隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征研究

李金明,肖凤春,谢 彬,杨鑫茹,师启蒙

(1.青岛市市政公用工程质量安全监督站 青岛市 266400;2.青岛市地铁四号线有限公司 青岛市 266400;3.中铁二十五局集团第五工程有限公司 青岛市 266400;4.青岛理工大学 土木工程学院 青岛市 266400)

0 引言

岩体未受扰动的情况下,其本身具有保持自我稳定的能力。但是当隧道在节理岩体中施工时,由于节理面切割岩体,使岩体的整体强度和力学参数出现明显降低,周围岩体沿节理面滑移会发生错层现象,从而导致围岩稳定性降低、变形增大,同时引起上覆岩体的脱落甚至坍塌,严重影响隧道施工安全。

针对隧道在节理岩体中施工引起的围岩稳定性问题,国内外学者进行了大量研究。耿萍[1]为研究富水地区地应力、水位高度和节理法向刚度等因素对隧道开挖后节理岩体渗流场重分布的影响,针对节理岩体下隧道施工围岩稳定性和围岩突水灾害等问题,运用离散元理论,建立了垂直交叉节理岩体模型;刘君等[2]通过改变节理倾角,研究了隧道施工时节理岩体中的应力分布特征、隧道围岩的变形规律以及隧道施工工序对围岩变形及其稳定性的影响;吴军[3]首先对节理的物理力学特性进行分析,然后通过数值模拟研究了不同节理倾角、不同节理间距和不同节理类型下隧道围岩的变形特征;何长江等[4]通过建立节理岩体模型,改变节理倾角和节理间距,分析了隧道分别穿越硬岩和硬软岩互层时围岩的稳定性;黄定一[5]使用离散元软件建立了隧道穿越节理岩体时的三维数值模型,通过分析节理岩体各项参数来研究围岩的变形规律,并从中得出影响围岩稳定性的主要因素;郑颖人等[6]基于强度折减法,从岩体强度和稳定性入手,主要研究了隧道在节理岩体中施工时的破坏模式和安全系数,得出隧道发生破坏的位置主要受节理倾角控制的结论;此外还有学者对隧道穿越节理岩体时的力学机理、隧道围岩的变形机制等进行了广泛研究[7-11]。

综上,围岩作为隧道施工过程中的主要承载体,其变形问题至关重要,尤其是隧道在节理岩体中施工且岩体较为破碎时问题更为显著。为了避免因围岩变形过大导致隧道出现开裂、坍塌等工程事故,研究隧道在节理岩体中施工引起的围岩变形具有重要现实意义。文章基于有限元理论,以青岛地铁四号线西登瀛站—大河东站区间为工程背景,建立隧道在节理岩体中施工的数值模型,针对隧道在节理岩体中施工引起的围岩变形问题展开具体研究。

1 隧道穿越节理岩体的三维数值模型

1.1 数值模拟依托工程概况

西登瀛—大河东区间的节理主要由区域断层构造控制,节理面形态较为平直,多呈紧闭～闭合状,倾角一般在60°～80°,且节理面在靠近断裂带两侧的地方分布较密集。该段区间左、右线为分修的两条单线隧道,采用矿山法施工,区间隧道拱顶埋深在19.2～38.0 m。

1.2 模型的基本假定

针对隧道在节理岩体中施工引起的围岩变形问题,采用Midas GTS NX软件进行数值模拟分析。为方便三维实体模型的建立和边界条件的确定,设定如下基本假定:

(1)将地层视为半无限空间体;(2)视岩土体为均质的、各向同性的连续介质;(3)只考虑自重应力场,不考虑岩土体的构造应力;(4)在分析围岩变形时,不考虑因节理间的相互滑移而引起的岩体结构改变,且两条节理间互不影响。

1.3 模型的尺寸和边界条件

岩土体采用莫尔-库伦本构模型,节理采用无厚度的界面单元进行模拟。

(1)模型尺寸

根据已有研究成果可知,隧道影响范围为3D～5D(D为隧道的直径)。因此通过查阅西登瀛—大河东区间的工程资料及相关规范确定隧道在节理岩体中施工的三维模型尺寸为:90 m×30m×60m。考虑依托工程实际情况,结合现场考察与工程资料定义如下:按照工程实际,隧道采用台阶法施工,隧道拱顶距地面距离取22 m,隧道拱底至模型底部约21.524 m。模型中节理长度定义为20 m,隧道长度取30 m,左右线两条隧道沿开挖方向均设置10个开挖长度,每个开挖长度均为3 m,节理存在于模型中沿隧道开挖方向的微风化花岗岩5～25 m处。

(2)边界条件

模型中的地层下表面施加固定端约束,左右表面施加X方向约束,前后表面施加Y方向约束,地表面为自由边界。模拟时考虑岩土体自重应力的作用,且重力荷载系数取9.807m/s2。建立模型时,初期支护采取喷射混凝土和植入锚杆共同作用,其中,喷射混凝土采用2D板单元进行模拟,锚杆采用植入式桁架进行模拟。

1.4 物理力学参数的选取

隧道主体位于微风化花岗岩中,上覆岩土体为素填土和粉质粘土。岩土体及支护结构的物理力学参数如表1所示,界面单元的计算参数如表2所示。

表1 地层及支护结构计算参数

表2 界面单元计算参数

1.5 模拟所需的工况界定

隧道在节理岩体中施工时的隧道围岩稳定性分析主要包括以下两方面:(1)不同节理倾角下隧道的围岩变形分析;(2)不同节理间距下隧道的围岩应力和围岩变形分析。

图1 模型中选取的监测断面图

2 数值模拟计算结果分析

2.1 不同节理倾角下隧道围岩变形特征分析

当研究不同节理倾角下隧道围岩变形特征问题时,节理倾角是变量,因此设定节理倾角分别为15°、30°、45°、60°、75°和90°六种不同工况,以此分析围岩变形特征问题。在此将从围岩竖向位移变化方面分析围岩的变形特征问题。

围岩竖向位移结果计算分析:选取倾角为30°时左线隧道开挖完成后G2断面隧道围岩的竖向位移云图,从图2、图3可以看出,拱顶竖向变形影响范围比拱底竖向变形影响范围大,由上述分析可知,岩体在节理处会发生相对滑动,当节理穿过隧道左侧拱腰和右侧拱肩时,由隧道开挖引起的拱部沉降和隧道在均质岩体中开挖引起的拱部沉降有所不同。隧道穿越节理岩体时引起的拱部沉降变形不仅发生在拱顶位置,还会由拱顶位置向隧道左右方向延伸,围岩沉降范围从拱顶向左下方扩展至隧道左侧壁和节理面相交位置,向右下方扩展至隧道右拱肩和节理面相交位置。

图2 G2断面隧道围岩的竖向位移云图

图3 G2断面隧道围岩的竖向位移曲线图

2.2 不同节理间距下隧道围岩变形特征分析

(1)围岩水平位移结果计算分析

表3 不同节理间距下隧道各断面左、右拱腰水平位移值

(2)围岩竖向位移结果计算分析

表4 不同节理间距下各断面拱顶、拱底竖向位移值

从表4可以看出,拱顶和拱底的竖向变形均表现出随节理间距的增大而逐渐减小的趋势。当节理间距较大时,拱顶上方容易形成“压力拱”,而“压力拱”的存在可以使隧道保持自稳能力,围岩稳定性较高。同时,隧道在不同节理间距岩体中施工时,同一断面处拱底的隆起变形要稍大于拱顶的沉降变形,原因为两条节理不在隧道轮廓线内,而是位于左线隧道右下方,两条节理距离左线隧道较近,距离右线隧道较远,当隧道开挖时节理处发生剪切变形,围岩沿着节理面发生滑移,而隧道拱底靠近节理。综上所述,隧道围岩以拱底隆起变形为主。

2.3 数值模拟结果与监测结果对比分析

选取左线隧道开挖完成后ZDK29+400断面和YDK29+400断面作为监测断面。隧道拱顶埋深22 m,围岩等级为Ⅳ级,节理倾角75°。对拱顶沉降结果进行分析,从数值模型中提取左线隧道监测断面的拱顶沉降模拟值,同时收集左线隧道监测断面处拱顶沉降实测值,并对拱顶沉降模拟值和拱顶沉降实测值进行对比分析,二者对比曲线图如图4所示。

图4 ZDK29+40断面拱顶沉降模拟值与实测值对比曲线图

图4中,距监测断面的距离从-24 m变化到6m表示隧道开挖逐渐向监测断面推进,随之又逐渐远离监测断面。从曲线走势来看,拱顶沉降模拟值和实测值变化趋势大致相同,拱顶沉降实测值稍大于模拟值。隧道在距离监测断面较远处开挖时,监测断面上拱顶沉降值较小,随着开挖面距离监测断面越来越近,监测断面上拱顶沉降值则越来越大,拱顶最大累计沉降模拟值约为7.2 mm,最大累计沉降实测值约为8.9 mm,误差约为19.1%。总体来看,模拟值和实测值误差一般在20%以内,一定程度上可以反映出运用有限元软件进行数值模拟是合理可行的。

3 结论

文章研究隧道在节理岩体中开挖引起的围岩变形特征问题,主要从不同节理倾角、间距条件出发,对围岩的应力及不同节理间距下围岩的位移变化进行具体分析。收集现场监控量测数据,对数值模拟值和现场实测值进行对比验证,得出以下结论:随着节理间距的减小,隧道围岩的水平位移值和竖向位移值均呈现递增趋势,主要原因为当节理间距较小时节理排列密集,岩体受节理的切割作用明显,与节理间距较大时相比,隧道围岩的整体稳定性较差,故围岩变形较大。