天子庙隧道围岩稳定性分析

韩 涛 梁建权

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083; 2.中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)

天子庙隧道围岩稳定性分析

韩 涛1梁建权2

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083; 2.中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)

从传统的地质方法和数值模拟定量评价入手，以天子庙隧道为例，对隧道围岩工程质量进行了综合分级研究，并对地质模型进行了有限元数值模拟计算，为双线长隧道围岩稳定性评价提供了一定的借鉴。

工程质量，数值模拟，围岩，稳定性

0 引言

隧道围岩稳定性问题一直是工程地质界学者研究的重要课题。目前已经提出了包括定性的工程判别法和定量的力学分析方法、数值模拟方法、围岩分类法、监测分析法及非线性方法等。目前隧道围岩稳定性评价存在的不足有：难以有效地获取有用的围岩信息，缺乏具有丰富隧道施工经验和良好工程地质实践训练的工程技术人员对开挖过程中地质现象作出准确地判断并给出相应的对策，现今定量分析评价方法和传统的地质方法结合效果并不是很好。因此本文首先在系统地调查了工程地质条件基础上，对天子庙隧道围岩工程质量进行了综合分级研究，然后对地质模型进行有限元数值模拟计算，为双线长隧道围岩稳定性评价提供了一定的指导意义。

1 工程概况

1.1 地理位置与工程规模

天子庙隧道是307国道复线山西省阳泉市坡头至水峪一级公路中的重要工程建设项目，该隧道为一条双线隧道，分为左线与右线，其中左线起点：K12+791.5，终点：K13+679.6，全长总计888.1 m；右线起点：RK12+810.35，终点：RK13+629.4，全长总计819.05 m。天子庙隧道按上下行分离设置，设计时速为60 km/h。隧道按照新奥法原理进行设计，采用三心圆断面，建筑限界宽为9.75 m,限高5.0 m。

1.2 工程水文地质条件

研究区地表露头为上石盒子组(P2s)下段～下石盒子组(P1x)地层，岩性主要为红褐色砂泥岩，灰白色砂岩，黄色或黄绿色泥岩及砂岩等。研究区内有数条正断层，走向北东，倾向北西或南东，断距不大。隧址区地表呈全～强风化，多次受到采煤扰动的影响，地裂缝极其发育，岩体呈块碎状镶嵌结构和角(砾)碎状松散结构。隧道下覆3号，12号，15号煤3层采空区，围岩结构较为破碎。

研究区区域内发育有固有性、不饱和的含水层，厚度约20 m。厚度约8 m的第三砂岩带为山西组的主要含水层，结构为粗粒结构，胶结性质较强，节理裂隙较为发育。厚度约20 m的怪砂岩层为太原组中主要含水层，结构为粗粒结构，胶结性质较差，位于灰岩之间。据区域水文地质资料显示，区域内地下水水位标高为700 m～800 m，总体上呈东高西低的规律[1]，地下水动力场构造特征受沁水复式向斜的控制。

2 岩体工程质量评价

根据点载荷试验曲线，结合研究区岩石组合特点以及呈层状分布强度特征，按照划分工程地质岩组的原则，可将研究区的岩体划分为五个类型,即砂岩岩组、砂岩泥岩互层岩组、泥岩岩组、灰岩岩组和破碎岩组[2]，然后将研究区的岩组再详细划分为19个工程地质岩组，参照武汉煤矿设计院的煤矿巷道、硐室围岩工程地质分类标准来对研究区各岩组进行岩体工程质量评价(见表1)。

3 隧道开挖数值模拟

本节应用有限元方法，采用的有限元分析程序为geostudio2007，对隧道开挖进行分析。边界约束条件为：左右两边线不允许有水平向位移;底边线处无竖向位移。

3.1 隧道开挖位移场分析

位移场分析结果(见图1，图2)：在隧道开挖后，拱底的竖直位移为30 mm～35 mm，而拱顶为45 mm～50 mm，因此拱顶的竖直位移较拱底大。而水平向位移最大的位置是在拱腰为2.9 mm处。两隧洞开挖后水平方向位移具有对称性，即断面两侧的位移大小相等方向相反。隧道开挖后围岩运动的总趋势为：洞拱顶向下运动，洞两侧围岩向两边张开。

表1 岩体工程地质质量评价表

3.2 隧道开挖应力场分析

围岩应力场分析结果见图3～图5。

总体上隧道开挖后发生应力重分布，拱顶、拱腰及拱角处应力集中现象较为突出。隧道开挖后整个地层区域应力都是压应力，只是在隧道附近很小区域范围出现压应力很小，有拉张破坏的趋势，所研究的区域并没有出现塑性区。围岩塑性区随着时间的增长可能会出现，导致岩体的剪切破坏。

4 结语

天子庙隧道围岩以砂岩、泥岩为主，隧址区水文地质条件较好。研究区未发现滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用，隧道经遇的不良地质主要有煤矿采空区、断层、地层赋存瓦斯等，已进行了一定的治理。综上天子庙隧道隧址区工程地质条件较好，适宜在此修建隧道。

研究区场地岩体工程质量，其中隧道左线Ⅱ级围岩占33.3%，Ⅲ级围岩占26.7%，Ⅳ级围岩占31.7%，Ⅴ级围岩占8.3%；隧道右线Ⅱ级围岩占42.7%，Ⅲ级围岩占23.7%，Ⅳ级围岩占29.3%，Ⅴ级围岩占4.3%。

天子庙隧道在竖向位移上表现为近似的均匀沉降，最大竖向位移出现在隧道中部，而两边的竖向位移与中部颇为接近，这对于隧道稳定性颇为有利。隧道的水平位移最大出现在硐壁，为2 mm～3 mm对隧道稳定性影响很小。隧道径向的正应力为1.5 MPa～4 MPa，最大剪应力为2.9 MPa，不足以对隧道的衬砌造成破坏。隧道由于地下采空引发的不均匀沉降很小，因为隧道所穿过的采空区开采历史悠久，采煤工艺先进，以国有大矿机械化开采为主，采用顶板全冒落有利于沉降的快速完成，加之最近没有新的开采活动，这对隧道的稳定非常有利。

综上所述，综合判定天子庙隧道围岩稳定性较好。

[1] 傅雪海,王爱国,陈锁忠，等.寿阳—阳泉煤矿区控气水文地质条件分析[J].天然气工业,2005,25(1):33-36.

[2] 胡广韬,杨文远.工程地质学[M].北京:地质出版社,1984.

Analysis on the Emperor Temple tunnel surrounding rock stability

Han Tao1Liang Jianquan2

(1.EngineeringandTechnologyCollege,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.ChinaRailway19thBureauTrackTrafficEngineeringLimitedCompany,Beijing101300,China)

From the traditional geological methods and numerical simulation quantitative evaluation, taking the Emperor Temple tunnel as an example, this paper comprehensively analysis and research on tunnel surrounding rock engineering quality, and made finite element numerical simulation to geological model, provided certain reference for the stability evaluation of double lines long tunnel surrounding rock.

engineering quality, numerical simulation, surrounding rock, stability

2015-03-27

韩 涛(1991- )，男，在读硕士； 梁建权(1989- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)16-0187-02

U451.2

A