砂泥岩互层厚度比对隧道围岩破坏机理的影响分析_刁吉.pdf

Chongqing Architecture54第 22 卷 总第 235 期0 引言软硬互层岩体是在长期地质历史中由自然力和地质应力共同作用形成的一种沉积或变质地层的独特组合。由于砂泥岩互层岩体的强度不足和在水平构造应力较高的地理位置极易遭到破坏等原因，在软硬互层地质中修建隧道、边坡等工程，容易出现围岩失稳、结构破坏、边坡坍塌等工程问题1-5。为了保证在软硬互层地质中修建的隧道、边坡等工程的稳定性，相关学者通过一系列物理模型试验和数值模拟对此进行了大量研究并取得了不错的成果。在室内试验方面，张桂民6等通过初步模拟试验探讨了倾角夹层和界面对软硬互层盐岩单轴抗压强度和破坏模式的影响规律；SongYF7等在地质分析和相似理论的基础上，设计了软、硬岩互层低角度边坡的室内模型试验，得到硬岩以张拉变形为主，软岩则以蠕变变形为主。试验虽然能得到较直观的试验结果，但费时费力，且离散型较强，难以保证试验结果的准确性。随着计算机的快速发展，数值模拟也为软硬互层岩体的研究提供了一种可靠途径，且其经济成本和时间成本都较低。陈宇龙8等利用离散单元法模拟了不同倾角下软硬互层岩体在单轴压缩下的破裂过程，结果表明随着倾角增大，岩体的强度和弹性模量都会增大且裂纹数量也在增加；姚池9等利用改进刚体弹簧的方法进行模拟，得到了不同围压条件对软硬互层岩石破坏的影响规律；HanB10等利用 FLAC3D对不同应力水平下的软硬互层岩体进行了三轴蠕变模拟，得到了岩体塑性区与软层岩体数量之间的关系。大多数学者对软硬互层岩体的数值研究都停留在室内试验（单轴、三轴等）条件下，而以实际隧道工程尤其是最容易发生围岩失稳的开挖阶段为模拟条件的较少，相较于单纯的常规试验条件，基于砂泥岩隧道开挖过程的围岩稳定性模拟更具有实际意义。综上，本文以重庆奉建高速路段关田隧洞为依托，考虑到砂泥岩互层隧道围岩的不连续性，采用离散元软件 PFC2D模拟了不同层厚比砂泥岩互层围岩隧道在无衬砌支护下的开挖过程，并通过分析隧道围岩极限破坏状态时的塌落程度和裂隙分布情况得到砂泥岩层厚比对隧道围岩的影响及其影响的主要区域。由于目前还没有针对砂泥岩互层围岩隧道的相关规范，通过这些结果可以优化该类隧道的设计方案，为结构荷载提供理论依据，降低围岩失稳破坏带来的损失，具有重大研究意义。收稿日期：2021-07-12作者简介：刁吉（1982），重庆人，本科，高级工程师，主要从事施工管理工作。AnalysisonEffectsoftheThicknessRatioofSand-MudstoneInterbeddingontheFailureMechanismofTunnelSurroundingRocksDiaoJi,DanChao,RanTeng,QuZhihao,HuangFeng,LiTianyongAbstract:Thesand-mudstoneinterbeddingisatypicalsofthardinterbeddingrockmass.Aftertunnelexcavation,theweakrockmassispronetounloadingandsliding,leadingtotheinstabilityandevencollapseofthetunnelsurroundingrock.Bychangingthethicknessratioofthesand-mudstoneinterbedding,andbasedontheGuantianTunnelofFengjianExpressway,thispaperadoptstheoverloadmethodconceptandthediscreteelementPFC2Dsoftwaretosimulatetheprogressivefailuremechanismofthesurroundingrocksaftertunnelexcavation.Thefollowingconclusionsweredrawn:Duringtheexcavationprocessofthetunnel,thetunnelsurroundingrockswithdifferentlayerthicknessratioshaveanapproximateandsmalldegreeofcollapseintheearlystage,andthecollapsearearatioisbetween1%and2.5%.Inthelaterstageoftheexcavation,thesurroundingrockofthetunnelwithalayerthicknessratioof2:1and2:2hasagreaterdegreeofcollapse,andthecollapsearearatioisabout1.4timesthatofalayerthicknessratioof2:0.5;Thecracksgeneratedonthetunnelsurroundingrockwithdifferentlayerthicknessratiosarelargelytensilecracks,andthatwithalayerthicknessratioof2:1hasthehighestnumberofcracks.Whenthelayerthicknessratiois2:0.5and2:2,only52.1%and61.4%ofthecracksaregenerated.Whenthelayerthicknessratiois2:0.5and2:1,thecracksintheentirefieldshowsymmetryandcontinuity.Keywords:sand-mudstone;layerthicknessratio;stabilityofsurroundingrocks;progressivedestruction;discreteelementdoi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.05.54基金项目：重庆市研究生联合培养基地项目（JDLHPYJD2020018）。引文检索：刁吉，但超，冉腾，等.砂泥岩互层厚度比对隧道围岩破坏机理的影响分析 J.重庆建筑，2023（5）：54-57.砂泥岩互层厚度比对隧道围岩破坏机理的影响分析刁吉1，但超1，冉腾1，屈志豪2，黄锋2，李天勇2（1重庆交通建设（集团）有限责任公司，重庆401121；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆400047）摘 要：砂泥岩互层是典型的软硬互层岩体，隧道开挖后软弱层岩体容易发生卸荷滑移，从而导致隧道围岩失稳甚至塌方等问题。通过改变砂泥岩层厚比，依托奉建高速关田隧道，基于超载法理念，利用离散元 PFC2D软件对隧道开挖后围岩的渐进破坏机理进行模拟，得出了以下结论：隧道开挖过程中，各层厚比隧道围岩在前期的塌落程度都相接近且较小，塌落面积比都处于 1%2.5%之间，开挖后期层厚比为 2:1 和 2:2 的隧道围岩塌落程度较大，塌落面积比约为层厚比为2:0.5 的 1.4 倍；各层厚比隧道围岩产生的裂隙皆以张拉裂隙为主，其中层厚比为 2:1 时的隧道围岩产生的裂隙数量最多，层厚比为 2:0.5 和 2:2 产生的数量仅有其52.1%和 61.4%，当层厚比为 2:0.5 和 2:1 时，全场裂隙具有对称性和连续性。关键词：砂泥岩；层厚比；围岩稳定性；渐进破坏；离散元中图分类号：U451.2 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）05-0054-0455材料与技术Material&Technology2023NO.051 工程概况奉建高速公路是银川至百色高速公路联络线安来高速公路重庆市与湖北省的交接段，关田隧道是该段中计划修建的一座山岭隧道，根据关田隧道施工设计说明及相关地勘资料，隧道呈弧线展布，关田隧道左洞起讫里程桩号：ZK17+446ZK20+500，长 3054m；右线起讫里程为 YK17+449YK20+450，长3001m。隧道最大埋深为 302m，进洞口隧道走向约 108，出洞口隧道走向约 193。拟建隧道围岩全部为 IV-V 级围岩，其中IV 级围岩主要为软岩和较软岩，岩体较破碎，受地下水影响较大，在拱部无支护时可能松动破坏，易出现坍塌及掉块；V 级围岩主要为砂泥岩互层，风化裂隙发育，层间结合一般较差，围岩无自稳能力，隧道易产生坍塌。根据地质勘查资料中的探孔结果得到砂泥岩互层段如图 1 所示。隧道所处砂泥岩层厚比大致为2:0.5，隧道周边砂泥岩层厚比范围处于 2:0.52:2 之间。图 1 关田隧道所处地段示意图（图中深色为泥岩层，浅色为砂岩层）2 数值模拟2.1模型建立离散元数值模拟，本文采用商业软件 PFC2D进行。模型将隧道高取为 10.3m，宽取为 12.7m。模型总体宽度 200m，高 113m，将岩体进行分层，泥岩与砂岩交替分布，首先在确定范围内生成一定密度的颗粒，其次对颗粒按照确定好的厚度进行分组，再对各组颗粒赋予参数来模拟软层、硬层，然后对隧道范围内的颗粒进行删除操作，模拟隧道施工开挖过程，最后通过施加围压直至围岩破坏，通过观察裂隙的发展情况能得知隧道对软硬互层岩体的稳定性的影响。为了研究砂泥岩层厚比对隧道围岩稳定性的影响，本文模拟了层厚比为 2:0.5、2:1、2:2 的砂泥岩互层，层厚比为砂岩与泥岩厚度之比。为了能观察到隧道的破坏过程，根据实际情况设置模型的上边界为自由面，其它边界面为固定面，在加载过程中左右面及底面维持 5MPa 的围压用于模拟岩层中的围压。在模型生成过程中，在模型不同深度处布设测量圈，以量测不同位置处的自重应力，为后续开挖提供竖向荷载。基于超载法进行加载，即假定岩体强度参数不变的前提下逐级增加荷载。砂泥岩互层围岩隧道开挖数值模拟模型见图 2，图中深色为泥岩层，浅色为砂岩层。a）层厚比为 2:0.5b）层厚比为 2:1c）层厚比为 2:2图 2 隧道穿过不同层厚比砂泥岩互层岩体数值模拟模型2.2模型材料参数为获得合理的细观参数，常需要选用不同的细观参数进行模拟试算，将试算所得模拟结果与室内试验结果进行对比分析，以获得合理的计算参数11。本文结合关田隧道勘察设计资料，以及室内土工试验中的岩石物理力学参数，对砂泥岩互层细观参数进行反复试算，确定了模型的细观参数，如表 1 和表 2 所示。表 1 软硬互层围岩砂岩（硬层）细观参数颗粒细观参数最小粒径/mm0.3粒径比1.66密度/（kg.m-3）2600摩擦系数0.37刚度比1弹形模量（GPa）4.5粘结细观参数抗拉强度/MPa23.1粘聚力/MPa21.7内摩擦角/（）40接触模量/GPa4.5表 2 软层互层围岩泥岩（软层）细观参数颗粒细观参数最小粒径/mm0.3粒径比1.66密度/（kg.m-3）2900摩擦系数0.32刚度比1弹形模量（GPa）1.0粘结细观参数抗拉强度/MPa4.2粘聚力/MPa4.2内摩擦角/（）33接触模量/GPa0.83 模拟结果分析数值模拟中，模型总共运行了 60000 步，图 3 为在每隔20000 步处取得的隧道围岩的坍塌情况。图 5 为在每隔 20000步处裂隙的扩展情况。通过对不同层厚比下运行过程的数值模拟结果分析来得到不同层厚比对围岩塌落和围岩裂隙扩展的影响。3.1围岩塌落过程分析为更好地对塌落现象进行量化分析，本文引入塌落面积比（塌落面积与隧道断面积之比）来描述塌落程度，如图 4 所示。可发现，随着运行步数的不断增加，各层厚比围岩的塌落现象都逐渐加剧。当运行至 20000 步时，各层厚比围岩仅发生了少量塌落，塌落面积比都处于 1%2.5%之间，其中处于围岩层厚比为 2:0.5 和 2:2 的隧道主要在泥岩层位置发生塌落，这是由于泥岩层强度较低，是隧道的薄弱部位，所以率先破坏；而层厚比Chongqing Architecture56第 22 卷 总第 235 期为 2:1 的围岩由于隧道处于砂岩层中，其上下的泥岩层能够吸收大部分荷载，发生塌落较少。当运行至 40000 步时，处于围岩层厚比为 2:0.5 和 2:2 的隧道塌落进一步加剧，塌落面积比分别增加了 75.5%和 91.2%，塌落区域较 20000 步时无改变；而处于围岩层厚比为 2:1 时的隧道，塌落面积比较 20000 步时增加了223.2%，除在原先位置塌落加剧外，其拱顶处的围岩也开始出现塌落，且出现了拱底隆起现象，这是因为拱顶上部的泥岩层更容易发生大变形，且拱顶本身处于高处临空的状态，在重力和地应力的作用下发生塌落的几率很大。而拱底区域与泥岩层相近，则会引起较大的底部隆起，也可能会造成围岩侵限或者其他危险。当运行至 60000 步时，各层厚比塌落区域较 40000 步时无明显变化，层厚比为 2:1 和 2:2 的塌落面积比较 2:0.5 有大幅度提高，其中层厚比为 2:1 的塌落面积比最大，达到了 8.621%。（1）20000 步（2）40000 步（3）60000 步a）隧道穿过层厚比为 2:0.5 软硬互层岩体塌落过程 （1）20000 步（2）40000 步（3）60000 步b）隧道穿过层厚比为 2:1 软硬互层岩体塌落过程 （1）20000 步（2）40000 步（3）60000 步c）隧道穿过层厚比为 2:2 软硬互层岩体塌落过程图 3 隧道穿过不同层厚比软硬互层围岩塌落过程图图 4 不同层厚比围岩塌落面积比3.2围岩裂隙扩展分析图 5 和图 6 分别为隧道穿过不同层厚比软硬互层岩体裂隙扩展图和裂隙类型及数量统计图。观察得到：砂泥岩互层岩体层厚比为 2:0.5 时，隧道围岩砂岩泥岩交接处泥岩层岩体先生成裂隙，随着上覆荷载的持续增加，其它泥岩层岩体也开始逐渐生成裂隙，当运行到 60000 步时，隧道围岩在拱顶砂岩位置也生成了裂隙，此时拱腰处围岩裂隙最为密集，全场产生的裂隙有 5384条，具有对称性和连续性（泥岩层裂隙分布连续），其中张拉裂隙3591 条，剪切裂隙 1793 条。层厚比为 2:1 时，同样是隧道围岩砂岩泥岩交接处泥岩层岩体先生成裂隙，随着上覆荷载的增加，其它泥岩层和隧道轮廓线附近的砂岩也开始出现裂隙，当运行到 60000 步时，裂隙生成情况加剧，此时距离隧道最近的泥岩层裂隙最为密集，全场产生的裂隙有 10331 条，具有部分连续性，无明显对称性，其中张拉裂隙 7010 条，剪切裂隙 3321 条。层厚比为 2:2 时，刚开始只有隧道拱脚泥岩处出现少量裂隙，随着上覆荷载的持续增加，其它泥岩层开始出现裂隙，但砂岩层未出现裂隙，当运行到 60000 步时，裂隙生成情况加剧，砂岩层依旧无裂隙，此时拱脚泥岩处裂隙最为密集，全场产生的裂隙有 6345条，具有对称性，无连续性，其中张拉裂隙 4272 条，剪切裂隙2123 条。综上可知，隧道开挖后，距离隧道轮廓线最近的泥岩层先产生裂隙，随着上覆荷载的增加，裂隙向其它泥岩层和隧道附近的砂岩扩展。泥岩层较厚时，砂岩层产生的裂隙几乎没有，层内裂隙由连续性转变为间断性。从整个岩体裂隙数量来看，裂隙数量随着泥岩层厚度的增加呈现倒“V”型变化趋势，在层厚比从2:0.5 向 2:1 变化的过程中，裂隙数量增加，在 2:1 向 2:2 过程中，裂隙数量减少。虽然层厚比为 2:2 时产生的裂隙较 2:1 时明显减少，但因其产生位置都处于泥岩层，泥岩层更容易发生破坏，所以其塌落面积比与层厚比为 2:1 时接近。（1）20000 步（2）40000 步（3）60000 步a）隧道穿过层厚比为 2:0.5 软硬互层岩体裂隙扩展图（1）20000 步（2）40000 步（3）60000 步b）隧道穿过层厚比为 2:1 软硬互层岩体裂隙扩展图57材料与技术Material&Technology2023NO.05（1）20000 步（2）40000 步（3）60000 步c）隧道穿过层厚比为 2:2 软硬互层岩体裂隙扩展图图 5 隧道穿过不同层厚比软硬互层岩体裂隙扩展图图 6 60000 步时围岩产生的裂隙类型及数量4 结论结合关田隧道工程地质勘查资料和室内土工试验结果对砂泥岩互层隧道开挖进行数值模拟，通过模拟隧道在不同层厚比砂泥岩互层时开挖对围岩的影响，得到以下结论：（1）当模拟运行至 20000 步和 40000 步时，各层厚比隧道围岩塌落面积比相差不大，而当模拟运行至 60000 步时，层厚比为2:0.5的隧道围岩塌落面积比明显较小，仅有5.98%，层厚比为2:1和 2:2 时则分别为 8.62%和 8.28%；（2）各层厚比隧道围岩全场裂隙以张拉裂隙为主，其数量为剪切裂隙的 2 倍左右。其中层厚比为 2:1 时的裂隙数量最多，达到了 10331 条。当层厚比为 2:0.5 和 2:1 时，全场裂隙具有对称性和连续性；（3）砂泥岩互层层厚比为 2:0.5 是关田隧道所处实际围岩环境，通过观察模拟结果，可发现隧道拱腰处泥岩将产生密集性裂隙并伴随坍塌风险，所以在实际设计与开挖中应加强对此处的超前支护，提高加固等级，并实时监测此处的应力位移变化情况，以免发生安全事故。参考文献：1李昂，邵国建，范华林，等.基于细观层次的软硬互层状复合岩体力学特性研究 J.岩石力学与工程学报，2014（S1）：3042-3049.2邓少军，阳军生.水平互层岩体隧道稳定性数值分析 J.中国科技信息，2019（16）：77-79.3熊良宵，杨林德.互层状岩体黏弹塑性流变特性的数值分析 J.岩石力学与工程学报，2011（S1）：2803-2809.4姬同旭，杨根兰，吴维义，等.丹霞地貌区某软硬互层公路边坡变形破坏机制物理模拟研究 J.公路，2020（4）：28-33.5DuveauG,ShaoJF.AmodifiedsingleplaneofweaknesstheoryforthefailureofhighlystratifiedrocksJ.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1998,35(6):807-813.6张桂民，李银平，杨长来，等.软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究 J.岩石力学与工程学报，2012（9）：1813-1820.7SongYF,ChenCX,ZhengY,etal.Modelexperimentalstudyofdeformationandfailuremechanismoflow-angledslopeswithinterbeddingofsoftandhardrocksJ.RockandSoilMechanics,2015,36(2):487-494.8陈宇龙，张宇宁，李科斌，等.单轴压缩下软硬互层岩石破裂过程的离散元数值分析 J.采矿与安全工程学报，2017（4）：795-802+816.9姚池，李瑶，姜清辉，等.应力作用下软硬互层岩石破裂过程的细观模拟 J.岩石力学与工程学报，2015（8）：1542-1551.10HanB,FuQ,WangC.NumericalSimulationforCreepCharacteristicsofSoftandHardInterphaseRockMassJ.JournalofPhysicsConferenceSeries,2020,1600:012075.11丛宇，王在泉，郑颖人，等.基于颗粒流原理的岩石类材料细观参数的试验研究 J.岩土工程学报，2015（6）：1031-1040.责任编辑：刘艳萍