蝕變巖體隧洞圍巖變形響應模擬研究

賈超 廉明遠

摘 要：蝕變巖體是影響隧洞圍巖穩定和變形的重要因素，為分析蝕變巖體對圍巖變形的影響，在有限元理論的基礎上，選擇最常見的城門洞形隧洞為研究對象，對圍巖變形進行模擬，對比分析了正常微風化巖和3種蝕變巖隧洞洞室頂拱和側壁的位移，結果表明：蝕變程度不同，無論是頂拱還是側壁圍巖的位移不同，蝕變越嚴重圍巖位移越大；巖體一旦蝕變后，一定范圍內頂拱和側壁圍巖位移變化具有相同的趨勢，蝕變越嚴重，位移量越大；隧洞不同部位對蝕變影響的敏感程度不同，頂拱位移比洞室上下游側壁的大，是變形觀測和圍巖支護的關鍵部位。

關鍵詞：蝕變巖體：圍巖穩定：位移：隧洞

中圖分類號：TV223.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.028

隨著施工手段和工程技術的發展，我國對地下空間的利用越來越多，工程規模不斷增大。隧道、水電站地下廠房、巖鹽儲庫群等隧洞開挖工程的地質環境極其復雜，巖體特性相差很大，因此在施工前應進行詳細的地質勘察，并對隧洞圍巖穩定性進行分析和預測。研究發現，影響隧洞圍巖變形的因素除隧道埋深、地下水、斷面形式和尺寸外，蝕變巖體的影響也不容忽視[1-3]。選擇合適的斷面形式，充分考慮蝕變巖體對隧洞圍巖穩定性的影響進行圍巖穩定性和安全性分析，對工程質量和圍巖支護方案的選擇具有重要意義。有限元法是研究地下工程應力和應變本構關系的有效方法，筆者在有限元理論的基礎上，選擇最常見的城門洞形隧洞為研究對象，采用有限元程序ANSYS計算隧洞頂拱和側壁處的位移，并進行對比分析，從而得出不同蝕變程度巖體隧洞的位移響應結果。

1 蝕變巖體特性分析

蝕變巖體是淺埋地下開挖工程中經常遇到的軟弱巖體，其對隧洞圍巖穩定及變形起著決定性作用。巖體蝕變是云母富集化及黏土巖化的復雜過程，新鮮巖石受強烈混合巖化過程和巖漿熱力作用，巖石的成分發生變化，通過石英溶解、鈉代謝、新生石英沉淀、黏土巖化及含黏土礦物巖石崩解，以及晚期碳酸鹽化、云母富集化等蝕變作用，形成了巖體中較大范圍的蝕變體[4-7]，其成分主要包括黑云母、伊利石、高嶺石和蒙脫石等。蝕變巖體往往分布在斷裂破碎帶內或其附近，其產狀與T程區主構造線基本一致，疏松多孔，呈透明狀，使原本就薄弱的軟弱結構面更加易于破壞[8]。蝕變巖天然容重為24.5～ 25.8 kN/m3，蝕變越嚴重其天然含水率越高，一般為2.55%～ 3.14%，孔隙率為4.06%～10.26%，巖體自由膨脹率軸向為0.4%～4.2%、徑向為1.2%～2.4%，膨脹力為11～13 kPa，抗壓強度為55～72 MPa[9]。

2 算例分析

2.1 計算模型及分析方案

模擬的節理巖體隧洞的斷面形式為城門洞形，斷面尺寸為9.4 mx9.4 m（寬×高），見圖1。模型中考慮了3組軟弱結構面節理組，角度分別為45°、65°和85°，節理間距為6.0～ 20.0Cm，取平均值13 cm。采用彈塑性模型對蝕變巖體和結構面進行分析。選取的微風化巖和3種不同計算方案蝕變巖結構面力學參數見表1、表2。

2.2 主要監測點

隧洞變形的主要部位與工程區結構面產狀、地應力、側壓力系數及斷面形式有關。在控制隧洞埋深、斷面形式、結構面傾角和間距一定的情況下，僅改變蝕變巖體的力學性質，對城門洞形斷面形式進行位移分析計算，從而得出蝕變巖體對節理隧洞圍巖變形的影響?？紤]的主要因素有隧洞關鍵部位位移及巖體蝕變程度。選取的監測點有3個（見圖1），分別為城門洞形隧洞頂拱、弧形拱和側壁的交點及側壁中點，通過計算不同蝕變方案和不同部位位移量的大小得出蝕變巖體隧洞圍巖的位移響應。

2.3 計算結果及分析

計算時隧洞埋深為200 m，初始地應力為12 MPa，對模型中主要監測點的橫向和豎向位移進行模擬，以Mohr-Coulomb屈服準則為基礎，利用程序確定不同方案下圍巖的變形量。由不同方案下洞室橫向和豎向位移（圖2～圖4）可知，正常微風化巖體和蝕變巖體方案三、方案二、方案一下城門洞形隧洞頂拱處的最大豎向位移分別為12.1、21.0、22.5、31.5 mm，弧形拱和側壁交點處的最大橫向位移分別為7.5、11.2、12.4、14.5 mm.上下游側壁中點處的最大橫向位移分別為6.9、10.6、11.8、13.8 mm。最大位移發生在蝕變程度最大時的頂拱位置，達31.5 mm，為豎向位移。頂拱處豎向位移遠大于側壁處的橫向位移。根據計算結果，最大橫向位移發生在方案一弧形拱和側壁交點處，為14.5 mm。

2.4 結果分析

2.4.1 蝕變對隧洞不同部位位移的影響

對比隧洞不同部位的位移響應結果（見圖2～圖4）可知，無論是隧洞頂拱還是側壁，蝕變巖體隧洞的位移都遠大于未蝕變巖體隧洞的。頂拱處蝕變巖體隧洞的最大位移為31.5 mm，未蝕變巖體隧洞的僅為12.1 mm.而且蝕變巖體的位移不斷發展呈發散趨勢，遠高于未蝕變巖體隧洞頂拱處豎向位移的發展程度。說明巖體蝕變嚴重影響隧洞頂拱的安全穩定，嚴重時會出現落石、坍塌等災害，危及頂拱安全。頂拱處的位移增加都呈先慢后快，最后趨于穩定的趨勢。以方案1為例，位移從0增大到5 mm用了5個工作步，而從5 mm增大到20 mm僅用了2個工作步。究其原因可能是，開挖使得地應力釋放，加之蝕變巖體的黏聚力大大降低而容重卻減小較少，使得圍巖在重力作用下的位移增大。各方案下，弧形拱和側壁交點處及側壁中點橫向位移有相似的變化趨勢，只是前者同一時間的橫向位移普遍大于后者0.2～0.7 mm。同樣也是蝕變巖體的位移較未蝕變巖體的明顯增大，弧形拱和側壁交點處未蝕變巖體的最大橫向位移僅為7.5 mm，蝕變巖體的最大橫向位移為14.5 mm，蝕變巖體最大橫向位移約為未蝕變巖體最大橫向位移的兩倍。蝕變巖體和未蝕變巖體側壁中點橫向位移最大值分別為13.8 mm和6.9 mm，也具有類似的結論。

無論是蝕變巖體還是未蝕變巖體，頂拱豎向位移和側壁橫向位移變化趨勢不同。前者的位移增大先慢后快，后趨于穩定，位移量最大為31.5 mm；后者開挖后橫向位移迅速增大，隨即位移稍有增大但變化不大，最大位移僅為14.5 mm。產生這種不同變化的原因是，不同位置圍巖受力不同。

2.4.2 蝕變程度對圍巖位移的影響

蝕變程度不同，無論是頂拱還是側壁圍巖的位移不同，蝕變越嚴重圍巖位移越大。由計算結果和位移變化曲線可知，巖體從未蝕變到蝕變位移增大顯著，但巖體一旦蝕變后，一定范圍內頂拱和側壁圍巖位移變化具有相同的趨勢，蝕變越嚴重，位移越大。其原因是蝕變程度決定巖體力學參數的變化幅度，尤其是巖體黏聚力的變化程度，宏觀上反映為蝕變越嚴重，隧洞開挖地應力釋放后，巖體位移越大，嚴重時會影響圍巖的安全穩定，應注意合理支護。

3 結語

巖體蝕變會大大增加隧洞頂拱及側壁的位移，考慮蝕變巖體對洞室圍巖穩定性的影響，利用有限元程序ANSYS對比分析各關鍵部位的位移，判定隧道圍巖的穩定性及安全性，進而選擇合適的圍巖支護方案是研究洞室穩定性的重要方法和有效手段。巖體蝕變作用大大降低了隧道圍巖的力學強度，對隧洞圍巖穩定性和位移產生重要影響。通過對城門洞形隧洞頂拱、弧形拱和側壁交點處及側壁中點位移的對比分析可知，巖體蝕變使隧道頂拱豎向位移及側壁的橫向位移增大，在洞室圍巖穩定性分析中不容忽視，且蝕變越嚴重圍巖的位移越大，嚴重時危及洞室安全，應引起重視。通過模擬研究，可以了解不同蝕變程度下圍巖的位移響應，從而對不同蝕變程度洞室采取不同的支護方案。

參考文獻：

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