缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07010405缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律刘一炜1，2 陈彬科1，2 张志强1，21.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031摘要 以渝黔铁路（重庆贵阳）老周岩隧道为工程背景，采用三维离散元数值模拟方法，分别研究了不同岩层层理倾角和侧压力系数条件下隧道底部结构变形特征和裂缝发展规律。结果表明：隧道底部结构隆起量和中轴线两侧隆起不对称程度均随倾角、侧压力系数的增大而增大，底部结构隆起量最大值出现在层理方向与隧道底部相切位置；底部结构裂缝张开量、剪切滑移量和分布范围均随倾角、侧压力系数的增大而增大；随倾角增大裂缝发展最显著位置由仰拱中心向右墙脚移动，随侧压力系数增大裂缝向深部扩展程度增大，底部结构三角形破裂区域范围也逐渐增大。关键词 铁道隧道；变形规律；数值模拟；缓倾层状岩体；黏合块体模型；倾角；侧压力系数中图分类号 U459.1 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.20引用格式：刘一炜，陈彬科，张志强.缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律 J.铁道建筑，2023，63（7）：104108.我国多山区域广泛分布着大量缓倾层状岩体。缓倾层状岩体具有显著各向异性和结构面弱化特征，使得其力学特征、破坏机理与其他岩体相差较大。部分已建和在建的缓倾层状围岩隧道底部出现病害。国内外学者采用数值模拟方法对层状岩体隧道变形的发生机理、影响因素和特征作了大量研究。张乾1探讨了缓倾岩层条件下岩层倾角和侧压力系数对初期支护结构变形和受力的影响，得出初期支护结构偏压受力随倾角增大而增大，随层厚增大而减小。王焱等2通过数值模拟得出重庆道真隧道底鼓对称性受岩层倾角控制，岩层倾角越接近 45底鼓越不对称。李赤谋等3采用数值模拟得出某层理发育软岩隧道由于层理倾斜变形不对称，由于结构面两侧岩体向临空方向滑动，最大位移发生在顺层理走向的结构面的隧道洞壁出露处。王亚琼等4以云南昭乐高速铁路轿顶隧道为工程依托，采用三维离散元数值模拟方法分析得 出 隧 道 围 岩 位 移 随 侧 压 力 系 数 增 大 而 增 大。Anagnostou5采用宏微观相结合的手段，揭示了膨胀围岩隧道底鼓机理。Wang等6通过建立极限分析模型研究了层状岩体隧道破坏机理和破坏模式。陈洋宏等7选取侧压力系数、岩层倾角、厚度、弹性模量、隧道埋深5种影响因素，通过有限差分法建立数值模型，研究得到单一影响因素和多因素耦合作用下隧道底鼓变形规律。渝黔高速铁路老周岩隧道位于重庆市綦江区赶水镇，全长7 536 m。隧道最大埋深414 m，隧址区地层岩性以侏罗系中统上沙溪庙组砂岩为主，富水性弱，岩石单轴饱和抗压强度47 MPa。根据施工资料，隧道底部结构变形较大，变形较大区域岩层倾角在1030，为缓倾岩层8。本文采用三维离散元数值分析软件研究缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律。1 数值模拟 1.1模型建立结合现场实际情况和圣维南原理，建立三维整体模型，尺寸为90 m（长）宽10 m（宽）90 m（高），见图1（a）。为进一步研究隧道变形及裂缝发展规律，引入 黏 合 块 体 模 型（Bonded Block Modeling，BBM）。BBM由一系列非常小的四面体组成，见图1（b）。BBM在三维离散单元法程序（3 Dimension Distinct Element Code，3DEC）中被用于分析岩体裂缝扩展和岩体破碎情况。由于块体尺寸足够小，因此假定块体是弹性的，块体之间的接触面处于弹塑性状态，破坏沿着这收稿日期：20221006；修回日期：20230426基金项目：国家自然科学基金高铁联合基金（U1934213）第一作者：刘一炜（1999），男，硕士研究生。E-mail:通信作者：张志强（1968），男，教授，博士。E-mail:第 7 期刘一炜等：缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律些接触面发生9。同时考虑计算效率及隧道裂缝影响范围，BBM尺寸取30 m（长）宽10 m（宽）高30 m（高）。假定整体模型中BBM以外区域为完整岩体。岩体采用摩尔库仑弹塑性模型模拟。整体模型底部和四周施加法向约束，顶部施加分布荷载模拟上部岩体压力。1.2参数确定岩体、层理面参数根据现场测试结果和地勘报告确定，分别见表1、表2。1.3计算工况选取三种层理倾角（）、六种侧压力系数（），设置九种工况，见表3。2 计算结果与分析 2.1层理倾角对层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展影响2.1.1隧道变形工况1工况3隧道竖向位移云图见图2。可知：隧道变形以底部结构隆起为主。=0时，底部结构隆起沿隧道中轴线对称分布；=15时，底部结构隆起量整体上比=0时有所增大，且底部结构右侧隆起量大于左侧；=30时，底部结构隆起量整体上比=15时进一步增大，两侧隆起非对称性更加明显。以仰拱中心为对称点，从左到右选取 9个测点。提取各测点数据，绘制不同下隧道底部结构隆起量分布图，见图3。由图3可知：随着倾角增大，隧道底部结构隆起量逐渐增大。=0时仰拱中心5号测点隆起量最大，其值为 11.39 mm；=15时右侧 7 号测点隆起量最大，其值约16.39 mm；=30时右侧8号测点隆起量最大，其值约20.56 mm。隆起量最大值均出现在层理方向与隧道底部相切位置。2.1.2裂缝形态以=0时隧道底部开挖为例对裂缝形态进行分析。将隧道底部层状围岩近似为水平层状岩梁，岩梁从隆起到破坏分为三阶段，如图4所示。其中红色线表示单条张拉裂缝，黑色线表示裂缝贯通后形成的宏观滑移面。第一阶段为张拉裂缝产生阶段。在层状岩体隧道开挖卸载后，由于各种施工荷载和卸载作用，顶层围岩在两侧应力的挤压作用下将向隧道临空面一侧移动，层间出现分离，类似于简支梁变形特征10，此时底部结构顶层岩梁中间位置受拉，逐渐出现张拉表1岩体参数重度/（kNm-3）25弹性模量/GPa2泊松比0.3内摩擦角/()30黏聚力/MPa1.75表2层理面参数法向刚度/(GPam-1)7.2剪切刚度/(GPam-1)3抗拉强度/MPa0.08黏聚力/MPa0.48内摩擦角/()25表3计算工况工况/（）123450153015152.02.02.01.01.3工况/（）6789151515151.61.82.02.2图3不同下隧道底部结构隆起量分布图2工况1工况3隧道竖向位移云图（单位：m）图1计算模型105铁道建筑第 63 卷裂缝。第二阶段为裂缝贯通阶段。伴随着顶层岩梁的失效，下一层岩梁出现临空面，开始承受隧道底部围岩释放的应力，然后重复第一层岩梁破坏过程，破坏依次传递到下方岩层。裂缝所穿的各层岩梁的破坏范围由上到下逐渐减小。第三阶段为仰拱隆起破坏阶段。各层岩梁的不均匀隆起变形和内部块体的剪切滑移，导致岩梁内部裂缝不断扩展，最终层间裂缝相互贯通形成宏观滑移面，裂缝张开量和剪切滑移量增大，直至仰拱隆起破坏。工况1工况3洞周裂缝形态见图5。由图5可知：当=0时，底部结构裂缝张开量和剪切滑移量最大值分别为4.70、5.03 mm，均出现在仰拱中心附近。增至15和30时，裂缝张开量最大值分别为6.66、7.48 mm，裂缝剪切滑移量最大值分别为7.15、11.06 mm，均出现在底部结构右侧。由于岩层倾斜，岩梁中部并不在隧道底部中间。随增大，裂缝张开量和剪切滑移量最大值出现位置，即裂缝发展最显著位置由仰拱中心向右墙脚移动。当 =0时，洞周附近小范围出现环向裂缝，拱顶和仰拱处裂缝分布范围较大，拱腰及边墙处分布范围较小。随增大，底部结构形成的近似三角形破裂区域范围逐渐增大，洞周其他位置裂缝分布范围也在增大。2.2侧压力系数对层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展影响2.2.1隧道变形工况4工况9隧道竖向位移云图见图6。由图6可知：随增大，隧道底部结构最大隆起量不断增大。底部结构右侧隆起比其他位置明显。各工况最大隆起量均位于底部结构右侧。以仰拱中心为对称轴，从左到右选取 9个测点。提取各测点数据，绘制不同下隧道底部结构隆起量分布图，见图7。可知：为1.0，1.3，1.6，1.8，2.0，图5工况1工况3洞周裂缝形态（单位：m）图4隧道底部结构破坏发展过程图7不同下隧道底部结构隆起量分布图6工况4工况9隧道竖向位移云图（单位：m）106第 7 期刘一炜等：缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律2.2时，隧道底部结构最大隆起量分别为6.96、10.40、14.10、18.97、22.62、28.84 mm。与 =1.0 时相比，底部结构最大隆起量比 =2.2 时增大了 3.14 倍。=1.0 1.6时，随增大底部结构各测点隆起量增长缓慢；=1.6 2.2时，底部结构各测点隆起量增长较快。不同下最大隆起量均出现于测点7（底部结构右侧）。2.2.2裂缝形态工况4工况9洞周裂缝形态见图8。由图8可知：为1.0、1.6、2.2时，裂缝张开量最大值分别为2.87、3.57、4.70 mm，裂缝滑移量最大值分别为4.80、5.40、7.50 mm，均位于底部结构右侧，随增大，张开量和滑移量均逐渐增大，底部结构整体张拉破坏和剪切破坏程度加剧。裂缝分布范围在仰拱较大，其次是拱顶，拱腰和边墙处较小。=15时，随增大，围岩因受两侧挤压作用增强，裂缝张开量和滑移量增大，裂缝向深部扩展的程度增大，因此底部结构形成的近似三角形破裂区域范围也逐渐增大。2.3现场监测与数值计算结果对比分析由于老周岩隧道多处隧道底部结构变形较大。在D2K88+120D2K88+834选取两个断面（=15、=1.8和=15、=2.0），各布置9个测点对底部结构变形进行监测。两个断面隧道底部结构隆起量数值模拟值和现场实测值对比见图9。可知：两者较接近，说明数值模拟值比较准确。3 结论 采用数值模拟方法，分析了不同层理倾角和侧压力系数下隧道底部结构变形和裂缝发展规律。主要结论如下：1）隧道底部结构隆起量和中轴线两侧隆起不对称程度均随倾角、侧压力系数的增大而增大，底部结构最大隆起量出现在层理方向与隧道底部相切位置。2）底部结构裂缝张开量、剪切滑移量和分布范围均随倾角、侧压力系数的增大而增大。随倾角增大，裂缝发展最显著位置由仰拱中心向右墙脚移动。随侧压力系数增大，围岩受两侧挤压作用增强，裂缝张开量和滑移量增大，底部结构三角形破裂区域范围也逐渐增大。参考文献1 张乾.高地应力（近）水平岩层隧道开挖稳定性及初期支护结构受力特性分析 D.成都：西南交通大学，2021.2 王焱，翁梅.层状岩体隧道底鼓非对称变形研究 J.煤矿安全，2018，49（9）：83-86.3 李赤谋，吴忠仕，褚存，等.层状节理对软岩隧道的变形影响及对策研究 J.中外公路，2020，40（6）：219-222.4 王亚琼，杨强，潘红伟，等.基于3DEC模拟的高地应力水平层状隧道围岩变形破坏特征分析 J.现代隧道技术，2022，59（4）：127-136，146.5 ANAGNOSTOU G.A Model for Swelling Rock in TunnellingJ.Rock Mechanics and Rock Engineering，1993，26（4）：307-331.6 WANG Z，QIAO C，SONG C，et al.Upper Bound Limit Analysis of Support Pressures of Shallow Tunnels in Layered Jointed Rock StrataJ.Tunnelling and Underground Space Technology，2014，43：171-183.7 陈洋宏，万晓燕，刘志强.高地应力缓倾软硬互层岩体中隧道底鼓影响因素模拟分析 J.铁道建筑，2020，60（2）：65-69.8 李沁羽.倾斜岩层圆形基坑破坏模式及支护方式初步研究D.重庆：重庆交通大学，2020.图8工况4工况9洞周裂缝形态（单位：m）图9两个断面隧道底部结构隆起量数值模拟值和现场实测值对比107铁道建筑第 63 卷9 石崇，褚卫江.块体离散元数值模拟技术及工程应用 M.北京：中国建筑工业出版社，2016.10 刘丁丁.水平层状围岩超大断面隧道底部结构隆起变形机理研究 D.成都：西南交通大学，2021.Deformation and Crack Development Laws of Bottom Structure of Gently Inclined Layered Rock Mass TunnelLIU Yiwei1，2，CHEN Binke1，2，ZHANG Zhiqiang1，21.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，ChinaAbstract Taking the Laozhouyan Tunnel of the Chongqing-Guiyang Railway as the engineering background，a three-dimensional discrete element numerical simulation method was used to study the deformation characteristics and crack development laws of the tunnel bottom structure under different rock inclined angles and lateral pressure coefficients.The results show that the amount of uplift at the bottom of the tunnel and the degree of asymmetry on both sides of the central axis increase with the increase of inclined angle and lateral pressure coefficient.The maximum amount of uplift at the bottom of the tunnel occurs at the position where the bedding direction is tangent to the bottom of the tunnel.The opening amount，shear slip amount，and distribution range of cracks in the bottom structure increase with the increase of inclined angle and lateral pressure coefficient.As the inclined angle increases，the most significant position for crack development moves from the center of the inverted arch to the right foot of the wall.As the lateral pressure coefficient increases，the degree of crack propagation towards the deep increases and the triangular fracture area range of the bottom structure gradually increases.Key words railway tunnel；deformation law；numerical simulation；gently inclined layered rock mass；adhesive block model；inclined angle；coefficient of lateral pressureCitation format：LIU Yiwei，CHEN Binke，ZHANG Zhiqiang.Deformation and Crack Development Laws of Bottom Structure of Gently Inclined Layered Rock Mass Tunnel J.Railway Engineering，2023，63（7）：104108.（编辑：葛全红 校对：郑冰）108