缓倾岩层隧道塌方机理及围岩稳定性分析.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１４１１１０缓倾岩层隧道塌方机理及围岩稳定性分析李清龙邓辉杨秀程（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都６１００５９）摘要通过地质分析的手段，对某缓倾岩层隧道塌方机理进行了详细分析，并总结了缓倾层状岩体和块状岩体两种类型塌方的地质力学模型。在此基础上，运用离散元强度折减法，探讨了强度折减路径与围岩稳定性判定指标的适用性，并得到了两种情况下隧道的整体安全系数。关键词缓倾岩层隧道塌方机理折减路径稳定性判定指标安全系数中图分类号Ｕ４５１＋．２文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１５）０２００４７０４ＣｏｌｌａｐｓｅＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＳｔａｂｉｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＲｏｃｋｏｆＴｕｎｎｅｌｉｎＧｅｎｔｌｙＩｎｃｌｉｎｅｄＲｏｃｋｍａｓｓＬｉＱｉｎｇｌｏｎｇ，ＤｅｎｇＨｕｉ，ＹａｎｇＸｉｕｃｈｅｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｈａｚａｒｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＧｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＤｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌｃｏｌｌａｐｓｅｉｓｍａｄｅｂｙｇｅｏａｎａｌｙｔｉｃａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｇｅｏｍｅ隧ｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｓｌｏｗｄｉｐｐｉｎｇｌａｙｅｒｅｄｒｏｃｋｍａｓｓａｎｄｂｌｏｃｋｅｄｒｏｃｋｍａｓｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅ隧，ｉｔｅｘｐｌｏｒｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎｐａｔｈａｎｄｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｂｙｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＵＤＥＣ．Ｆｉｎａｌｌｙｉｔｃｏｍｅｓｔｏｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒｔｈｅｓｅｔｗｏｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇｅｎｔｌｙｉｎｃｌｉｎｅｄｒｏｃｋｍａｓｓｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｌｌａｐｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｔｈｅｐａｔｈｏｆｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；ｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ１引言在缓倾角或水平岩层隧道施工时，隧道拱顶易出现弯折内鼓、张拉破坏和剪切滑移等现象，以致拱顶出现掉块或塌方，目前对于这类隧道的塌方机理和稳定性研究取得了较大的突破，张倬元［１］等提出了缓倾角或水平岩层围岩变形破坏的主要形式是弯折内鼓。郝文广［２］通过分析岩层层间拉应力与剪应力，得到了水平岩层离层的力学判据。杨修［３］运用结构力学的方法，分析了围岩破坏机理与岩层厚度及隧道跨度的关系。郑颖人等［４－５］运用有限元强度折减法分析均质、节理岩体隧道的破坏状态及其安全系数，将隧道稳定性引入到定量分析。本文通过对叙大铁路某缓倾岩层隧道围岩塌方机理及其稳定性数值模拟计算，系统总结了缓倾岩层隧道塌方的地质模型，并探讨了基于离散元强度折减法下的折减路径及围岩稳定性判定指标的合理性，以期为岩质隧道稳定性定量评价提供一些依据。２塌方概况叙大铁路某隧道位于四川省古蔺县境内，隧道全长７３３６ｍ，为一单线隧道。隧址区属低山～低中山区构造剥蚀地貌，斜坡沟谷、山间凹地地形，山高谷深，地形起伏较大。施工至ＤＫ７８＋２６５处时，爆破后排险期间，掌子面位置拱顶出现掉块、塌方现象，随后塌方区域扩大，掌子面后方已施作完毕段不断出现大掉块塌方现象，塌方段一直延伸至ＤＫ７８＋２２５处，整７４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（２）·隧道／地下工程·个断面大部分被塌方体堵塞，塌方段纵向长度和塌落高度等情况不明。塌方段揭示的围岩为奥陶系下统湄潭组页岩夹灰岩，薄层～中厚层状，岩层缓倾，并发育一组竖向节理，层面及节理的产状分别为３０５°∠８°，１１８°∠８８°（见图１）。图１塌方区地质剖面示意图３隧道围岩塌方机理隧道塌方段围岩主要为弱风化页岩，根据施工期的跟踪地质调查，掌子面揭露的岩体层面缓倾，部分施工段可见一组竖向节理，部分段未见明显节理，因此可分为层状岩体和块状岩体两种情况，分别分析其变形破坏机理。３．１层状岩体张拉－弯剪破坏导致隧道围岩失稳对于缓倾岩层，隧道开挖后，岩层会在自身重力和上覆岩体压力作用下向内弯曲。可将隧道拱顶上方最近的岩层近似看成水平的简支梁，由于岩体的抗拉强度较低，在简支梁弯矩最大处很容易发生张拉破坏，产生裂纹，这种破坏跟钢筋混凝土少筋梁的脆性破坏类似，在上覆岩体压力的作用下，岩层的小裂纹很快扩展贯通，简支梁断裂，形成悬臂梁。悬臂梁继续向下弯曲下沉，由于岩层面的抗拉强度很低，几乎为零，当层面上的剪应力超过其抗剪强度时，悬臂梁脱离上覆岩体，发生离层现象，当其挠度超过一定范围，岩层发生弯剪破坏，出现掉块现象（见图２）。当第一层简支梁失去承载力后，荷载向上覆岩层逐步转移，随即形成塌方。从力学机理来看，这类围岩变形破坏机理可总结为３个过程：岩层张拉破裂、层面剪切破坏、岩块弯剪破坏。３．２块状岩体结构面剪切破坏导致隧道围岩失稳大量的工程失稳实例表明：在两组交叉节理情况下，隧道围岩的失稳破坏，往往主要不是岩石材料本身的破坏，而是岩体结构失稳引起的。隧道拱顶为缓倾角层面，与另一组陡倾角节理交切，隧道开挖后，拱顶组合形成不稳定的块体，很容易出现坍塌（见图３）。该条件下，结构面的形态、延展尺度、密集程度和胶结充填情况等是影响岩体强度和围岩稳定性的重要因素。当结构面上的剪应力超过其抗剪强度时，不稳定块体随即破坏，出现塌方。从力学机理来看，这类围岩变形破坏机理表现为不稳定块体结构面的剪切破坏。图２层状岩体张拉－弯剪破坏力学模型图３控制性结构面剪切破坏力学模型４隧道围岩稳定性定量评价４．１离散元强度折减法计算原理离散元强度折减法计算原理是指不断降低隧道围岩岩体抗剪强度参数直至达到极限屈服状态［６］，即：′ｃ＝ｃＦ，ｔａｎφ′＝ｔａｎφＦ式中，ｃ、φ分别为岩体的黏聚力和内摩擦角；Ｆ为折减系数，极限屈服状态下的折减系数即为隧道围岩整体稳定安全系数。４．２模型建立模型１：计算边界选取为４２ｍ×４２ｍ（横向×竖向），模型内均匀分布一组节理，其方向与水平面的夹角为８°，岩层厚度为０．５ｍ。模型２：计算边界选取为４２ｍ×４２ｍ（横向×竖向），模型内均匀分布两组交叉节理，其方向与水平面的夹角分别为８°、８８°，岩层厚度为０．５ｍ，竖向节理间距为１ｍ，模型中间有一个６ｍ×８ｍ的马蹄形隧道（见图４和图５）。模型上边界采用应力边界条件约束，模拟自重应力条件；左、右边界和下边界采用位移边界条件。运用二维离散元软件ＵＤＥＣ进行计算。８４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（２）·隧道／地下工程·图４计算模型一图５计算模型二４．３计算参数模拟埋深约１８０ｍ的自重初始应力场，可近似认为模型上覆均为灰岩，在模型上表面施加应力３．５８６ＭＰａ。根据勘察设计资料［７］和《铁路隧道设计规范》［８］，岩块及节理物理力学参数取值见表１、表２。表１岩块力学参数重度／（ｋＮ·ｍ－３）!模／ＧＰａ泊松比黏聚力／ＭＰａ内摩擦角／（°）２１３．６０．３２０．４５３５表２节理力学参数法向刚度／（ＧＰａ·ｍ－１）剪切刚度／（ＧＰａ·ｍ－１）抗拉强度／ＭＰａ黏聚力／ＭＰａ内摩擦角／（°）１０４．６００．１２８４．４不同强度折减路径下围岩稳定性研究基于ＭｏｈｒＣｏｕｌｏｍｂ屈服准则的强度折减法，是将岩体的抗剪强度参数不断降低直至岩体达到极限屈服状态，岩块和节理的强度参数对围岩的稳定性影响不尽一致，为了更合理地分析不同强度折减路径下隧道围岩的稳定性，应考虑３种折减路径：单独折减岩块的强度参数、单独折减节理的强度参数、等比例折减岩块和节理的强度参数。对于缓倾层状岩体，３种折减路径下（见图６），强度折减参数对拱顶竖直位移的影响有较大差别，其中岩块的强度参数对围岩稳定性起主导作用，节理的强度参数对围岩稳定性也有一定影响。从这类岩体的变形破坏机理来看，围岩失稳包含岩块张拉－弯剪破坏和层面剪切破坏，围岩破坏与岩块和节理的强度均有直接联系，故应选择等比例折减岩块和节理的强度参数。对于块状岩体（见图７），折减节理的强度参数与等比例折减岩块和节理的强度参数两种折减路径下，隧道拱顶竖直位移差别极小，当提高岩块的强度参数时，拱顶位移有小幅减小，但对围岩稳定性几乎无影响。从这类岩体的变形破坏机理来看，隧道围岩失稳是由于结构面的剪切破坏，节理的强度参数对围岩稳定性有决定性影响，故折减节理的强度参数更为合理。图６层状岩体拱顶竖直位移与强度折减参数关系曲线图７块状岩体拱顶竖直位移与强度参数关系曲线４．５隧道围岩稳定性判定指标合理性研究目前利用强度折减法，判定隧道围岩整体是否稳定的依据主要有两种：最大节点不平衡力是否收敛和围岩特征点位移是否突变［４，９］。对于缓倾层状岩体，以等比例折减岩块和节理９４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（２）·隧道／地下工程·的强度参数为例（图６），当强度参数折减至１．６８时，计算不收敛，但此时拱顶位移已超过２ｍ，围岩已发生塑性破坏，如选取此时的折减系数为安全系数，显然不合理。选取以拱顶竖直位移突变时对应的折减系数１．５２为安全系数，此时对应的拱顶竖直位移为３２．６７ｃｍ，与《铁路隧道设计规范》附录Ｆ稳定性判别方法中的拱顶相对下沉值也相符，所以该类岩体以围岩特征点位移是否突变作为稳定性判定指标更为合理。对于块状岩体，以折减节理为例（图７），当隧道拱顶位移出现大变形时，最大节点不平衡力显示不收敛，两种判定指标下，隧道的安全系数几乎相等，此时两种判定指标具有一致性。４．６安全系数确定选择合理的强度折减路径及围岩稳定性判定指标，由图６、图７可得到两种模型的安全系数分别为１．５２、０．９５。由此可以推测，在隧道竖向节理发育段，围岩不稳定，形成塌方；在隧道未见竖向节理段，围岩较为稳定，该段岩层可能未出现塌方现象。在塌方体治理过程中，可根据施工期的跟踪地质调查、超前地质预报成果等，利用安全系数定量评价隧道围岩各区段稳定性，初步判断塌方段纵向延伸长度，为塌方体的进一步治理提供依据。５结论（１）缓倾岩层隧道塌方机理受岩层厚度、隧道跨度、岩体强度参数等多个因素的影响，可归结为两类：对于层状岩体，岩层张拉破裂－层面剪切破坏－岩块弯剪破坏最终导致围岩失稳；对于块状岩体，结构面剪应力超过其抗剪强度导致岩体剪切破坏失稳。（２）运用离散元强度折减法时，对于缓倾层状岩体，围岩稳定性受岩块和节理的强度共同影响，应等比例折减岩块和节理的强度参数；对于块状岩体，结构面的强度决定了围岩的稳定性，岩块强度对围岩稳定性的影响极小，可忽略不计，应折减节理的强度参数。（３）对于缓倾层状岩体，最大节点不平衡力不收敛时对应的安全系数偏大，围岩已处于塑性破坏，以围岩特征点位移是否突变作为隧道围岩稳定性判定指标更为合理；对于块状岩体，最大节点不平衡力收敛和围岩特征点位移突变两种判定指标具有一致性。（４）隧道围岩的变形破坏机理对强度折减路径的选择有决定性作用，分清围岩变形破坏机理，可为隧道稳定性定量评价与围岩支护结构优化设计提供重要依据。（５）运用强度折减法计算隧道围岩整体安全系数的方法是可行的，利用安全系数划分隧道塌方区各区段，可为塌方体的进一步治理提供理论依据。参考文献［１］张倬元，王士天，王兰生，等．工程地质分析原理［Ｍ］．北京：地质出版社，２００９．［２］郝文广．水平岩层隧道围岩变形机理研究与有限元分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（６）．［３］杨修．深埋水平岩层隧道开挖围岩稳定性分析［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１２．［４］郑颖人，王永甫，王成，等．节理岩体隧道的稳定性分析与破坏规律探讨：隧道稳定性分析讲座之一［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１１，７（４）：６４９－６５６．［５］郑颖人，丛宇．隧道稳定性分析与设计方法探讨讲座之二：隧道围岩稳定性分析及其判据［Ｊ］．隧道建设，２０１３，３３（７）：５３１－５３６．［６］雷远见，王水林．基于离散元的强度折减法分析岩质边坡稳定性［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（１０）：１６９３－１６９８．［７］中国中铁二院工程集团有限责任公司．叙大铁路某隧道施工图［Ｒ］．重庆：中国中铁二院工程集团有限责任公司，２０１１．［８］ＴＢ１０００３－２００５铁路隧道设计规范［Ｓ］．［９］曹雪．基于有限元强度折减法确定某隧道的安全系数［Ｊ］．公路交通技术，２００９（３）：１２２－１２４．读者至尊服务为本０５铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（２）