隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征研究.pdf

文章编号:():./.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(.青岛市市政公用工程质量安全监督站 青岛市.青岛市地铁四号线有限公司 青岛市.中铁二十五局集团第五工程有限公司 青岛市.青岛理工大学 土木工程学院 青岛市)摘 要:岩体的节理是一种常见的构造地质现象也是影响岩体稳定性的重要因素之一节理的存在使得围岩的变形特征、应力变化以及完整性更加复杂 为了明确隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征采用 软件基于莫尔 库伦准则建立了节理岩体中的隧道施工模型通过改变节理倾角和节理间距分析不同工况条件下围岩的应力变化与围岩变形规律 结果表明: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 关键词:隧道工程节理岩体围岩变形特征数值模拟现场监测中图分类号:.文献标识码: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 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 隧道穿越节理岩体的三维数值模型.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 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、右线为分修的两北方交通 年 第 期条单线隧道采用矿山法施工区间隧道拱顶埋深在.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 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:()将地层视为半无限空间体()视岩土体为均质的、各向同性的连续介质()只考虑自重应力场不考虑岩土体的构造应力()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.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()模型尺寸根据已有研究成果可知隧道影响范围为(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: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 隧道拱底至模型底部约.模型中节理长度定义为 隧道长度取 左右线两条隧道沿开挖方向均设置 个开挖长度每个开挖长度均为 节理存在于模型中沿隧道开挖方向的微风化花岗岩 处()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 方向约束前后表面施加 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./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 板单元进行模拟锚杆采用植入式桁架进行模拟.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 所示界面单元的计算参数如表 所示表 地层及支护结构计算参数名称重度/()弹性模量/泊松比黏聚力/内摩擦角/()素填土.粉质粘土.微风化花岗岩.混凝土.锚杆.表 界面单元计算参数界面单元切向刚度/()法向刚度/()摩擦角/()黏聚力/节理 .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:()不同节理倾角下隧道的围岩变形分析()不同节理间距下隧道的围岩应力和围岩变形分析模型中选取的主要断面如图 所示 具体布置为:在左右隧道上各选取三个断面、分别位于 处 和 断面为隧道即将进入节理岩体中施工时的断面和 断面为隧道已在节理岩体中施工一段距离时选取的断面和 断面为隧道刚在节理岩体中施工完毕时的断面 每个隧道断面选取隧道拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰四个特征点来分析隧道在节理岩体中施工时不同倾角、不同间距下的隧道围岩变化规律图 模型中选取的监测断面图 数值模拟计算结果分析由于在隧道长度方向上 为隧道穿越节理岩体 因此着重研究 和 断面处隧道围岩变形特征.不同节理倾角下隧道围岩变形特征分析 年 第 期 李金明等:隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征研究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、和 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 时左线隧道开挖完成后 断面隧道围岩的竖向位移云图从图、图 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图 断面隧道围岩的竖向位移云图图 断面隧道围岩的竖向位移曲线图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.不同节理间距下隧道围岩变形特征分析()围岩水平位移结果计算分析提取不同节理间距下隧道 断面和 断面左拱腰和右拱腰的水平位移值绘制表格如表 所示表 不同节理间距下隧道各断面左、右拱腰水平位移值间距断面左拱腰/断面右拱腰/断面左拱腰/断面右拱腰/.由表 数据可知不同节理间距下隧道 断面左拱腰的水平变形大于右拱腰的水平变形这可能是因为隧道开挖过程中因节理面的存在岩体会发生相对滑动靠近节理面处的岩体产生剪切变形节理面上方的岩体沿着节理的倾向产生相对位移 断面和 断面左右两拱腰水平位移值随节理间距变化的趋势与 断面和 断面相同同样表现出随节理间距的增大水平位移值逐渐减小的趋势其原因为节理间距越大围岩受切割作用越轻微故围岩的变形越来越小稳定性越来越好()围岩竖向位移结果计算分析提取不同间距下隧道 断面和 断面拱顶、拱底的竖向位移值绘制表格如表 所示表 不同节理间距下各断面拱顶、拱底竖向位移值间距断面拱顶/断面拱底/断面拱顶/断面拱底/.从表 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 当节理北方交通 年 第 期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.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 断面和 断面作为监测断面 隧道拱顶埋深 围岩等级为级节理倾角 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 所示图 断面拱顶沉降模拟值与实测值对比曲线图图 中距监测断面的距离从 变化到 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.最大累计沉降实测值约为.误差约为.总体来看模拟值和实测值误差一般在 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 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参考文献 耿萍丁梯何悦等.节理岩体中隧道开挖后渗流场重分布影响因素研究.铁道标准设计():.刘君孔宪京.节理岩体中隧道开挖与支护的数值模拟.岩石力学():.吴军.节理岩体的力学行为及其对隧道围岩稳定性的影响研究.长沙:长沙理工大学.何长江冯君江南等.节理特性对顺层隧道破坏模式及稳定影响分析.地下空间与工程学报():.黄定一.穿越节理岩体隧道围岩稳定性及安全施工技术研究.成都:西南交通大学.郑颖人王永甫王成等.节理岩体隧道的稳定分析与破坏规律探讨隧道稳定性分析讲座之一.地下空间与工程学报():.梅松华.层状岩体开挖变形机制及破坏机理研究.武汉:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所).任杨茹.节理裂隙岩体隧道围岩变形及稳定性研究.天津:河北工业大学.张琴.隧道穿越断层破碎带围岩稳定性分析研究.长沙:长沙理工大学.梁中勇.不同倾角层理白云岩隧道围岩稳定性及悬空区锚杆支护优化.贵阳:贵州大学.杜帅.城区复杂环境下节理岩体隧道施工力学研究.重庆:重庆大学.(下转第 页)年 第 期 李金明等:隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征研究 (.).(上接第 页)(.).:.北方交通 年 第 期