２０１１年９月 铁路工程造价管理 ・７・ 岩层走向对层状岩体隧道稳定性影响分析 张毅 （天津地下铁道集团有限公司，天津３０００５１） 摘要：针对倾斜层状岩体在沿层面方向和垂直于层面方向存在的物理力学特性的差异，分析在层状岩体地 质中开挖隧道时的力学特性，并采用ｆｌａｔ３ｄ有限差分软件对开挖隧道过程进行数值模拟，得出岩层 走向对偏压作用的影响规律。通过模拟和计算验证，隧道开挖后其位移随着岩层走向与隧道轴线的 夹角增大而减小，有利于隧道稳定。所以，在层状岩体地质的地下工程建设中，建议设计的隧道轴线 与岩层走向夹角不宜太小，一般不小于６０。。 关键词：地下工程；层状岩体；数值模拟；影响分析 中图分类号：Ｐ５５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—９８９０（２０１１）０５—０００７—０３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｓｔｒａｔｕｍ Ｔｒｅｎｄｓ ｏｎ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｙｅｒｅｄ Ｒｏｃｋ Ｔｕｎｎｅｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌｅｖｅｌ ｄｉｓｃｒｅｐａｎｃｙ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉ— ｒｅｅｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｌａｙｅｒｅｄ ｒｏｃｋ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｈｅｎ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ ｌａｙｅｒｅｄ ｒｏｃｋ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｒｏｃｋ ｌａｙｅｒｓ ｏｎ ｂｉａｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｌｆａｅ３ｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｌａｙｅｒ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ａｘｉｓ ａｆｔｅｒ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｙ— ｅｒｅｄ ｒｏｃｋ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ，ｉｔ ｉｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｌａｙｅｒ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ａｘｉｓ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｔｏｏ ｓｍａｌｌ，ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｎｏｔ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ６０。． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｌａｙｅｒｅｄ ｒｏｃｋ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 对层状形岩体的破坏模式分为张拉破坏和剪切 破坏。由于倾斜层状岩体沿层面方向和垂直于层面 方向的物理力学特性的差异，所以，沿２个方向的破 层地质岩层走向对隧道稳定性的影响。 坏特性也各不相同。其表现的主要破坏形式有拉裂 破坏、顺层滑移和弯折倾倒变形。实际工程中的破 １ 岩层走向对顺层地质隧道施工力学 行为分析 本文采用岩层倾角为４５。，隧道轴线与岩层走 向夹角按１０。、２０。、３０。、４０。、５０。、６０。、７０。、８０。、９Ｏ。 坏形式与岩层倾角、应力状态和层面强度特性等因 素有关…。在地下工程建设中，如遇层状形岩体的 地质，随着工程的开挖卸荷，洞周围岩将通过变形、 破坏、能量耗散等方式来调整原有洞周围岩的应力 状态分布，以达到一种新的平衡。由于层状岩体的 各向异性，不同隧道轴线方位会对其洞室的位移、破 分别模拟。模拟采用Ｆｌａｃ３ｄ里面的多节理模型，该 模型适合模拟各向异性的层状材料，并可通过改变 本构模型的参数来实现不同岩层走向的隧道开挖模 拟。 坏和应力状态产生很大影响。 当地下工程隧道穿越层状岩体地质时，因岩层 本身存在一定的倾角，设计施工时隧道轴线会与岩 层走向存在一定的夹角，在此情况下有必要分析顺 ２计算模型及参数 ２．１计算模型 本文采用的数值模拟以隧道Ⅳ级围岩设计支护 参数进行参数选取。为减少边界约束效应，计算范 ・８・ 铁路工程造价管理 围按左右边界距隧道中心线不小于４倍洞跨考虑， 底部边界距隧道底部按不小于４倍隧道高度考虑， 隧道埋深１００ ｍ。整个计算模型在 、ｙ、ｚ ３个方向 的尺寸为９０ Ｉｎ×３０ ｍ×１４５ ｍ，Ｙ轴正向为隧道开挖 ２．３计算工况 根据隧道断面尺寸和围岩情况，计算采用台阶 法开挖方案，开挖循环进尺２．５ ｉｎ，系统锚杆采用梅 花型布置，环向间距１．２ ｍ，纵向间距１ ｍ，开挖完上 台阶后施加上台阶锚杆和初期支护，再开挖下台阶， 方向，ｚ轴向上为正。围岩和二次衬砌采用６面体 实体单元和初期支护实体单元。计算模型如图１、 局部网格放大如图２所示。数值计算采用ｕｂｉｑｕｉ． ｔｏｕｓ遍历节理模型，隧道开挖采用ｎｕｌｌ（ｎｕｌｌ是挖空 并施做下台阶锚杆和初期支护。为计算岩层走向对 隧道开挖后支护结构的影响，计算采用岩层倾角 ４５。，岩层走向与隧道轴线夹角按１０。、２０。、３０。、４０。、 单元）模型实现，锚杆用锚索单元模拟，锚索与围岩 之间按连续体考虑。 图１ ｆｌａｃ３ｄ三维计算模型 图２局部网格放大示意 ２．２计算参数选取 初期支护采用锚杆和喷射混凝土，锚杆长３ ｍ， 混凝土喷层厚２０ ｃｍ，围岩、节理以及初期支护参数 如表１所示。 表１ 左右两侧锚杆轴力差值 倾角 拱腰 拱脚 墙腰 倾角 拱腰 拱脚 墙腰 ／。 ／ｋＮ ／ｋＮ ／ｋＮ ／。 ／ｋＮ ／ｋＮ ／ｋＮ ０ ０．１０ ５．２６ ７．９８ ５Ｏ ０．Ｏ６ ２．６６ １．５０ １０ ０．０４ ３．３０ ４．Ｏ９ ６０ —０．１ １．Ｏ５ Ｏ．０５ ２０ —０．０９ ６．０６ １Ｏ．０Ｏ ７０ —０．２ ０．２７ ０．Ｏ１ ３０ —０．Ｏ１ ５．７６ ８．４８ ８０ —０．２ ０．０２ ０．００ ４０ ０．１Ｏ ４．５２ ５．１４ ９０ —０．２ Ｏ ０．００ 注：正值表示右侧轴力大，负值表示左侧轴力大。 ５０。、６Ｏ。、７０。、８０。、９０。９种情况，采用ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ模 型计算。 ３计算结果及分析 为研究岩层走向对隧道开挖后的稳定性影响， 计算选取初期支护和加固圈受力进行分析，以了解 隧道开挖后的受力情况，并得出不同岩层走向对隧 道开挖后的稳定性影响规律。 ３．１锚杆轴力 表１所示隧道左右两侧锚杆轴力差值。由表１ 可以看出，隧道轴线与岩层走向一致时，拱部左侧锚 杆轴力小于右侧锚杆轴力。从数值上看锚杆在拱部 边墙处的锚杆轴力比较大，说明隧道边墙处受力较 大。隧道轴线与岩层走向成１０。时，拱部左右侧锚 杆的轴力差值变小，隧道轴线与岩层走向成２Ｏ。时， 拱部两侧锚杆轴力差值最大。隧道轴线与岩层走向 成３０。～５０。时，拱部两侧锚杆轴力差值越来越小， 隧道轴线与岩层走向成６０。～９０。时，拱部两侧锚杆 的轴力基本一致。说明在隧道轴线与岩层走向成小 角度时，隧道的偏压明显，隧道轴线与岩层走向成大 角度时，结构受力对称，没有偏压。如以夹角６０。作 为大小角度的分界点，隧道轴线与岩层走向夹角越 大，拱部锚杆受力越对称，且锚杆受力也越小，说明 隧道轴线与岩层走向夹角越大越有利于隧道稳定。 ３．２围岩径向位移 为了分析不同岩层走向对隧道开挖后位移的影 响，选取中间断面，分析初期支护外侧节点位移。其 节点所对应的关键截面位移如表２所示。隧道关键 部位位移随岩层走向的变化曲线如图３所示。 由表２可以看出，拱部位移最小值均出现在岩 层走向与隧道轴线垂直时，位移随着岩层走向与隧 道轴线夹角的增大而减小。与夹角为０。时相比较， 拱顶位置在１０。时位移减小了１４．８％，２０。时减小了 ２９．２％，３０。时减小了３８．０％，４０。时减小了４４．８８％， 第２６卷第５期 张毅：岩层走向对层状岩体隧道稳定性影响分析 ・９・ ５０。时减小了４９．４％，６０。时减小了５４．５％，７０。时减 ９０。时减小幅度很小，位移基本上趋于稳定，隧道变 小了５６．１％，８０。时减小了５７．５％，９０。时减小了 ５８．４％，说明隧道位移随岩层走向与隧道轴线夹角 形趋于稳定。因此，在层状岩体的地下工程建设中， 建议设计的隧道轴线与岩层走向夹角不宜太小，一 的增大而减小。在０。～６０。时减小幅度大，在６０。～ 般不小于６０。。 表２关键截面位移 ｍｍ 截面位置 重塑 ： ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５Ｏ ６Ｏ ７Ｏ ８０ ９Ｏ 在６０。一９０。时位移较小且变化平缓，趋于稳定，说 腰 明有利于隧道稳定。所以，在层状岩体的地下工程 脚 ｌ 腰 建设中，建议设计的隧道轴线与岩层走向夹角不宜 脚 太小，一般不小于６０。。 参考文献 ［１］铁道部第－－＿Ｔ＿程局．铁路工程施工技术手册［Ｋ］．北京：中国铁 道出版社，１９９５． ［２］关宝树．隧道力学概论［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，１９９３． 走向，ｏ ［３］孙钧．地下结构［Ｍ］．北京：科学出版社１９８８． 图３隧道关键部位位移随岩层走向变化 ［４］谷兆棋，彭守拙，李仲奎．地下洞室工程［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，１９９４． ４ 结束语 ［５］刘佑荣．岩体力学［Ｍ］．武汉：中国地质大学出版社，１９９９． ［６］王兵，谢锦吕．偏压隧道模型试验及可靠性分析［Ｊ］．工程力学， 在层状岩体地质的地下工程建设中，隧道开挖 １９９６（６）：１１１—１４４． 后其位移随着岩层走向与隧道轴线的夹角增大而减 责任编辑：申玲 小，当夹角在０。～６Ｏ。时位移较大且减小明显，夹角 收稿日期：２０１１—０７—１５ ，’’’’’’、 ：信息窗： 城市地铁建设需合理规划 ＩＩＩＩ‘Ｉ 自全球金融危机爆发以来，中国推出扩内需、促投资、保增长的宏观，尤其有许多基本建设 项目纷纷出台，从而掀起了新一轮投资热潮。正是这一势头，令全国各地的地铁建设迅速升温，轨道交通在 许多较大的城市急速延伸。中国批准地铁建设有３项硬指标——城市人口超３００万、ＧＤＰ超１ ０００亿 元人民币、地方财政一般预算收入超１００亿元。目前，中国已处于轨道交通建设的高度繁荣时期，成为世界 上最大的城市轨道交通市场。究竟其中的得失利弊和社会经济效益如何，很值得人们探讨。 自２００７年之后，全国各地地铁建设热潮再度涌起。首先是在银根宽松的环境下，融资似乎不再是难题。 其次，国家宏观扩内需、增投资着重向市政民生工程倾斜。专家认为，发展城市轨道交通从短期看，能够 拉动固定资产投资，有利于克服国际金融危机对我国实体经济的影响；从长期看，则可以解决制约发展的交 通拥堵和空气污染问题，有利于城市的可持续发展。毫无疑１＂７，城市轨道交通是绿色工程，而且符合中国可 持续发展的战略。
