朱杰清

(中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

地下巖體中結(jié)構(gòu)面的存在會直接降低圍巖的強度[1-3]，巖體被不同尺度、產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體具有一定的隨機性，從塊體開挖揭露到通過計算判斷塊體的穩(wěn)定性通常需要一定時間，在這段時間內(nèi)若不及時采取措施，塊體有可能失穩(wěn)滑落，這給地下洞室工程的開挖過程帶來不可預(yù)知的風險[4]。

地下洞室開挖后，圍巖內(nèi)部的應(yīng)力場和滲流場發(fā)生耦合作用，地下水通過巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面向洞室方向滲流，經(jīng)力學、物理及化學作用，易發(fā)生圍巖失穩(wěn)等問題[5-8]。因此，在研究地下洞室圍巖穩(wěn)定性的問題時，考慮地下水滲流作用十分必要。目前，許多學者針對這個問題進行了大量研究，并取得了一些成果。王明等[6]基于有限元數(shù)值方法得到裂隙巖體的滲流對地下洞室圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響；谷拴成等[7]應(yīng)用等效分析方法研究滲流作用下錨桿支護巷道的穩(wěn)定性，得到滲流作用時需要錨桿提供更大的支護力；李鵬飛等[8]討論了滲流作用下海底隧道掌子面圍巖的穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)滲流作用使得開挖面上部地層變形量明顯大于下部。

本文依托某工程實例，利用極限平衡法和離散單元法進行模擬計算，分析洞室開挖過程中有無滲流作用下楔形體的穩(wěn)定性，并分析兩種方法的優(yōu)缺點。

1 極限平衡法和離散元法基本原理

1.1 極限平衡法

極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理分析不穩(wěn)定塊體的受力狀態(tài)，以滑動面上阻滑力和下滑力間的比值(穩(wěn)定系數(shù))來評價塊體穩(wěn)定性。

計算方法如下所示：

(1)

式(1)中，F(xiàn)為穩(wěn)定系數(shù)。

①脫離巖體

(2)

②沿單一結(jié)構(gòu)面滑動

(3)

(4)

式(4)中，αi為結(jié)構(gòu)面i的傾角，βi為結(jié)構(gòu)面i的傾向。

③沿兩條結(jié)構(gòu)面滑動

(5)

不穩(wěn)定塊體的有效滑動方向按照表1的判據(jù)進行確定，滿足其中的哪個判據(jù)就是不穩(wěn)定塊體的滑動方向，如果都不滿足表1中的判據(jù)，則塊體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 不穩(wěn)定塊體滑動方向判據(jù)及各結(jié)構(gòu)面上的法向力

1.2 離散元法

離散單元法(簡稱DEM)是由Cundall在1971年首次提出，專門用來解決非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法。該方法把節(jié)理巖體看成由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面組成，塊體的幾何形狀取決于巖體結(jié)構(gòu)中不連續(xù)面的空間位置及其產(chǎn)狀，通過牛頓第二定律來表征塊體的運動過程，并允許巖體的內(nèi)部可以發(fā)生塊體的大位移、旋轉(zhuǎn)、滑動甚至塊體的分離等運動，借此可以達到比較真實地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。

3DEC離散元數(shù)值分析軟件主要以離散單元法為基本理論來描述離散介質(zhì)的力學行為，它將介質(zhì)離散成為連續(xù)性特征(巖塊)和非連續(xù)特征(結(jié)構(gòu)面)兩個基本元素的統(tǒng)一集合體，并通過成熟的力學定律來描述這些基本元素的受力變形過程。

2 實例計算

2.1 工程概況

某直墻圓拱型地下洞室開挖時邊墻出現(xiàn)不穩(wěn)定楔形塊體滑落事件，該楔形體(圖1)是由兩個節(jié)理面、一個斷層面共同切割，加上洞室開挖臨空面形成一個不穩(wěn)定四面體，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀依次為：80°∠35°，250°∠60°，130°∠81°，楔形塊體體積約8.15m3。斷層處巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面由遇水軟化的黏土礦物充填。根據(jù)現(xiàn)場反饋，開挖此段時巖體穩(wěn)定，未有明顯滲水現(xiàn)象，次日打完錨桿孔后，出現(xiàn)明顯滲水現(xiàn)象，且水量較大，當開挖面推進約59m時，楔形塊體發(fā)生滑塌。分析認為，地下水是導(dǎo)致楔形塊體發(fā)生滑塌的主要原因之一。

圖1 現(xiàn)場圖片

2.2 極限平衡法計算

結(jié)構(gòu)面的參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場情況和《工程巖體分級標準》(GBT50218-2014)確定，計算時取節(jié)理面粘聚力為30kPa，內(nèi)摩擦角為25°，斷層面粘聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為20°。計算過程如下：

①確定結(jié)構(gòu)面的法向量

②主動力計算

A=W=(γV)·g=(0 0 -211.9)

③確定滑動方向

根據(jù)上文滑動方向判據(jù)可知楔形塊體沿節(jié)理面2即滿足：

因此，此楔形塊體滑動方向為：

④計算阻滑力

N1=N3=0

τ=c+σtanφ=31.7kN/m2

J2=τacosθ=330.4kN

J1=J3=0

⑤計算穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場施工反饋，巷道開挖至此段時圍巖穩(wěn)定，巷道順利通過，之后發(fā)生明顯滲水現(xiàn)象，且水量較大，當巷道往前推進59m時，此處發(fā)生圍巖小面積滑落事件。由此可見，地下水的作用不可忽視。

假定斷層面的水壓為20kPa時，此時：

A=W+U=(-103.9568 87.2353 -233.3894)

楔形塊體滑動方向為：

楔形體的穩(wěn)定系數(shù)為:

當斷層面的水壓為30kPa時，此時：

A=W+U=(-155.9352 130.8529 -244.134)

楔形塊體滑動方向為：

楔形體的穩(wěn)定系數(shù)為:

此時，不穩(wěn)定楔形體的安全系數(shù)小于1 ，塊體將發(fā)生滑落。

如表2所示，隨著地下水壓力的增加，不穩(wěn)定楔形體的穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，圍巖穩(wěn)定性下降。

表2 不同水壓力下楔形體的穩(wěn)定系數(shù)

利用極限平衡法計算時假定結(jié)構(gòu)面為平面，而實際上巖體中的節(jié)理都是隨機分布的，同一組節(jié)理由于多種因素的影響，變動性較大，結(jié)構(gòu)面也并不全部是平面，稍有不準確，就會使計算結(jié)果有較大的偏差；計算時假定洞室開挖的軸線方向始終保持不變，對于稍微復(fù)雜的大型工程來講，顯然是不能完全滿足工程要求的。

2.3 離散元法計算

利用3DEC離散元軟件，針對該滑落事件進行穩(wěn)定性的模擬計算，建立模型尺寸為50m×30m×50m。另外，考慮斷層破碎帶，斷層出露厚度為4m(沿巷道軸向)，在巷道右邊墻斷層破碎帶處按產(chǎn)狀130°∠81°、80°∠35°、250°∠60°切出一個四面楔形體，如圖2所示。

圖2 洞室塊體算例模型

模型假定巖塊不產(chǎn)生滲流，地下水僅在裂隙中流動，初始地下水壓力場按重力梯度設(shè)置。模型的左側(cè)、右側(cè)、前側(cè)和后側(cè)邊界設(shè)為固定孔隙水壓力，并且服從重力梯度。模型頂面和底面為定水頭邊界，其中頂面設(shè)定水壓力為0.185MPa，底面設(shè)定水壓力為0.685MPa。

根據(jù)勘察資料，該段交通巷道圍巖質(zhì)量等級Q值范圍在1～10之間，斷層破碎帶Q值為0.04，故本次模擬圍巖取1≤Q<4，斷層處取0.01≤Q<0.1。巖體物理力學參數(shù)見表3。

表3 巖體物理力學參數(shù)

考慮滲流情況時，設(shè)定節(jié)理初始隙寬b0=1×10-4m，最大隙寬bmax=1×10-3m，殘余隙寬br=1×10-5m。

2.3.1 應(yīng)力場分布特征

如圖3、圖4所示，滲流情況下洞室周邊最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力比無滲流情況下小，且滲流情況下洞室圍巖局部產(chǎn)生0.185MPa的拉應(yīng)力，圍巖產(chǎn)生拉破壞。其主要原因是地下水滲流時，水的滲透壓力和拖拽力加劇了裂隙的剪切和拉裂破壞，應(yīng)力得到釋放而導(dǎo)致。

(a)無滲流情況(b)滲流情況

(a)無滲流情況(b)滲流情況

2.3.2 位移場分布特征

如圖5所示，無滲流條件下楔形體區(qū)域的最大位移為37.6mm，滲流條件下的最大位移最大值為130.4mm，楔形體整體出現(xiàn)較大的變形。

(a)無滲流情況(b)滲流情況

2.3.3 塑性區(qū)分布特征

如圖6所示，由于存在斷層，巷道周邊的塑性區(qū)范圍都較大，滲流條件下巷道周邊塑性區(qū)的范圍和厚度比無滲流情況下更大，塑性區(qū)體積增大約1000m3。其主要原因是由于巖體中的地下水使得圍巖強度降低，進而導(dǎo)致圍巖破壞的區(qū)域越大。

離散元法的優(yōu)勢在于其可以較好地實現(xiàn)塊體間的分離、旋轉(zhuǎn)及塊體垮落等大位移運動的過程，又能計算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。同時，能夠考慮初始地應(yīng)力、圍巖變形和非滑面抗剪性能對塊體穩(wěn)定性的影響，計算更符合實際情況。對大型地下工程，洞室開挖后，圍巖會產(chǎn)生裂隙和發(fā)生大規(guī)?？迓?，在這種條件下利用3DEC軟件計算可使地下工程的模擬解更為合理。

(a)無滲流情況(b)滲流情況

3 結(jié)束語

本文利用極限平衡法和離散元法分別計算有無地下水滲流作用時地下洞室不穩(wěn)定楔形體的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，地下水的存在會降低不穩(wěn)定楔形體的穩(wěn)定系數(shù)。通過對比分析，考慮地下水滲流作用下，楔形體及周邊圍巖的主應(yīng)力比不考慮滲流情況下小，楔形體及周邊圍巖的位移量和塑性區(qū)面積比不考慮滲流情況下大，圍巖的穩(wěn)定性比無滲流情況下更差。