不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响

朱 劲, 徐幼建, 许瑞宁

(1.四川达万高速公路有限责任公司， 四川达州 635000;

不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响

朱 劲1, 徐幼建2，3, 许瑞宁3

(1.四川达万高速公路有限责任公司， 四川达州 635000;

2.中铁第五勘察设计院集团有限公司, 北京 102600； 3.西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

以达州至万州高速公路沙坝湾隧道靠近洞口偏压段为研究对象，采用数值模拟的方法，研究了红层地层不同节理倾角下隧道围岩力学响应、变形特性。研究表明：红层地层中节理倾角对围岩应力和变形有较大的影响；当节理倾角与偏压坡面垂直时，隧道周边围岩水平方向应力与变形最大；当节理倾角与偏压坡面平行时，隧道周边围岩竖直方向应力最大。

红层地层; 节理; 偏压; 隧道; 稳定性

大量的工程实例表明，在红层地区修建隧道容易出现围岩变形和坍塌等灾害[2]，直接影响隧道工程建设的正常进行，不能满足当前公路建设快速发展的需要。通过查阅国内外相关文献，王刚等人[3]将一般弹塑性围岩与断裂损伤围岩进行对比分析，认为节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响至关重要。但关于红层地区偏压隧道围岩稳定性的研究并不多见，因此，研究不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响具有显著的学术价值。

1 工程概况

以达州至万州高速公路沙坝湾隧道靠近洞口偏压段为依托，段内斜坡坡向约248°～265°，坡度上陡下缓，坡角33°～24°，斜坡走向与洞轴线走向大角度相交。斜坡上部覆盖0.50～1.00 m的破残积层，下覆为基岩，岩性为砂、泥岩，产状65°∠4°，主要发育两组节理，产状分别为350°∠84°、105°∠59°，斜坡现状基本稳定。

2 计算模型及参数选取

2.1 模型尺寸及边界条件

根据弹性力学中接触应力理论和应力集中现象，隧道开挖对大于隧道直径3倍距离外的岩体影响不大，因此取模型总宽度为洞径的9倍，下边界至隧道仰拱的距离取3倍洞径，上边界为实际埋深，边坡坡度约为37°。模型边界条件采用位移边界条件，左右两端边界约束其水平位移，下边界约束其竖向位移，上边界计算模型如图1所示。采用有限差分FLAC3D软件，重点考虑不同节理倾角对隧道周边围岩稳定性的影响。在浅埋偏压的情况下，研究节理倾角分别为0°、45°、-45°、90°时隧道周边围岩稳定性状况。

图1 计算模型

2.2 计算参数

根据沙坝湾隧道现场地质勘查资料、相关规范及文献，岩体和节理物理力学参数取值如表1、表2所示，岩体和节理采用遍布节理本构模型，初期支护采用线弹性模型。

2.3 计算假定

(1)隧道穿越的地层节理均匀，节理间距及倾角相同；

表1 岩体计算参数

表2 节理计算参数

(2)各节理计算参数相同;

(3)忽略其它复杂地质条件，如地下水渗流、断层破碎带等。

3 隧道围岩稳定性影响分析

3.1 洞周围岩塑性区分析

隧道全断面开挖计算平衡后，不同节理倾角下洞周塑性区分布见图2所示。

(a)0°倾角节理

(b)45°倾角节理

(c)-45°倾角节理

(d)90°倾角节理图2 不同节理倾角下洞周塑性区分布

由图2可以看出：在相同初始地应力场中，节理倾角不同洞周塑性区分布亦有不同；节理倾角45°和-45°时，洞周塑性区范围较大，90°时次之，0°时最小。

3.2 洞周围岩应力分析

图3～图6和表3表示不同节理方向下洞周围岩应力分布特征，随着节理倾角增大，应力大小发生明显变化。

(a)竖向应力

(b)水平应力图3 0°倾角节理洞周围岩应力

由图3～图6和表3可以看出，节理方向对洞周围岩应力有一定的影响：在节理倾角与偏压坡面平行的方向，即节理45°倾角时，应力得到了释放，岩体松弛明显，洞周应力值达到最大值，且竖向应力最大值集中在隧道墙腰处，水平应力最大值集中在隧道拱顶处；这些与现场所测试到的应力比较吻合，表明本数值模拟方法较真实地反映了不连续体的力学行为。

(a)竖向应力

(b)水平应力图4 45°倾角节理洞周围岩应力

(a)竖向应力

(b)水平应力图5 -45°倾角节理洞周围岩应力

(a)竖向应力

(b)水平应力图6 90°倾角节理洞周围岩应力

MPa

3.3 洞周围岩位移分析

洞周位移是隧道周边位移稳定性最直接的评判标准，不同节理倾角(0°，45°，-45°，90°)下位移分布如图7～图10和表4所示。

(a)竖向应力

(b)水平应力图7 0°倾角节理洞周围岩位移

(a)竖向应力

(b)水平应力图8 45°倾角节理洞周围岩位移

(a)竖向应力

(b)水平应力图9 -45°倾角节理洞周围岩位移

(a)竖向应力

由图6～图10和表4可以看出，由于岩体中节理的存在，当节理倾角为90°时，隧道上部围岩节理面参数较弱，极易发生剪切滑移，故此时竖向位移值最大，发生在拱顶部附近，破坏模式主要表现为沿节理面滑动剪切破坏；当节理倾角为-45°时，即节理倾角与偏压坡面接近垂直时，此时隧道

(b)水平应力图10 90°倾角节理洞周围岩位移

mm

周边围岩水平位移值最大，发生在拱脚处。

4 结论

(1)因节理的存在极大削弱了岩体完整性，随着隧道施工扰动，易导致围岩沿节理面发生滑移破坏，同时围岩强度和变形特征较大程度上受节理倾角的影响。

(2)当节理水平，即节理倾角为0°时，偏压隧道洞周围岩失稳模式主要表现为拱部岩体受拉屈服，且以竖向沉降为主，水平收敛为辅。

(3)当节理与偏压坡面平行，即节理面倾角为45°时，洞周围岩失稳模式主要表现为右边墙受拉屈服，且水平收敛较节理水平时增加了40.6%。

(4)当节理与偏压坡面垂直，即节理面倾角为-45°时，洞周围岩失稳模式主要表现全周受拉屈服，且水平收敛与水平应力均达到最大值。

(5)当节理竖向，即节理倾角为90°时，位移主要在拱部沉降为主，破坏模式主要表现为拱部节理面的滑移。因此必须采取预加固措施，增强掌子面前方节理面黏聚力和摩擦角，提高其抗剪强度，最终达到稳定围岩目的。

[1] 高芳芳.云南红层分布及其边坡工程病害分析[D].成都：西南交通大学, 2010

[2] 刘小伟.浅埋红层软岩隧洞围岩变形特征试验研究[J].冰川冻土， 2007,(6)

[3] 王刚,李术才,王书刚,等. 节理岩体大型地下洞室群稳定性分析[J].岩土力学,2008,29(1): 261-267

U451+.2

A

[定稿日期]2015-02-04