深埋分离式隧洞围岩的破裂变形特性研究

深埋分离式隧洞围岩的破裂变形特性研究

韩珲

泛华建设集团有限公司南京设计分公司 江苏南京 210000

摘要：分离式隧洞是高速公路隧洞常见的结构形式，当隧洞附近分布有节理裂隙时，围岩的破裂变形程度显著增大。本文利用PFC建立了分离式隧洞模型，研究了不含节理、含节理和隧洞穿过节理三种工况下围岩的破裂规律。节理岩体隧洞开挖后，岩体的破裂分为两个阶段：第一阶段是节理裂隙的进一步扩展阶段，此时围岩损伤程度较小；第二阶段是围岩中的微裂纹向节理汇聚的阶段，若不加以控制围岩将发生大规模的坍塌。认为在进行支护结构设计时，开挖初期应采用锚杆控制岩体的剪切滑移，同时利用衬砌减小围岩的变形量。当隧洞穿越节理裂隙等结构面时，由于节理岩体的剪切滑移引起围岩非均匀变形，支护结构易发生剪切破坏，因此需要提高支护结构的强度。

关键词：分离式隧洞、节理、围岩损伤、PFC

Study on fracture and deformation characteristics of surrounding rock of deep buried separated tunnel

Hanhun

Fanhua Construction Group Co., Ltd. Nanjing Design Branch Jiangsu Nanjing 210000

Abstract: Separated tunnel is a common structural form of expressway tunnel. When there are joints and cracks around the tunnel, the degree of rupture and deformation of surrounding rock increases significantly. In this paper, a separate tunnel model is established by PFC, and the failure laws of surrounding rocks under three working conditions including no joints, containing joints and the tunnel passing through joints are studied. After the tunnel excavation of jointed rock mass, the fracture of rock mass is pided into two stages: the first stage is the further expansion stage of jointed rock mass and the degree of surrounding rock damage is relatively small; The second stage is the stage where the micro-cracks in the surrounding rock converge to the joints. If the rock is not controlled, large-scale collapse will occur. It is suggested that bolt should be used to control the shear slip of rock mass, and lining should be used to reduce the deformation of surrounding rock. When the tunnel crosses the structural planes such as joints and cracks, the supporting structure is liable to shear failure due to non-uniform deformation caused by shear slip of the jointed rock mass, so it is necessary to improve the strength of the supporting structure.

Keywords: separated tunnel; joints; surrounding rock damage; PFC

1. 引言

在西部山岭地区修建高速公路时，不可避免地会涉及到隧洞的开挖，当前高速公路隧洞主要有分离式隧洞和连拱式隧洞两种形式。连拱式隧洞净跨较大，在工程应用中受到了诸多限制，分离式隧洞是目前高速公路隧洞主要的结构形式。在进行分离式隧洞施工时，左右两个洞室的开挖有一定的时间差，先开挖隧洞对后开挖隧洞的力学状态会造成影响。邱道宏

^[1,2]采用有限元方法分析了分离式隧道在非同步开挖工况下，探讨了侧压力系数、洞跨对两个洞室的影响程度，并对洞室岩爆的可能性进行了预测。隧洞的开挖会影响地下渗流，唐杰军^[3]利用流固耦合数值方法分析了分离式隧洞开挖对地下渗流场的影响，认为对于洞距较大的分离式隧洞，初始渗流场受影响的程度较小。隧洞结构的抗震性能也是工程设计中一个重要指标，徐平^[4]探讨了双分离式隧洞中动应力集中因子分布的影响因素，为隧洞衬砌的抗震设计提供了理论依据。自然岩体经历了漫长的地质运动，内部分布有大量的节理、断层、劈理等结构面，其力学状态也极其复杂。当在节理岩体中进行隧洞开挖时，钟志彬^[5]认为隧洞围岩表现出明显的脆性破坏特征，同时节理也会改变隧洞的破裂特征。李术才^[6]采用解析法分析了节理岩体与锚杆相互作用机理，得到了锚杆应力与岩体之间的定量关系。针对节理岩体隧洞，薛小龙^[7]提出了以锚杆支护为主，锚索和锚网支护为辅的支护形式来控制节理隧洞围岩变形。

隧洞的开挖本质上是卸荷的过程，围岩会因为扩容而发生较大的体积膨胀。在遇到含节理、裂隙的岩层时，分离式隧洞围岩受力状态会变得更为复杂，给支护设计、施工工作带来了很大的挑战。同时，分离式双开挖隧道的洞室间也会有相互影响，因此需要进行围岩破裂变形特性分析，而关于这方面的研究还比较少。基于离散元理论的数值仿真软件PFC在土木工程领域受到了广泛的使用，该软件具有描述材料介质裂纹产生、发展的能力，也可分析非线性、大变形的岩土问题，因此本文采用该软件进行仿真研究。先在PFC中标定了岩石的细观力学参数，然后建立含节理分离式隧洞的数值模型。分析岩体开挖后隧洞围岩的破裂、变形状况，研究结果可为分离式隧道的设计、施工及支护工作提供理论参考。

2. PFC数值模型的建立

2.1 岩石细观力学参数标定

PFC采用细观力学参数来定义材料性能，而常规的宏观力学参数并不能直接用于软件建模，需要通过参数标定的过程来确定数值试样的细观力学参数。实际研究中，不断调整数值试样的细观力学参数，最终数值试样具有与实际岩石基本一致的宏观力学性能。本文研究对象为含少量泥质的砂岩^[8]，该岩石密度为2518kg/m³，弹性模量为4942MPa，单轴抗压强度为38.2MPa。

在PFC中进行了相同尺寸的单轴压缩试验，PFC模型尺寸为50mm×100mm，如图1（a）所示，整个模型由8361个颗粒组成。通过不断调整模型的细观力学参数，最终得到了如表1所示的细观力学参数。数值模型与砂岩有着基本一致的宏观力学性能，如图2所示单轴压缩应力-应变曲线，图1（b）为该试样单轴压缩破坏后的示意图，该模型能够反映含少量泥质砂岩受力后的力学状态。

表1 PFC数值模型部分细观力学参数

2.2 节理岩体中分离式隧洞的PFC数值模型

为了在PFC中模拟分离式隧洞的开挖过程，通过以下步骤逐步建立该隧洞的模型：（1）模型尺寸定为40m×30m，考虑到计算效率的影响，颗粒尺寸较表1中有所放大，颗粒数为18160个。（2）颗粒体系生成后，利用伺服函数为模型施加1MPa的各向同性应力，让颗粒体系在伺服应力作用下密实。（3）对颗粒体系安装表1中的平行粘结接触，生成砂岩岩体的数值模型。（4）为岩体添加重力场，利用墙体伺服添加地应力场，让砂岩岩体在重力和地应力作用下平衡。（5）在岩体中添加节理裂隙，节理采用光滑节理模型，设置节理的粘结强度为0，以此模拟充填闭合节理。（6）将待开挖隧洞区域的颗粒标记出来，并将该部分颗粒删除来模拟隧洞的开挖。最终得到的隧洞模型如图3所示。本文开挖隧洞的形状为倒U形，洞口宽度为6米，高度为5米，左右洞口间距10米。隧洞周围分布有三条大节理，长度分别为：20米、30米、20米，节理与水平方向夹角45°。设置重力加速度为10m/m

²，竖向地应力为20MPa，水平地应力为5MPa。

图3 节理岩体中隧洞开挖的数值模型

3. 数值计算结果与分析

   1. 普通岩体中分离式隧洞开挖规律

对于不含节理裂隙的普通岩体，隧洞开挖后围岩会发生应力的重新分布，处于浅部的围岩会因为应力集中等因素发生局部的损伤，如图4所示。对于该隧洞模型，围岩的顶板有部分岩体脱落，同时侧边帮有较严重变形，微裂纹主要集中于该部位，在实际支护工作中应重点关注侧边帮与拱顶围岩的支护，防止围岩发生大规模的垮塌失稳。从数值计算结果来看，由于分离式隧洞两个洞室的间距较大，隧洞开挖的相互影响较小，围岩破裂、变形程度均在可控的范围内，体现了分离式隧洞对控制围岩稳定的优势。

图4 岩体开挖后围岩损伤示意图

1. 2. 充填节理的分离式隧洞破裂规律

天然岩体在长期地质活动中会演化出大量的节理、裂隙等结构面，使得地下工程的岩体多为节理裂隙体，节理裂隙中常充填软弱夹层。工程中遇到充填节理的岩体时，会面临滑坡、隧道垮塌的风险。因此有必要分析节理岩体中开挖隧道时，围岩变形、破裂的规律，为支护工作的设计和施工提供理论依据。在本文的数值模型中，隧洞周围分布有三条大尺寸的节理，数值仿真中分析了隧洞开挖后40000个时间步内，围岩渐进性破裂的全过程，如图5所示。

在隧洞的开挖初期，微裂纹主要集中于节理附近，引起三条节理的进一步扩展，如图5（a）所示，此时隧洞的变形及损伤程度较小。随着节理裂缝的扩展，岩体被分割为数个剪切带，位于剪切带内的隧洞围岩会进一步破裂，如图5（b）所示。洞口与节理附近会衍生大量的微裂纹，直到节理附近的围岩被挤压破坏为止。20000个时间步时，右洞的右侧围岩发生了严重的坍塌，而左洞围岩也发生了不可忽视的岩体损伤，若不采取支护措施围岩损伤将进一步加剧。当隧洞开挖30000个时间步后（图5（c）），J2节理附近左洞的围岩崩溃，裂缝与节理贯通，两个洞室均发生了围岩的大变形。在隧洞开挖后期（图5（d）），洞壁周围的裂缝开始向岩体深部延伸，最终形成剪切带围岩将彻底崩溃。

综上所述，在充填节理岩体内开挖隧洞时，岩体破坏分为两个阶段。第一阶段是节理、裂缝的进一步延伸，形成大型剪切滑移带，将完整的岩体切割成岩块。这一阶段洞壁附近围岩损伤程度较小；第二阶段节理附近围岩开始出现破裂，直到裂缝与节理裂隙汇聚，最终围岩形成剪切带引起隧洞坍塌。因此，若在节理的岩体中进行隧洞开挖，应注重控制节理裂隙的扩展，可采用高密度锚杆减少岩体剪切变形；同时，洞壁应进行衬砌支护，消除岩块脱落及围岩大变形的风险。

（a）10000时间步 （b）20000时间步

（c）30000时间步 （d）40000时间步

图5 节理岩体中隧洞围岩渐进性破裂示意图

1. 3. 隧洞穿越节理时围岩变形规律

隧洞设计时，应尽量避免穿越节理、断层等结构面，否则会给施工和支护工作带来很大的挑战。在隧洞穿越节理时，围岩的变形会有一定的特殊性，图6为这种工况下岩体位移场分布图，其中不同位移量值的颗粒用不同的颜色加以区分。该分离式隧洞的右洞穿越了J3节理，从图中可以看到节理将围岩分割成两块，两个部分的变形并不同步。由于节理岩体会沿着节理产生剪切滑移，引起围岩的非均匀变形，从而导致支护结构的剪切破坏。同时，被节理切割的围岩会产生应力集中，给围岩的稳定性带来了隐患，因此需要提高支护结构的强度。

图6 隧洞开挖后岩体位移场示意图

4 结论

本文利用PFC的单轴压缩试验确定了砂岩的细观力学参数，建立了分离式隧洞的数值模型，主要考虑了含节理、不含节理和隧洞穿越节理三种工况，得到了如下研究结论：

1. 分离式隧洞由于左右两个洞室间距较大，两个隧洞开挖相互间的影响较小，工程中应优先选用该种隧洞形式。

2. 在充填节理岩体中开挖隧洞时，岩体的破坏可分为两个阶段：第一阶段是节理裂隙的进一步扩展阶段，该阶段围岩破裂程度较小；第二阶段是围岩损伤阶段，围岩中的裂缝会向节理汇聚形成剪切带，最终围岩发生大规模的坍塌。

3. 充填节理岩体的破坏程度较不含节理的岩体显著增大，因此需要提高支护结构的强度。为了防止节理岩体内的围岩垮塌，应在开挖初期进行锚杆支护从而控制岩体剪切变形，同时进行合理的衬砌支护来控制围岩变形。

4. 当隧洞穿越节理时，由于节理岩体的剪切滑移，容易引起支护结构的剪切破坏。同时，节理附近围岩会由于应力集中而发生破坏，因此实际工程中尽量避开节理裂隙。

参考文献：

1. 邱道宏, 陈剑平, 王坛华. 分离式隧道非同步开挖两洞相互影响程度研究[J]. 大连理工大学学报, 2006, 46(0z1):151-156.

2. 邱道宏, 陈剑平, 肖云华,等. 分离式隧道非同步开挖岩爆预测研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(2):000515-520.

3. 唐杰军, 凌同华. 山区公路分离式隧道围岩流固耦合数值分析[J]. 矿业研究与开发, 2009(3):24-26.

4. 徐平, 铁瑛, 夏唐代. 分离式双圆形隧道衬砌对平面SH波的散射[J]. 地震工程学报, 2008, 30(002):145-149.

5. 钟志彬, 邓荣贵, 孙怡,等. 隧道近距大节理硬脆性围岩破裂机理[J]. 中国公路学报, 2018, 031(005):106-116.

6. 李术才, 朱维申. 含充填节理岩体加锚节理面力学特性研究[J]. 岩土力学, 1997, 18(A08):54-54.

7. 韩应伟, 王国伟, 马宏发. 泥质含量对砂岩力学性质及其破坏特征的影响规律研究[J]. 煤矿安全, 2019, 050(004):46-49.

作者简介：韩珲，1981.12.29，男，江苏省南京市，工学学士，高级工程师，国家一级注册结构工程师，工民建结构设计。