千枚板岩构造特性对隧道围岩稳定性的影响研究.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：王世强（），男，工程师。千枚板岩构造特性对隧道围岩稳定性的影响研究王世强刘勇章城詹力（四川川交路桥有限责任公司广汉 ）摘要围岩的构造特性会对其稳定性造成影响，文中以桂溪隧道为研究背景，借助 软件模拟，针对千枚板岩构造特性例如劣化程度、断层破碎带厚度等因素对隧道围岩稳定性的影响进行研究。结果表明，隧道稳定性与千枚板岩劣化程度、断层破碎带厚度与隧道埋深呈负相关；千枚板岩断层破碎带倾角与围岩稳定性呈正相关，而走向线对围岩稳定性几乎无影响。关键词千枚板岩围岩稳定性数值模拟塑性区高地应力中图分类号 隧道围岩稳定性对于隧道的整体稳定性有重要影响，而围岩构造特性又会显著影响其稳定性。因此，对围岩稳定性进行研究是保障隧道顺利安全施工的重要工作。众多学者对隧道围岩稳定性进行了多方面研究。汪成兵等认为隧址区地质、地形、水文条件、隧道埋深、断面形式及大小、设计选取的开挖和支护方式均会影响隧道围岩稳定性。任建喜等依托马鞍子梁隧道工程，对隧道围岩变形进行现场监测，并与数值计算模型预测的变形数据进行对比分析。毕旭冰等依托史家山号公路隧道项目，利用 软件，对隧道有、无断层和断层段不同的施工工法对隧道围岩的影响进行分析，得到断层的影响规律及适合断层隧道的施工工法。刘恺德等针对地质异常带，提出超长孔钻杆注浆与钻杆埋入钻孔相结合的新型超前支护技术。孙兴平等针对超大落差断层破碎带，提出了围岩改性局部强化主被动联合支护为主体的断层治理新技术。综上所述，学者们主要研究了施工工法与埋深等因素对隧道稳定性的影响，而对于围岩构造特性对隧道围岩稳定性的影响研究较少。因此，本文将结合桂溪隧道现场情况，采用理论分析与数值模拟相结合的方式，运用 软件对桂溪隧道进行模拟，进而研究千枚板岩构造特性、隧道埋深等因素对隧道围岩稳定性的影响。隧道模型 工程概况桂溪隧道进口位于四川省平武县，是九绵高速项目的重要组成部分。隧道左、右洞分别长 和 ，隧道进口至 段最大埋深 ，采用双向四车道形式，设计车速 。根据工程勘探资料，洞身段穿过韩家店组地层，韩家店组主要是以千枚状板岩（级围岩）、泥质灰岩（级围岩）为主的软质岩，大部分为千枚状板岩，受地质构造影响，岩石风化程度高，较破碎。根据地勘资料，隧道断层破碎带围岩物理力学参数见表。表隧道断层破碎带围岩物理力学参数围岩级别容重（）泊松比弹性模量 内摩擦角（）黏聚力 模型概述本文使用 数值模拟软件，隧道施工较为复杂，各种条件难以在模拟中全部呈现，为了能够准确高效地进行数值模拟，对隧道模型进行一定简化，模型基本假定如下。）由于隧道埋深较大，故只考虑岩体自重与地址构造力，忽略温度应力等其他影响较小的因素。）软件还原地下水困难，模型不考虑地下水的影响。）本构模型采用 模型。）数值分析过程仅考虑初期支护。建立的隧道数值分析模型见图。根据该隧道实际情况，隧道纵向、横向长度各取 ，模型左、右、前、后添加法向约束，下部边界全约束。图隧道数值分析模型隧道围岩稳定性判据 位移判定李宁等总结了隧道围岩稳定性判定的经验方法与规范推荐方法的不足之处，基于圆形洞室的弹塑性解析解与修正的芬纳公式，得到围岩塑性区半径为犚时的隧道断面临界沉降量计算公式见式（）。狌顶狉（槡犅）（）式中：犅犓犓犓（）其中：犓犈 （犎犮 ）（）犓犈 （犎犮 ）（）犓犚（）狉（）当考虑围岩黏聚力犮时，式（）进一步转化为狌顶狉（槡犅）（）式中：犅 犓犓犓（）其中：犓 犎（）犎（）（）犚（）狉（）经过验证，可知式（）和式（）计算得到的隧道围岩拱顶沉降符合相关规范的要求。相较于式（），式（）计算得到的拱顶沉降量较大，、类围岩增大约（增大幅度与黏聚力犮大小相关）。因此，结合隧道现场的具体情况，由式（）和式（）求得埋深为 ，洞径为 的隧道围岩极限位移值见表，其中围岩力学参数及物理指标参考 公路隧道设计规范。表隧道围岩极限位移值围岩级别假定塑性区深度式（）拱顶沉降量式（）拱顶沉降量 塑性区判定隧道开挖会导致隧道出现塑性区，然而出现塑性区只能说明围岩稳定性变差，不能证明围岩已经失稳。围岩极限塑性区与围岩稳定性之间的关系并不明朗，有待学者进一步研究。对于不同的隧道，围岩塑性区大小对隧道失稳影响的程度是不同的。基于以上两点，现阶段没有一种通用的方法能够准确判断隧道极限塑性区的大小。因此本文将隧道围岩塑性区半径的大小作为围岩稳定性优劣判断的次要依据。安全系数判定强度折减法是通过不断降低隧道围岩的黏聚力与内摩擦角直至围岩达到极限破坏状态，此时的折减系数定义为围岩的稳定安全系数 。安全系数可以定量评价隧道围岩的稳定性 。安全系数越大，隧道的稳定性越好。因此，本文以安全系数为主，位移、塑性区为辅对隧道的稳定性进行判定。隧道围岩稳定性分析在前文理论分析和软件建模的基础上，考虑千枚板岩厚度、走向线，以及隧道埋深等因素对隧道围岩稳定性的影响进行研究，初始工况参数见表。表初始工况参数表围岩等级断层破碎带厚度断层破碎带倾角（）断层破碎带走向线（）隧道埋深 千枚板岩断层破碎带厚度影响 工况参数根据该隧道地质勘测得到的地质情况，隧道通过的断层破碎带厚度介于，因此分别设置隧道断层破碎带厚度为，种工况，其余参数见表。模拟结果分析根据 模拟在不同断层破碎带厚度条件下的隧道围岩塑性区云图（见图），在厚度分别为，的断层破碎带条件下时，隧道围岩塑性区半径分别约为：，。年第期王世强等：千枚板岩构造特性对隧道围岩稳定性的影响研究隧道围岩塑性区半径与断层破碎带厚度呈正相关。因此，在断层破碎带厚度较大的地质段，应加强掌子面和隧道周边岩体的预加固处理，保障施工安全顺利。图不同断层破碎带厚度下隧道围岩塑性区云图在不同断层破碎带厚度下，隧道拱顶沉降计算云图见图，由图可知，不同断层破碎带厚度下，各 断 面 的 最 终 沉 降 分 别 为 ，。这表明在一定范围内，隧道拱顶沉降量与千枚板岩断层破碎带厚度呈正相关。根据断面沉降量数据可得，不同断层破碎带厚度下隧道围岩稳定性判定表，见表。图不同断层破碎带厚度下隧道拱顶沉降计算云图表不同断层破碎带厚度下围岩稳定性判定表断层破碎带厚度围岩极限位移值断面最终沉降强度折减法安全系数 由表可见，断层破碎带厚度越大，隧道围岩稳定性越差。数值模拟结果显示各个工况隧道围岩并未失稳。由于数值模拟过程中对隧道现场情况进行了一定的简化，未考虑地下水的影响，因此在实际施工过程中要密切监测隧道拱顶沉降，及时加以支护。千枚板岩断层破碎带倾角影响 工况参数隧道通过的千枚板岩断层破碎带倾角分布在 范围内，因此分别设置断层破碎带倾角为 ，种工况，其余参数见表。模拟结果分析通过 模拟在不同断层破碎带倾角条件下计算得到隧道塑性区云图见图，由图可见，各工况下围岩塑性区半径基本相同，约为，不同倾角塑性区变化不大。图不同断层破碎带倾角下隧道围岩塑性区云图根据数值模拟试验得到在不同断层破碎带倾角下隧道围岩拱顶沉降数据见图，采用强度折减法计算得到的各工况下的稳定安全系数见表。王世强等：千枚板岩构造特性对隧道围岩稳定性的影响研究 年第期图不同断层破碎带倾角下隧道拱顶沉降计算云图表不同断层破碎带倾角下围岩稳定性判定表断层破碎带倾角（）围岩极限位移值狌断面最终沉降狌犻强度折减法安全系数 由表可知，千枚板岩断层破碎带倾角越小，断层破碎带影响隧道的范围越大，最终表现为隧道拱顶沉降越大，隧道围岩稳定性越差。因此在隧道的实际施工过程中，针对开挖过程中穿越的小倾角断层破碎带应密切监测拱顶沉降，防止其危害隧道围岩稳定性。千枚板岩断层破碎带走向线影响 工况参数桂溪隧道轴线与断层破碎带走向线交角分布在 的范围内，因此本文分别设置千枚板岩断层破碎带走向与隧道轴线交角为 ，种工况。其余参数见表初始工况参数。模拟结果分析通过 模拟在不同断层破碎带走向线下计算得到的隧道围岩塑性区云图见图。由图可见，在不同走向线的千枚板岩断层破碎带，隧道围岩塑性区半径均约为。不同断层破碎带走向线下的隧道围岩塑性区半径和范围变化基本保持稳定。图不同断层破碎带走向下隧道拱顶塑性区云图根据数值模拟试验得到在各工况下隧道开挖推进过程中的拱顶沉降值、监测断面施作初期支护前的拱顶沉降计算云图见图，采用强度折减法计算得到的各工况下的稳定安全系数见表。图不同断层破碎带走向下隧道拱顶沉降计算云图表不同断层破碎带走向下围岩稳定性判定表断层破碎带走向（）围岩极限位移值断面最终沉降强度折减法安全系数 综合以上图表发现，千枚板岩断层破碎带走向线与隧道轴线的交角大小基本不影响隧道拱顶沉降值的大小和隧道围岩稳定性。隧道埋深影响 工况参数隧道开挖通过的千枚板岩断层破碎带最大埋 年第期王世强等：千枚板岩构造特性对隧道围岩稳定性的影响研究深 ，针对其对围岩稳定性研究，设置种工况分别为 ，种埋深。隧道埋深对隧道的主要影响是地应力的提高，高地应力使得隧道围岩受到的压强提高，因此可以通过改变模型表面压强的变化来模拟不同的隧道埋深。根据文献 的研究，隧道埋深与压强呈正相关，且每增加 埋深增加压强 。本文采用内插法计算种隧道埋深下隧道模型表面的压强。模拟结果分析根据 模拟在不同隧道埋深条件下隧道围岩塑性区云图见图。由图可见，在埋深分别为 ，的隧道，隧道围岩塑性区半径基本不变，大小约为。图不同隧道埋深下隧道塑性区云图根据数值模拟试验得到在各工况下隧道拱顶沉降计算云图见图。通过强度折减法计算得到的隧道围岩稳定性判定表见表。图不同隧道埋深下隧道拱顶沉降计算云图表不同隧道埋深下围岩稳定性判定表隧道埋深围岩极限位移值断面最终沉降强度折减法安全系数 综合以上图表，隧道埋深与拱顶沉降呈负相关，且隧道埋深越大，围岩稳定性越差。根据表显示的稳定性判据，不同埋深下隧道围岩均未失稳。但是由于数值模拟相对隧道实际问题有所简化，因此在实际情况下，隧道围岩应力条件更差，因此应对高地应力下千枚板岩断层破碎带加强监控。结论）千枚板岩断层破碎带厚度与隧道埋深增加时，隧道拱顶沉降与塑性区半径均有所增大，这表明隧道围岩稳定性降低，在隧道设计过程中要尽可能避免。）在不同千枚板岩断层破碎带倾角下，隧道围岩塑性区半径变化较小，但此时围岩稳定性与倾角呈正相关，因此在隧道的设计过程中尽量使隧道与断层破碎带的相交角度减小。）改变千枚板岩断层破碎带走向线，隧道围岩位移与塑性区半径基本不变，表明断层破碎带走向线对隧道围岩稳定性几乎无影响。参考文献张鹏，徐若诚，周刚隧道穿越断层破碎带安全施工技术施工技术，（增刊）：汪成兵，朱合华隧道塌方机制及其影响因素离散元模拟岩土工程学报，（）：任建喜，党超马鞍子梁软岩隧道围岩变形规律及支护技术模拟分析施工技术，（）：毕旭冰，吴孝清，刘胜春公路隧道穿越断层破碎带仿真分析交通科技，（）：刘恺德，刘泉声，刘滨，等地质异常带巷道稳定控制对策及效果研究岩石力学与工程学报，（）：（下转第 页）王世强等：千枚板岩构造特性对隧道围岩稳定性的影响研究 年第期 ，；，；，犇，犇，犇 犇，犇 ，犇犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；（上接第 页）孙兴平，陈建本，孙涛，等深井软岩高应力巷道过超大落差断层破碎带围岩控制技术煤矿安全，（）：李宁，陈蕴生，陈方方，等地下洞室围岩稳定性评判方法新探讨岩石力学与工程学报，（）：陈尚远穿越断层破碎带的大埋深隧洞支护机理与计算分析济南：山东大学，刘雨萌，张俊儒，何冠男，等基于强度折减法的高铁隧道全断面机械化作业围岩稳定性分析及支护优化研究隧道建设（中英文），（）：韩荣杰，欧湘萍，闫志濠，等初期支护参数对断层破碎带隧道围岩稳定性的影响研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：唐晓松，郑颖人，王永甫有限元强度折减法在隧道施工稳定分析与控制中的应用现代隧道技术，（）：，犛 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犲狅 犳犛 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犪 犾犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳犘 犺 狔 犾 犾 犻 狋 犻 犮犛 犾 犪 狋 犲狅 狀狋 犺 犲犛 狋 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔狅 犳犜 狌 狀 狀 犲 犾 犛 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵犚 狅 犮 犽犠犃犖犌犛 犺 犻 狇 犻 犪 狀 犵，犔 犐 犝犢 狅 狀 犵，犣犎犃犖犌犆 犺 犲 狀 犵，犣犎犃犖犔 犻（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；刘邦：穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究 年第期