鄧祥輝，趙志清，王 睿，盧澤霖

(西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021)

層狀巖體是世界上分布較為廣泛的一種巖體.據(jù)分析，自然界中具有層狀結(jié)構(gòu)的沉積巖體約占陸地面積的66%，而我國占到了77%[1].因此，在地下工程中會經(jīng)常遇到不同地質(zhì)構(gòu)造的層狀巖體.工程實踐表明，在這些不同地質(zhì)構(gòu)造的層狀巖體中開挖洞室后，常常會出現(xiàn)順層滑移，彎曲變形，彎折破壞，甚至是局部坍塌等工程問題[2-4].

在隧道工程中，由于層狀節(jié)理面和結(jié)構(gòu)面傾角的影響，隧道開挖后容易出現(xiàn)局部掉塊、巖體順層滑移、彎曲變形以及彎折破壞等工程問題.因此，許多學者針對不同傾角和層厚的層狀巖體開展了廣泛的研究.文獻[5]采用巖石破裂過程分析軟件RFPA，針對不同傾角層狀軟弱結(jié)構(gòu)面，分析了隧道開挖后的變形破壞特征，認為結(jié)構(gòu)面傾角增大對邊墻的受力有不利影響；文獻[6]采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同傾角層巖隧道錨桿支護力，得出傾角在25°～65°范圍內(nèi)，錨桿軸力隨巖層傾角的增大而增大的趨勢明顯；文獻[7]研究了水平薄層巖體大跨度地下洞室的穩(wěn)定性；文獻[8]總結(jié)了薄層狀煤巖巷道的不均勻破壞特征，提出了以錨桿、錨索和注漿等主動支護為主體的整體式封閉支護方式；文獻[9]針對軟巖厚煤層，進行了三維相似模擬試驗，分析了開采覆巖破壞特征，認為在未充分采動前覆巖裂隙帶范圍總體趨勢是按“梯形”的方式向上向前擴展的.

目前，對層狀圍巖隧道穩(wěn)定性的研究[10-12]，大多數(shù)學者采用有限元計算軟件進行模擬[13-14]，而且主要是對單因素進行分析，很難反映層狀圍巖隧道圍巖變形、穩(wěn)定性以及破壞的特征.因此，文中擬在考慮層狀巖體結(jié)構(gòu)面的不同傾角和不同層厚的情況下，通過離散元軟件模擬層狀圍巖隧道變形和失穩(wěn)的過程和特征.

1 數(shù)值模型及參數(shù)選取

1.1 計算模型及邊界條件

采用離散元分析軟件UDEC進行數(shù)值模擬，分析模型不考慮設(shè)置支護措施，僅分析開挖后毛洞的穩(wěn)定狀態(tài).隧道開挖斷面定為直墻半圓拱形，隧道采用全斷面的開挖方式.

根據(jù)彈性力學中的圣維南原理，隧道開挖施工以后，相應的應力重分布只發(fā)生在靠近洞室的一定范圍內(nèi)，根據(jù)目前的研究[15]，當隧道開挖范圍超過5倍洞徑，可認為開挖對圍巖影響較小.因此，建模時模型尺寸取水平方向為5倍洞跨距離；在豎直方向上，可根據(jù)工程實際情況進行取值.同時為了減少計算單元的數(shù)量，簡化計算，建模時將部分厚度的地層進行建模，而其余部分的地層換算成等效荷載加載在模型上部.位移邊界條件：下部邊界為固定邊界，X、Y向位移為零，左右方向上施加水平約束，X向位移為零.文中建立的力學模型是平面應變模型，為了不使模型發(fā)生垂直于平面方向的位移，給模型施加前后方向的應力σzz.

1.2 巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)

在層狀圍巖中，由于巖層為沉積巖，一般在工程中經(jīng)常會遇到，這樣的巖層以泥巖、砂巖居多，因此文中研究模擬計算的對象為砂巖.根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70/2-2014)和《工程地質(zhì)手冊》(第四版)，對砂巖的相關(guān)物理力學參數(shù)進行取值，模擬分析的參數(shù)見表1和表2.

表1 巖體力學參數(shù)取值

在數(shù)值模擬計算中，需要確定巖體的體積模量K和剪切模量G，計算公式分別為

K=E/3(1-2μ)

(1)

G=E/2(1+μ)

(2)

根據(jù)表1中的砂巖的彈性模量E和泊松比μ，可得到參數(shù)K為5.6×109Pa，G為4.2×109Pa.

表2 結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)取值

1.3 計算工況

由于巖層傾角和層厚是層狀圍巖自穩(wěn)性重要的影響因素[16]，因此，分別對巖層傾角和層厚進行假定.從自然界中的層巖傾角來看，各種傾角都有，為使研究不失一般性，巖層傾角分別假定為0°、15° 、30°、45°、60°、75° 和90°.根據(jù)目前層狀巖體層厚的分類，分別取層厚為1.20 m、0.75 m、0.30 m和0.10 m代表巨厚層、厚層、中厚層和薄層.考慮到公路隧道單向雙車道的情況比較多，計算開挖跨度取12.0 m.因此，針對層狀圍巖不同傾角和層厚的情況，共需建立28(7×4)種模型.典型計算模型如圖1所示.

圖1 計算模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對上述建立的28種模型進行分析，經(jīng)過循環(huán)迭代運算，得到計算結(jié)果.為了使計算效果更好，將計算結(jié)果通過后處理軟件TECPLOT進行處理.

2.1 位移分析

2.1.1 豎向位移分析

根據(jù)前面的分析，分別對巖層傾角0°、15° 、30°、45°、60°、75° 和90°以及厚度0.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的情況進行數(shù)值模擬，模擬得到的28種工況的最大豎向位移計算結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同傾角對應的最大豎向位移

從圖2可見，當結(jié)構(gòu)面傾角在0°～30°之間時，層狀圍巖隧道圍巖豎向位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而逐漸增大；傾角在30°時，層狀圍巖隧道圍巖豎向位移出現(xiàn)最大值，最大值為9.9 cm；當結(jié)構(gòu)面傾角在30°～90°之間時，層狀圍巖隧道圍巖豎向位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而逐漸減?。欢斀Y(jié)構(gòu)面傾角為90°時，層狀圍巖隧道圍巖最大豎向位移減小到1.2 cm.因此，層狀圍巖隧道圍巖的豎向位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律.同時，巖層層厚與圍巖豎向位移也表現(xiàn)出較強的相關(guān)性.當巖層層厚為0.10 m時，隧道開挖后圍巖最大豎向位移為9.9 cm；當巖層層厚為0.30 m時，隧道開挖后圍巖最大豎向位移為8.4 cm；當巖層層厚為0.75 m時，隧道開挖后圍巖最大豎向位移為6.8 cm；當巖層層厚為1.20 m時，隧道開挖后圍巖最大豎向位移僅為5.0 cm，是0.10 m層厚圍巖最大豎向位移值的50.5%.因此，隨著巖層層厚的增加，隧道開挖后圍巖的豎向位移出現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律.從計算過程看，不同傾角的巖層，最大豎向位移的位置也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.為體現(xiàn)不同傾角豎向位移的變化，本文以0.30 m的巖層層厚，0°、30°、90°的巖層傾角進行說明.不同傾角豎向位移云圖如圖3所示.

由圖3可知，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大，豎向位移云圖中有離層現(xiàn)象出現(xiàn)，當結(jié)構(gòu)面傾角為30°時，離層現(xiàn)象較明顯，且這些離層的傾斜方向與結(jié)構(gòu)面的傾角方向大體一致；當結(jié)構(gòu)面傾角為0°和90°時，最大豎向位移發(fā)生在拱頂處，且?guī)r體豎向位移云圖呈對稱性分布；當結(jié)構(gòu)面傾角為30°時，最大豎向位移發(fā)生在拱腰處，且?guī)r體豎向位移云圖呈非對稱性分布.

圖3 不同傾角層狀圍巖隧道的豎向位移圖

2.1.2 水平位移分析

水平位移數(shù)值模擬的工況同豎向位移的相同，模擬得到的28種工況的最大水平位移計算結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同傾角對應的最大水平位移

從圖4可見，當結(jié)構(gòu)面傾角在0°～45°之間時，層狀圍巖隧道圍巖水平位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而逐漸增大；傾角在45°時，層狀圍巖隧道圍巖水平位移達到最大，最大值為11.4 cm；當結(jié)構(gòu)面傾角在45°～90°之間時，層狀圍巖隧道圍巖水平位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而逐漸減??；而當結(jié)構(gòu)面傾角為90°時，層狀圍巖隧道圍巖最大水平位移減小到1.8 cm.因此，層狀圍巖隧道圍巖水平位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律.同時，巖層層厚與圍巖水平位移也表現(xiàn)出一定的相關(guān)性.對于0.10 m、0.30 m和0.75 m的巖層，當結(jié)構(gòu)面傾角大致在15°～90°之間時，層狀圍巖隧道圍巖水平位移隨著巖層層厚的增加而逐漸減?。粚τ?.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的巖層，當結(jié)構(gòu)面傾角大致在60°～90°之間時，層狀圍巖隧道圍巖水平位移隨著巖層層厚的增加而逐漸減小.因此，隨著巖層層厚的增加，層狀圍巖隧道圍巖水平位移大致表現(xiàn)為逐漸減小的規(guī)律.

與豎向位移同樣，從計算過程看，不同傾角的巖層，最大水平位移的位置也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.為體現(xiàn)不同傾角水平位移的變化，以0.30 m的巖層層厚，0°、45°、90°的巖層傾角進行說明.不同傾角水平位移云圖如圖5所示.

圖5 不同傾角層狀圍巖隧道的水平位移圖

由圖5可知,當結(jié)構(gòu)面傾角為0°時，最大水平位移出現(xiàn)在左右拱腰處，且最大水平位移云圖呈對稱性分布；當結(jié)構(gòu)面傾角為45°時，左拱腰和右邊墻的水平位移都很大，但是最大水平位移出現(xiàn)在左拱腰處；當結(jié)構(gòu)面傾角為90°時，最大水平位移出現(xiàn)在左右邊墻處.

2.2 最大主應力分析

在層狀圍巖中開挖隧道時，隨著結(jié)構(gòu)面傾角和層厚的變化，隧道周圍應力場對其穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定的影響.因此，針對傾角分別為0°、15° 、30°、45°、60°、75°和90°以及厚度分別為0.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的情況進行數(shù)值模擬，模擬得到的28種工況的最大主應力計算結(jié)果,如圖6所示.

圖6 不同傾角對應的最大主應力

從圖6可見，當結(jié)構(gòu)面傾角在0°～45°時，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而逐漸增大；傾角為45°時，層狀圍巖隧道所受到的主應力達到最大，最大值為22.0 MPa；當結(jié)構(gòu)面傾角在45°～90°時，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而逐漸減?。欢斀Y(jié)構(gòu)面傾角為90°時，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力減小到6.5 MPa；因此，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律.同時，巖層層厚與層狀圍巖隧道所受到的最大主應力也表現(xiàn)出一定的相關(guān)性.當巖層層厚為0.10 m時，層狀圍巖隧道所受到的主應力最大值為22.0 MPa；當巖層層厚為0.30 m時，層狀圍巖隧道所受到的主應力最大值為19.4 MPa；當巖層層厚為0.75 m時，層狀圍巖隧道所受到的主應力最大值為10.3 MPa；當巖層層厚為1.20 m時，層狀圍巖隧道所受到的主應力最大值為8.3 MPa，與層厚為0.10 m的巖層相比，減小了2.6倍多.由于在傾角小范圍內(nèi)，出現(xiàn)了微小的離散性，因此，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力隨著巖層層厚的增加表現(xiàn)為大致在逐漸減小的規(guī)律.同時，對于0.10 m、0.30 m的巖層層厚，傾角大致在30°～75°時，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力的變化速率較快.

從計算過程看，不同傾角的巖層，最大主應力的云圖形態(tài)也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.文中以0.1 m的層厚，0°、45°和90°的巖層傾角進行說明.不同傾角最大主應力云圖如圖7所示.

由圖7可知，當結(jié)構(gòu)面傾角為0°和90°時，巖體最大主應力云圖呈對稱性分布；當結(jié)構(gòu)面傾角為45°時，巖體最大主應力云圖呈非對稱性分布，且會出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象.

圖7 不同傾角層狀圍巖隧道的最大主應力圖

3 結(jié) 論

由于層狀圍巖隧道在開挖后圍巖穩(wěn)定性與層狀巖體的層厚、傾角等參數(shù)密切相關(guān)，對巖層傾角分別為0°、15° 、30°、45°、60°、75°和90°，層厚分別為0.10 m、0.30 m、0.75 m和1.20 m的情況，采用離散元軟件進行數(shù)值模擬，并分析了不同傾角和厚度對圍巖豎向位移、水平位移以及最大主應力的影響，主要結(jié)論為

1) 在相同層厚和開挖跨度的條件下，層狀圍巖隧道圍巖豎向位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律，當結(jié)構(gòu)面傾角為30°時，層狀圍巖隧道圍巖豎向位移最大，最大值為9.9 cm.在相同傾角和開挖跨度的條件下，隨著巖層層厚的增加，圍巖豎向位移逐漸在減小.

2) 在相同層厚和開挖跨度的條件下，層狀圍巖隧道圍巖水平位移隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律，當結(jié)構(gòu)面傾角為45°時，層狀圍巖隧道圍巖水平位移最大，最大值為11.4 cm；在相同傾角和開挖跨度的條件下，隨著巖層層厚的增加，圍巖水平位移大致在逐漸減小.

3) 在相同層厚和開挖跨度的條件下，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律，傾角為45°時，層狀圍巖隧道所受到的主應力最大，最大值為22.0 MPa；在相同傾角和開挖跨度的條件下，層狀圍巖隧道所受到的最大主應力隨著巖層層厚的增加而大致在逐漸減小.

參考文獻：

[1] 鄧祥輝,陳建勛,羅彥斌,等.水平層狀圍巖隧道爆破控制技術(shù)[J].長安大學學報(自然科學版),2017,37(2):73.

DENG Xianghui,CHEN Jianxun,LUO Yanbin,et al.Blasting Control Technology of Horizontal Stratified Rock Tunnel[J].Journal of Chang’an University(Natural Science Edition),2017,37(2):73.

(in Chinese)

[2] 譚鑫,傅鶴林,陳琛,等.層狀巖體中隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].鐵道科學與工程學報,2016,13(6):1108.

TAN Xin,FU Helin,CHEN Chen,et al.Numerical Simulation Analysis of Tunnel in Layered Rock Mass[J].Journal of Railway Science and Engineering,2016,13(6):1108.(in Chinese)

[3] 王啟耀,楊林德,趙法鎖.陡傾角層狀巖體中地下洞室圍巖的變形[J].長安大學學報(自然科學版),2006,26(5):69.

WANG Qiyao,YANG Linde,ZHAO Fasuo.Deformation of Huge Underground Opening Excavated in Layered Rock Mass with a Steep Dip Angle[J].Journal of Chang’an University(Natural Science Edition),2006,26(5):69.(in Chinese)

[4] 劉卡丁,張玉軍.層狀巖體剪切破壞面方向的影響因素[J].巖石力學與工程學報,2002,21(3):335.

LIU Kading,ZHANG Yujun.Factors Influencing Shear Failure Orientation of Layered Rocks[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(3):335.(in Chinese)

[5] 賈蓬,唐春安,楊天鴻,等.具有不同傾角層狀結(jié)構(gòu)面巖體中隧道穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].東北大學學報(自然科學版),2006,27(11):1275.

JIA Peng,TANG Chun’an,YANG Tianhong,et al.Numerical Analysis of the Stability of Surrounding Rock Mass Layered by Structural Planes with Different Obliquities[J].Journal of Northeastern University(Natural Sciense),2006,27(11):1275.(in Chinese)

[6] 柳厚祥,鄭智雄,胡勇軍,等.層狀巖體不同傾角對高地應力隧道穩(wěn)定性影響分析[J].交通科學與工程,2014,30(2):46.

LIU Houxiang,ZHENG Zhixiong,HU Yongjun,et al.Analysis of the Impact of Layered Rocks Dips on the Stability of High-geostress Tunnels[J].Journal of Transport Science and Engineering,2014,30(2):46.(in Chinese)

[7] 李院忠,王少川,孫莉萍,等.水平薄層巖體中大跨度地下洞室工程地質(zhì)研究[J].巖土力學,2014,35(8):2361.

LI Yuanzhong,WANG Shaochuan,SUN Liping,et al.Engineering Geological Research on Large Span Underground Cavern in Horizontal Thin Layered Rock Mass[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(8):2361.(in Chinese)

[8] 張農(nóng),李寶玉,李桂臣,等.薄層狀煤巖體中巷道的不均勻破壞及封閉支護[J].采礦與安全工程學報,2013,30(1):1.

ZHANG Nong,LI Baoyu,LI Guichen,et al.Inhomogeneous Damage and Sealing Support of Roadways Through Thin Bedded Coal-rock Crossovers[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2013,30(1):1.(in Chinese)

[9] 趙德深,陳楓,王忠昶.軟巖厚煤層綜放開采覆巖破壞特征實驗研究[J].廣西大學學報(自然科學版),2011,36(1):177.

ZHAO Deshen,CHEN Feng,WANG Zhongchang.An Experimental Study on the Failure of Soft Overburden in Mining of Thick Coal Seam[J].Journal of Guangxi University(Natural Science Edition),2011,36(1):177.(in Chinese)

[10] FORTSAKIS P,NIKAS K,MARINOS P,et al.Anisotropic Behaviour of Stratified Rock Masses in Tunneling[J].Engineering Geology,2012,141:74.

[11] 陳高奎.層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性綜合研究[D].福州:福州大學,2014.

CHEN Gaokui.Comprehensive Research on Stability of Surrounding Rock of Layered Rock Tunnel[D].Fuzhou:Fuzhou University,2014.(in Chinese)

[12] 劉紅兵.巖層傾角對層狀巖體隧道穩(wěn)定性影響分析[J].公路工程,2013,38(4):167.

LIU Hongbing.Analysis of Impact on Tunnel Stability with Layered Rocks[J].Highway Engineering,2013,38(4):167.(in Chinese)

[13] SHABANIMASHCOOL M,LI C C.Analytical Approaches for Studying the Stability of Laminated Roof Strata[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2015,79:99.

[14] 李曉紅,夏彬偉,李丹,等.深埋隧道層狀圍巖變形特征分析[J].巖土力學,2010,31(4):1163.

LI Xiaohong,XIA Binwei,LI Dan,et al.Analysis of the Deformation Characteristics of Layered Rock Mass in Deep Buried Tunnel[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(4):1163.(in Chinese)

[15] 宋成科,王成虎,黃祿淵,等.結(jié)構(gòu)面分布特征對隧道圍巖變形影響的數(shù)值模擬分析[J].防災減災工程學報,2012,32(5):611.

SONG Chengke,WANG Chenghu,HUANG Luyuan,et al.Numerical Simulation of Influence of Structural Plane Distribution Characteristics on Deformation of Tunnel’s Surrounding Rock[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2012,32(5):611.

(in Chinese)

[16] ZHANG Z X,XU Y,KULATILAKE P H S W,et al.Physical Model Test and Numerical Analysis of the Behavior of Stratified Rock Masses During Underground Excavation[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2012,49(49):134.