李 忠 洪

(重慶化工職業(yè)學(xué)院建筑工程系，重慶 401228)

0 引言

地下工程與地下空間建設(shè)過(guò)程中，相應(yīng)的安全建設(shè)與風(fēng)險(xiǎn)管理已成為國(guó)內(nèi)外專家關(guān)注的重要問(wèn)題[1]，亦是工程建設(shè)人員的工作重點(diǎn)。由于天然巖體形成過(guò)程中存在各種層理、弱面、微裂隙、微孔隙等[2]，因此，對(duì)于受到明顯軟弱面切割的巖體，將之視為連續(xù)巖體并計(jì)算開(kāi)挖穩(wěn)定是有不足的?，F(xiàn)有研究中，對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)面傾角在采用非連續(xù)變形方法分析開(kāi)挖穩(wěn)定方面的影響涉及較少。

1 非連續(xù)變形方法計(jì)算原理

非連續(xù)變形分析方法(DDA)在1985年由石根華和Goodman教授共同提出，是區(qū)別于連續(xù)介質(zhì)的一種非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型[3，4]。相較于基于各向同性連續(xù)介質(zhì)的計(jì)算方法而言，遵從實(shí)際軟弱層面對(duì)巖體的切割劃分，由于切割的方位、傾角等不一樣，它的計(jì)算單元可以是任何形狀的。軟件計(jì)算時(shí)，對(duì)于塊體接觸可采用庫(kù)侖定律，并聯(lián)立平衡方程對(duì)相應(yīng)塊體荷載與時(shí)間增量求解，利用非連續(xù)變形理論，DDA在地下工程、邊坡等方面有較多的分析研究[5-7]，DDA方法在工程實(shí)例應(yīng)用和理論分析方面仍然充滿活力。

2 工程實(shí)例及分析條件

2.1 工程實(shí)例

研究工程位于湖南，為雙洞獨(dú)立式公路隧道，開(kāi)挖隧洞建筑限界尺寸為凈寬9.75 m×凈高5.0 m。隧道穿越高大山體，雙洞隧道中最大埋深深度約850 m，全隧道近50%長(zhǎng)度埋深超過(guò)455 m，屬于大埋深隧道。根據(jù)公路設(shè)計(jì)，開(kāi)挖隧道洞軸線走向?yàn)镹W67°，隧道軸線主要通過(guò)六條大斷層，全隧道巖性主要為變質(zhì)砂巖和硅質(zhì)板巖。

某洞段開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)，隧洞斷面多以局部破壞和局部塊體失穩(wěn)為主，開(kāi)挖前后的變形監(jiān)測(cè)表明開(kāi)挖后拱頂和側(cè)墻變形較大，部分洞段很快就失穩(wěn)掉塊，洞底有隆起的趨勢(shì)。開(kāi)挖斷面場(chǎng)景：

1)F2斷層內(nèi)開(kāi)挖過(guò)程中常發(fā)生規(guī)模不一的塌方，塌方量從個(gè)別塊石到近50 m3不等，塌方多發(fā)生在拱頂和側(cè)墻位置；

2)觀察塌方特征，塌方巖體可見(jiàn)明顯的巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面，且主要沿既有結(jié)構(gòu)面崩落；

3)開(kāi)挖段內(nèi)節(jié)理結(jié)構(gòu)面較多、結(jié)構(gòu)面傾角不一，不同洞段圍巖顯見(jiàn)結(jié)構(gòu)面傾角不同造成的圍巖穩(wěn)定性差異。洞內(nèi)開(kāi)挖典型斷面如圖1所示。

基于現(xiàn)場(chǎng)情況，采用非連續(xù)變形分析方法(DDA)則更合適。對(duì)數(shù)百組節(jié)理結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖2)，開(kāi)挖段內(nèi)主要有四組結(jié)構(gòu)面占優(yōu)，分別為：①110°～136°∠65°～85°,②210°～230°∠75°～90°,③310°～340°∠50°～85°和④30°～70°∠50°～75°。

2.2 計(jì)算參數(shù)選定

第①組結(jié)構(gòu)面傾角變化對(duì)圍巖穩(wěn)定影響相對(duì)更大，因此計(jì)算方案為：變化第①組結(jié)構(gòu)面傾角，同時(shí)保持②,③,④組結(jié)構(gòu)面傾角不變。根據(jù)前期地質(zhì)勘察及試驗(yàn)成果資料，具體相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀取值表

3 洞體開(kāi)挖穩(wěn)定DDA分析

3.1 計(jì)算模型

利用非連續(xù)變形分析隧道開(kāi)挖后未錨固隧道圍巖穩(wěn)定，建立的計(jì)算模型如圖3所示。

通過(guò)變化洞體圍巖第①組結(jié)構(gòu)面傾角，分別為0°,30°,50°,65°,75°和85°，利用非連續(xù)變形方法分析隧道開(kāi)挖后不錨固時(shí)圍巖的穩(wěn)定性。為監(jiān)測(cè)開(kāi)挖后圍巖位移情況，同時(shí)在隧道計(jì)算斷面提取7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

3.2 開(kāi)挖穩(wěn)定分析

根據(jù)計(jì)算模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)挖過(guò)程中隧道整體保持穩(wěn)定，但隧洞斷面局部存在不穩(wěn)現(xiàn)象，主要集中在拱頂和側(cè)墻位置，同時(shí)拱底部分圍巖塊體有隆起的趨勢(shì)，規(guī)?；静淮螅瑢?duì)圍巖的整體穩(wěn)定性影響不大。變化第①組結(jié)構(gòu)面傾角，計(jì)算模擬表明洞體相同位置點(diǎn)的變形和應(yīng)力矢量有差異。變化第①組結(jié)構(gòu)面傾角，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移如表2所示。

表2 不錨固時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)表

從計(jì)算成果表2可以看出：

1)相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，不同結(jié)構(gòu)面傾角開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移差距明顯，最大位移與最小位移相差最大達(dá)到6倍；

2)不管結(jié)構(gòu)面傾角如何，洞體開(kāi)挖后，洞頂及附近位置最容易發(fā)生塊體松動(dòng)開(kāi)裂，計(jì)算模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況吻合；

3)結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)洞體的開(kāi)挖穩(wěn)定存在影響，但影響程度受洞體圍巖其他結(jié)構(gòu)面的走向和傾向、傾角制約，即開(kāi)挖洞體中實(shí)際最不利結(jié)構(gòu)面傾角不易確定，該模擬結(jié)果在實(shí)際開(kāi)挖中也有體現(xiàn)。

3.3 錨固支護(hù)后穩(wěn)定分析

隧道開(kāi)挖后為防止巖體松動(dòng)掉落，錨桿是常采用的工程措施。錨桿參數(shù)為：φ25 mm，長(zhǎng)4 m，錨桿密度2.5×2.5 m2，錨桿及7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

通過(guò)計(jì)算，在②,③,④組結(jié)構(gòu)面傾角不變，變化①組結(jié)構(gòu)面傾角情況下，圍巖基本沒(méi)有松動(dòng)開(kāi)裂現(xiàn)象。錨桿錨固后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)及錨桿受力如表3所示。

表3 圍巖錨固后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)及錨桿受力表

根據(jù)表3計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，圍巖錨固后無(wú)明顯塊體的失穩(wěn)和開(kāi)裂，圍巖錨固后有效地降低了圍巖位移，一定程度上抑制了圍巖松動(dòng)范圍，通過(guò)對(duì)開(kāi)挖隧道圍巖①組不同傾角、錨固和非錨固措施對(duì)比分析，得出:

1)開(kāi)挖圍巖經(jīng)過(guò)錨桿加固后，圍巖的位移較未錨固時(shí)普遍減少25%～96.7%；

2)圍巖不同結(jié)構(gòu)面傾角下，相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖的位移依然有差異，但差異較小；

3)圍巖的位移變形受錨桿束縛，從計(jì)算成果看最大錨桿軸力121.3 kN，最小錨桿軸力小于20 kN，不同結(jié)構(gòu)面傾角下錨桿軸力差異較大；

4)從圍巖結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)錨桿錨固效果的影響分析，結(jié)構(gòu)面傾角不一樣時(shí)對(duì)錨固效果有很大影響，但是這種影響沒(méi)有規(guī)律性。

4 結(jié)論

針對(duì)大埋深隧道工程中圍巖結(jié)構(gòu)面對(duì)洞體開(kāi)挖穩(wěn)定的影響，分析了該類巖體的開(kāi)挖穩(wěn)定影響、加固措施，結(jié)論如下：

1)DDA分析方法對(duì)于存在若干組明顯結(jié)構(gòu)面的圍巖穩(wěn)定性計(jì)算較基于連續(xù)介質(zhì)的有限元計(jì)算方法更為有效、實(shí)用。

2)不同結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)圍巖穩(wěn)定有一定影響，圍巖各監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)的松動(dòng)變形與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面傾角的關(guān)系不明顯，隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性是一個(gè)系統(tǒng)工程，與諸多因素相關(guān)。

3)對(duì)于多組結(jié)構(gòu)面賦存的隧道開(kāi)挖，通過(guò)實(shí)時(shí)錨固可以很大程度降低圍巖變形，但錨固構(gòu)件受力受圍巖不同結(jié)構(gòu)面傾角的影響依然不明顯。

4)盡管基于非連續(xù)變形分析方法對(duì)于含有構(gòu)造節(jié)理、裂隙、層理等分割的圍巖巖體穩(wěn)定計(jì)算具有一定優(yōu)勢(shì)，在模擬圍巖結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)開(kāi)挖穩(wěn)定的影響時(shí)，仍需結(jié)合其他工程手段。