨桿的受力情況區(qū)別。劉剛等^［12］發(fā)現(xiàn)節(jié)理分布對大跨隧道的圍巖變形破壞模式具有顯著的影響，并且也得出了相應(yīng)的規(guī)律。然而，在探究特大跨隧道圍巖受力變形特征時，由于巖體介質(zhì)的不均勻性及節(jié)理分布的隨機(jī)性，目前尚缺乏系統(tǒng)性的研究。不同的節(jié)理分布會導(dǎo)致圍巖不同的破壞特征，因此，需要采取不同的支護(hù)措施確保隧道的穩(wěn)定性和安全性?；诖耍疚膶?jié)理巖體中大跨隧道圍巖變形破壞模式進(jìn)行分析。

1 離散元模擬試驗

1.1 模型建立

采用3DEC離散元軟件模擬計算不同節(jié)理情況下大跨隧道圍巖的變形破壞特征，將巖石看作各向同性的連續(xù)等效介質(zhì)，且每個節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)相同，隧道模型是基于某大斷面隧道的加寬段進(jìn)行設(shè)計^［13］。扁平形的大跨度公路隧道的跨度為30 m，高度為17 m，扁平率約為0.57，隧道的埋深為80 m，總開挖長度為50 m，每個開挖步長為5 m。在數(shù)值計算中，按照隧道直徑的3倍設(shè)置模型的上、下、左、右邊界^［14］。隧道模型建立示意圖，如圖1所示。圖1中：φ_X表示X向節(jié)理的傾角，即與XOY平面的夾角；φ_Y表示Y向節(jié)理的傾角，即與YOZ平面的夾角；φ_Z表示Z向節(jié)理的傾角，即與YOZ平面的夾角。

未考慮節(jié)理的影響，隧道模型包含約200萬個網(wǎng)格單元，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸不超過3 m。邊界條件設(shè)置如下：模型的四周和底部添加約束，頂部為自由面，整體僅考慮重力作用，同時法向速度被設(shè)定為0。在數(shù)值計算模型中，采用笛卡爾坐標(biāo)系，其中，X，Y，Z軸分別代表隧道軸線方向、隧道橫軸方向和豎直軸線方向。為了方便描述，將圍繞這3個軸旋轉(zhuǎn)的節(jié)理分別稱為X，Y，Z向節(jié)理。

1.2 參數(shù)的確定

巖石塊體選取花崗巖作為研究對象，并使用摩爾-庫倫塑性模型描述巖石塊體的變形特性。采用節(jié)理面接觸庫侖滑移模型作為節(jié)理的本構(gòu)，將節(jié)理視作巖體參數(shù)劣化的主要原因，通過現(xiàn)場取樣隨后進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗測定無節(jié)理巖體參數(shù)，巖石力學(xué)參數(shù)如下：密度（ρ）為2 643.3 kg·m^-3；變形模量（E）為51 GPa；泊松比（μ）為0.23；粘聚力（c_R）為23.38 MPa；內(nèi)摩擦角（φ_R）為59°。Shreedharan等^［15］經(jīng)過多次試驗驗證的數(shù)據(jù)，并通過反分析法再次修正，得到各項力學(xué)參數(shù)：切向剛度（k_s）為6.42 GPa·m^-1；法向剛度（k_n）為2.7 GPa·m^-1；抗拉強(qiáng)度（σ）為5 kPa；粘聚力（c_J）為0.4 MPa；內(nèi)摩擦角（φ_J）為20°。模型及其參數(shù)的準(zhǔn)確性已通過現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證^［16］。

1.3 模擬方案

隧道模型采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑9步開挖法。在計算過程中，主要考慮了節(jié)理傾角、間距和力學(xué)參數(shù)等因素。在以節(jié)理傾角為主要因素進(jìn)行分析時，節(jié)理的間距統(tǒng)一取2 m；僅單向節(jié)理時，在0°～90°之間，隔10°模擬計算一次；對于雙向節(jié)理組合，分別計算不同傾角的X，Y，Z各向節(jié)理組合。當(dāng)間距為主要因素分析時，為了減小隧道開挖跨度對計算結(jié)果的影響，并且提高研究的適用性，引入間跨比α，α=d/B，其中，d為節(jié)理間距，B為隧道跨度。由于天然節(jié)理間距一般為0.1～3.0 m^［17］，在隧道跨度為30 m的情況下，設(shè)置間跨比取值0.01～0.10之間，以0.01為間隔漸增進(jìn)行計算模擬。當(dāng)力學(xué)參數(shù)為主要因素分析時，法向剛度、切向剛度、黏聚力三者取原有數(shù)值的0.1，0.5，1.0，1.5，2.0倍，以此對應(yīng)不同圍巖級別的巖體參數(shù)。

2 大跨隧道破壞模式

2.1 單向節(jié)理變形破壞模式

在X，Y，Z三向節(jié)理條件下，選取一部分代表性位移云圖進(jìn)行討論。經(jīng)過計算分析，當(dāng)間跨比α=0.07時，隧道圍巖易發(fā)生失穩(wěn)^［16］，因此，選取的位移云圖間跨間比α均為0.07。各向節(jié)理圍巖橫截面位移云圖，如圖2所示。圖2中：φ為節(jié)理傾角；s（）為位移函數(shù)。由圖2可知如下3點結(jié)論。

1） 當(dāng)僅存在X向節(jié)理時，圍巖的水平變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎直變形，破壞以豎直位移為主。當(dāng)φ_X在30°以下時，圍巖的主要破壞地點發(fā)生在隧道上、下兩處；當(dāng)φ_X為30°～70°時，變形上移至拱肩和拱頂部位，在隧道上半部分的拱頂和拱肩處發(fā)生大變形；當(dāng)φ_X＞70°時，拱肩可能會發(fā)生掉塊的危險，并且由于拱肩發(fā)生向下的位移，隧道自身穩(wěn)定性較差，因此，此處產(chǎn)生剪切破壞，從而整個隧道發(fā)生失穩(wěn)。

2） 當(dāng)僅存在Y向節(jié)理時，這些節(jié)理在隧道的橫截面上主要呈現(xiàn)出相切于隧道輪廓線的水平巖層形狀。當(dāng)φ_Y為0°～70°時，圍巖主要以拱底和拱頂變形為主，且拱底的隆起量稍大，但是當(dāng)傾角逐漸變大時，變形量逐漸減少；當(dāng)φ_Y為70°～90°時，拱頂和拱底的變形量降低，但兩側(cè)的拱腳處會由于應(yīng)力集中發(fā)生向內(nèi)側(cè)的位移。因此，巖體相對完整且具備較好的強(qiáng)度，整個隧道的穩(wěn)定性較好。

3） 當(dāng)僅存在Z向節(jié)理時，在φ_Z為20°以內(nèi)時，圍巖整體具有較高的穩(wěn)定性，但在拱腳處可能會發(fā)生變形破壞；當(dāng)φ_Z為20°～70°時，隧道圍巖下方變形量較小，主要分布在上半部分拱肩拱腰處；當(dāng)φ_Z＞70°時，可以看作隧道上方存在許多平行層巖，極易引起大規(guī)模的滑動變形，使隧道頂部整體發(fā)生大變形。

2.2 X，Y雙向節(jié)理變形破壞模式

當(dāng)考慮雙向組合節(jié)理時，圍巖情況比單向節(jié)理更為復(fù)雜，隧道圍巖的變形破壞形式不僅在橫截面上呈現(xiàn)一定規(guī)律，并且在隧道軸向上也會有所差異。因此，雙向節(jié)理需要考慮三維中的變形破壞情況。為了便于顯示和分析，同樣在間跨比為0.07時，選取主要變形破壞部位來展示變形破壞云圖的橫截面，并提取同一模型的隧道中線剖面處的隧道剖面圖。

X，Y向節(jié)理部分傾角組合下圍巖橫截面位移云圖，如圖3所示。

由圖3可知：當(dāng)雙向節(jié)理中的φ_X為0°～30°時，隧道拱底和拱頂發(fā)生變形，并且在拱肩處發(fā)生收斂，此時，豎向變形部位會稍微有所偏移，但Y向節(jié)理傾角的改變對橫截面的破壞模式幾乎沒有影響；當(dāng)φ_X為30°～70°時，隧道圍巖表現(xiàn)為拱肩的破碎和拱腰的滑移收斂，背節(jié)理傾向一側(cè)的拱肩發(fā)生破壞，而迎節(jié)理傾向一側(cè)的拱腰則出現(xiàn)較嚴(yán)重的滑移破壞，增加φ_Y會導(dǎo)致圍巖更加破碎，變形范圍更深，并增加隧道圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險；當(dāng)φ_X＞70°，φ_Y＜40°時，截面處的圍巖非常破碎，在開挖后最先發(fā)生的是拱肩處塊體的破碎和掉落，接踵而至的是沿X向節(jié)理面的破壞，這導(dǎo)致隧道的穩(wěn)定性較差，當(dāng)φ_Y＞40°后，隧道圍巖的巖塊比較大，上半部分圍巖相對完整，容易整體沿節(jié)理面滑移變形，可能導(dǎo)致拱肩處的塊體掉落；在隧道縱向上，當(dāng)φ_X＜30°，φ_Y＜60°時，圍巖在最先開挖的拱頂和拱底處發(fā)生最大的變形，隧道入口處的圍巖若發(fā)生松動，則會引起后續(xù)圍巖的破壞，當(dāng)φ_Y＞60°后，在隧道中部截面上出現(xiàn)大變形。

2.3 X，Z雙向節(jié)理變形破壞模式

當(dāng)X，Z雙向節(jié)理組合時，它們對于圍巖的破壞模式都起著主導(dǎo)作用。X，Z向節(jié)理部分傾角組合下圍巖橫截面位移云圖，如圖4所示。圖4中：橫截面和剖面的位置與節(jié)2.2相同；間跨比為0.07。

由圖4可知：當(dāng)φ_X＜40°時，在Z向節(jié)理的影響下，出現(xiàn)的兩種破壞模式較為相似，當(dāng)φ_Z＜40°時，隧道圍巖變形大多為拱底隆起及拱頂?shù)某两?，拱肩處附近區(qū)域為一些小的收斂變形，增加X向節(jié)理傾角只會導(dǎo)致隧道變形不對稱，基本上沒有掉落塊體的情況發(fā)生，而當(dāng)φ_Z＞40°后，變形破壞模式會發(fā)生一些變化，拱頂?shù)某两颠h(yuǎn)大于拱底的變形量，拱肩處還會出現(xiàn)一些落塊，對稱收斂的拱肩還會變成不對稱的一側(cè)收斂；當(dāng)φ_X為40°～70°時，圍巖的變形發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從隧道上下部位轉(zhuǎn)移到中間拱腰處，會出現(xiàn)拱腰滑移現(xiàn)象，還可能會出現(xiàn)巖塊掉落的情況，當(dāng)φ_Z＜40°時，拱肩及對稱面拱腳兩處的位移相差不大，并且影響范圍也相似，同時拱腰和拱腳處還會發(fā)生收斂和擠出變形；隨著φ_X與φ_Z的增加，拱底和拱腳兩處變形漸漸變小，同時拱肩的變形更大，更容易出現(xiàn)落塊現(xiàn)象；當(dāng)φ_X＞70°后，圍巖變形愈來愈大，拱肩大變形上移轉(zhuǎn)變?yōu)楣绊敵两?，拱肩沉降一?cè)大于另一側(cè)，導(dǎo)致圍巖更加不穩(wěn)定，并出現(xiàn)沿拱肩變形破壞缺口的滑移，隨著φ_Z的增加，塌落范圍變大，兩側(cè)拱肩也有較大的沉降變形；對于隧道縱深向的圍巖變形破壞，當(dāng)φ_X＜40°，φ_Z＜40°時，隧道開挖進(jìn)口處變形較大，且變形持續(xù)時間較長，當(dāng)φ_Z＞40°，拱頂?shù)膰鷰r均勻變形同時范圍縮小，而在隧道中部拱底隆起現(xiàn)象更為明顯，在φ_X＞80°后，隧道上方的變形范圍逐漸由拱頂擴(kuò)大至拱肩，在拱腰處的圍巖也出現(xiàn)斜向位移，圍巖縱向變形已經(jīng)不隨φ_X的改變而變化，隨著φ_Z的增大，圍巖的變形主要集中在拱頂并且范圍增大。

2.4 Y，Z雙向節(jié)理變形破壞模式

在Y，Z向上的節(jié)理相較于X向節(jié)理，對隧道的變形破壞影響較小。在考慮節(jié)理參數(shù)折減的情況下，它的變形破壞有所增加。為了進(jìn)一步了解其特征，采用節(jié)理參數(shù)折減為0.5倍后計算位移，Y，Z向節(jié)理部分傾角組合下圍巖橫截面位移云圖，如圖5所示。圖5中：橫截面和剖面的位置與節(jié)2.2相同。

由圖5可知：當(dāng)φ_Z＜60°，φ_Y＜50°時，圍巖的變形形式相似，隧道的拱底幾乎沒有隆起，而拱肩處會出現(xiàn)部分塊體的破碎，可能會發(fā)生掉落。根據(jù)隧道的俯視圖，在隧道縱深方向，右側(cè)拱肩變形減小，但左側(cè)拱肩變形逐漸增大，當(dāng)φ_Y愈接近50°時，這種情況則沒有那么明顯；當(dāng)φ_Z為60°～90°時，無論φ_Y怎么變化，隧道的變形破壞模式均以整體性的拱頂和拱肩變形為主，上方拱頂處整體由于剪切破壞而發(fā)生滑移沉降，從而可能會引發(fā)大規(guī)模的坍塌，拱肩也可能會因為圍巖破碎出現(xiàn)落塊；特別是當(dāng)φ_Y=50°，φ_Z=90°時，整體崩塌的程度最大，且φ_Z＞70°時，所有巖塊都會發(fā)生塌落，說明控制圍巖穩(wěn)定性要格外注意Z向節(jié)理的傾角。

2.5 大跨隧道圍巖變形破壞模式判別表

節(jié)理巖體中大跨隧道圍巖變形破壞模式判別圖，如圖6所示。

文獻(xiàn)［16］總結(jié)和歸納各種節(jié)理分布的數(shù)值模擬計算結(jié)果，并結(jié)合節(jié)理對大跨隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。文中通過分析工程現(xiàn)場的節(jié)理信息，可以初步預(yù)測出大跨隧道中的危險區(qū)域、失穩(wěn)風(fēng)險及可能發(fā)生的變形破壞類型。根據(jù)這些結(jié)果，在實際工程中就可以針對性的制定施工方案，規(guī)避風(fēng)險。

目前的工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）劃分，并對自身穩(wěn)定性進(jìn)行初步評估。然后，根據(jù)這些粗略的圍巖等級，提供不同施工方案。然而，這種將圍巖視為均質(zhì)巖體的方法，不僅在判斷隧道穩(wěn)定性上有欠缺，并且提供的施工方案也不太清晰。此外，還有一種通過霍克布朗公式估算圍巖參數(shù)，并使用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行計算的方法。然而，這種方法對于隧道圍巖變形破壞的位置和變形破壞的形式也無能為力，而且過程比較繁瑣^［18］。相比之下，判別法可以直接根據(jù)現(xiàn)場勘察的節(jié)理信息預(yù)測隧道施工過程中可能出現(xiàn)的危險和圍巖破壞的位置，保證了人員的安全和施工順利進(jìn)行，并且得出了節(jié)理分布對隧道圍巖破壞模式的影響，填補(bǔ)了這一部分研究的空缺。

根據(jù)不同的變形破壞模式的特點，結(jié)合不同施工工法的優(yōu)缺點及施工的難易程度，考慮圍巖變形控制的效果及施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性，不同節(jié)理情況下大跨隧道施工工法建議圖，如圖7所示。

3 結(jié)論

1） 圍巖的變形發(fā)生部位和空間位置主要與節(jié)理走向及傾角有關(guān)，間距和力學(xué)參數(shù)僅影響圍巖是否發(fā)生破壞及落塊。隧道跨度愈大，圍巖變形破壞受節(jié)理影響的差異愈明顯。

2） 對于X向節(jié)理，隧道圍巖主要以豎向變形為主，當(dāng)節(jié)理傾角超過70°后，隧道極易失穩(wěn)；對于Y向節(jié)理，隨著傾角的增大，圍巖的變形量逐漸減小，巖石具有一定強(qiáng)度，因此，穩(wěn)定性較好；對于Z向節(jié)理，圍巖破壞形式大致可以分為3種：在φ_Z為20°以內(nèi)時，拱腳處可能會發(fā)生變形破壞；當(dāng)φ_Z為20°～70°時，變形區(qū)域主要分布在隧道上方；當(dāng)φ_Z＞70°時，拱頂處易發(fā)生滑動變形。

3） 在雙向節(jié)理組合下，X向節(jié)理的傾角變化是影響隧道截面上圍巖變形破壞部位的主要因素，Y，Z向節(jié)理主要影響隧道縱深方向變形破壞空間位置的變化。節(jié)理傾角愈大，圍巖松動范圍愈深。

4） 根據(jù)節(jié)理情況，得到圍巖變形破壞模式的判別方法，提出了相應(yīng)的施工工法建議表，該方法考慮了巖體不均勻性的特點，具有高效性與實用性，對大跨隧道的支護(hù)與施工設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

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（責(zé)任編輯：陳志賢

英文審校：方德平）