岩体节理对隧道开挖稳定性的影响分析

岩体节理对隧道开挖稳定性的影响分析

张文胜

（西南交通大学，四川成都610031）

3D

要】文章结合南垭路三号隧道，利用强度折减法原理，分别使用FLAC及3DEC软件进行数值

模拟计算，定量地分析了贯通节理对隧道稳定性的影响。通过计算，得出了软弱围岩中的隧道埋深与其稳定

【摘

稳定性随埋深的增大而先增加后减小；并通过对比发现，节理对岩体的削弱作用明显，在节理性之间的关系，

岩体中修建隧道时，隧道支护应适当做保守设计。

【关键词】节理；

隧道稳定性；

离散元

【文献标志码】A

我们就认为隧道失稳，将此时对应的折减系数视为突变时，

隧道的安全系数，作为定量评定隧道稳定性的指标。如图2所示，此计算中的隧道安全系数即为10．5。

【中图分类号】TU457

天然岩体是经过多次而反复的地质作用的地质体，而节

理作为岩体的软弱结构面，使岩体的完整性及均匀性受到不同程度的破坏，直接影响着地下工程的设计、施工及工程的

［1］

稳定性评价。以往的隧道稳定性研究常常是将围岩看成没有考虑节理的削弱作用，这连续体来进行数值模拟计算，

是不甚合理的。我国修建的隧道穿越的地质环境越来越复杂，如何对节理岩体中的隧道稳定性进行评定也是今后隧道

［2］

工程中的重点与难点。

1工程概况

贵阳市南垭路三号隧道为分离式双向八车道隧道，全长1171．1m，隧道开挖宽度21．8m，高度为14．3m，其左右两隧道净距为21．8m。隧道穿越地段围岩分级为Ⅳ级，岩体中节

根据掌子面露出资料及地质勘探显示，围理裂隙较为发育，

岩中主要发育一组节理，倾向70～90°，倾角78～120°，节理

间距0．5～1m。隧道掌子面图如图1所示。

图2

折减系数—特征点位移曲线

3模型建立

本文为讨论是否考虑岩体节理的两种情况，需要分别利

3D

用FLAC软件建立完整岩体的连续体模型，利用3DEC软件建立节理岩体的离散体模型。隧道的几何尺寸及节理特征按照第2节中的设计要求取值，为得到全段隧道在不同埋深模型中的埋深需由浅至深取多个值。下的围岩稳定性曲线，为减小边界条件的影响，左右边界和模型底部取约5倍隧道

图1

隧道掌子面

洞径进行计算。计算模型见图3。

岩体及节理的计算参数根据地勘资料确定，具体数值见表1。

2利用强度折减法分析隧道稳定性

为研究岩体中节理对隧道稳定性的削弱作用，本文引入

分别计算出连续完整岩体及考虑节理因素的破强度折减法，

通过对比来研究节理的影响。碎岩体的安全系数，

强度折减法是基于极限分析法而提出的理论，极限分析即岩土体的潜法假设理想塑性体或刚塑性体处于极限状态，

在滑动面上的滑动力与抗滑力相等或剪应力与抗剪强度相等。采用强度折减法进行围岩稳定性分析时，通常是将c、φ值反复除以相同的折减系数，之后进行平衡计算，直到隧道

［3］

在折减过程中，隧道洞周的位失稳。根据郑颖人的研究，

当隧道洞周的位移发生移会随折减系数的增大而不断发展，

4计算结果分析

经过强度折减法计算，分别得到完整岩体及节理岩体在

不同埋深下的安全系数，将结果汇总如图4所示。

从图4安全系数随埋深变化曲线图可看出，两条曲线的围岩安全系数先增变化趋势基本相同：随着埋深的不断增加，

［2018－08－06定稿日期］［作者简介］张文胜（1995～），男，在读硕士，主要从事地铁基坑研究。

130

四川建筑第39卷2期2019.4

·岩土工程与地下工程·

围岩没有自承能力；随着埋深的不断增加，其安全系数落拱，

迅速增大，这是因为在隧道达到一定埋深后，塌落拱形成，围岩的自承能力可以使毛洞自稳；在出现安全系数极大值之后随着隧道埋深的增大，地应力也随之增大，安全系数逐渐减由于地应力较大，毛洞小；甚至在埋深达到某一极限状态时，开挖后所受应力超出围岩自承能力，在无支护下开挖隧道不

（a）完整岩体计算模型

能自稳。完整岩体的安全系数要明显大于相同埋深下的节理岩体情况，这说明节理对隧道围岩的削弱作用是不可忽略的。在实际工程中，利用有限元软件算出围岩稳定性往往较

毛洞开挖后容易自稳，因此选择的支护方案也会较薄弱，大，

若实际岩体中存在着大量的节理，则会引起拱顶掉块、滑移、局部失稳等灾害。但是在实际岩体中，节理多是不贯通的，

（b）节理岩体计算模型图3表1

项目岩块参数

重度/

（kN·m－3）

23．0

计算模型示意岩块及节理力学参数弹性模量/GPa4．0

泊松比0．3

粘聚力内摩擦角/kPa/°600

32

因此本节离散元软件计算的结果是偏保守的，实际的隧道稳

定性应在二者之间。

5结论

本文结合南垭路三号隧道的实际情况，利用强度折减法定量化分析了节理对围岩稳定性的影响，得出了以下结论：（1）围岩稳定性随着埋深的增大而先快速增加到极值点后慢慢减小。超浅埋及超深埋的毛洞自稳能力均较差，这与隧道围岩能否形成具有自承能力的塌落拱密切相关，修建隧道时，应当将隧道埋深控制在合理埋深区间内。（2）节理对围岩稳定性的削弱作用明显，将岩体看做连

即使隧道开挖后能够自稳，在考虑节理之后，也有可续体时，

能发生失稳。在节理岩体中开挖隧道时，隧道支护应在开挖

后立即施做，且支护结构应按保守设计。

参考文献

［1］王贵君，任杨茹．节理特性对隧道围岩稳定性影响的研究［J］．

河北工业大学学报，2017，46（1）：103－107．［2］王永甫，唐晓松，郑颖人，等．岩体节理对隧道开挖稳定性影

响的数值分析［J］．岩土工程学报，2013，35（S2）：207－211．

法向刚度/切向刚度/

－1

（GPa·m）（GPa·m－1）

节理参数

5

5

粘聚力内摩擦角抗拉强度/kPa/°/kPa350

18

10

图4不同埋深下的隧道安全系数

［3］郑颖人，王永甫，王成，等．节理岩体隧道的稳定分析与破坏规

——隧道稳定性分析讲座之一［J］．地下空间与工程学律探讨—

2011，7（4）：649－656．报，

大后减小。隧道处于超浅埋时，其安全系数较小，在不加支

护的情况下难以自稳，这是因为埋深太浅，开挖后不能形成塌

檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷（上接第129页）会由于内摩擦角和黏聚力的变化而发生来回波动。在中浅层区域侧向土压力要大于朗肯主动土压力，在中深层区域侧向土压力要小于朗肯主动土压力。在地连墙外侧壁0～100m深度范围内，朗肯主动土压力仍旧适只需要适当乘以一个安全系数。用，

“Ｒ”地连墙内侧壁的土压力分布曲线像的上半部分，先线性增大，再保持不变，仅仅只在土体内摩擦角和黏聚力改变时发生波动。其变化特征完全不符合静止土压力或者朗肯土压力分布，因此对于该深度的地连墙，朗肯被动土压力理论不再适用。

（2）土体位移

几乎是以地地连墙支护结构对土体位移影响范围很广，

连墙底端开始与墙外侧夹角45°的三角形范围内有较大的位移。基坑有着较大的隆起，水平土体位移沿深度方向呈抛物线分布，并在基坑深度以下达到最大值。地表沉降的影响最大沉降发生在距离地连墙侧壁30m处。范围大，

参考文献

［1］李峰，贾建伟，彭芳乐．大深度地层水土压力计算的影响因素探

2014，10（S1）：1596－1601．讨［J］．地下空间与工程学报，

四川建筑第39卷2期2019.4

131