软弱结构面对隧道围岩稳定性的影响研究_pdf
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支 护结 构设 计 以及 施 工设 计 等 各 个 环 节提 供 科 学 依 据 引。
Ⅲ Ⅳ
Ｖ
Ⅳ／Ⅲ Ⅲ／ Ⅳ
Ⅲ ／Ｖ
Ｖ／Ⅲ
，
２ 数 值 分析 模 型 的 建 立
在 进行 数 值模 拟分 析时 ， 析 区域 与边界 条件 分
的确定 、 何模 型 的建立 、 几 初始 地应 力场 的确定 、 计 算 参数 的选 取 、 研究 对象 的应 力一应 变关 系 的选取
ａｉ ｅ ｔ ｏ ｚ ｎ Ｍ ｎ ｌａｎ ｍｅ ｃ ｓｍｕ ａｉｎ ｂ Ｌ ５ ０ ｆ ｉ ｔ ｈ ｆ ｏ ｔ ｈ ｅ ｕ ｆ Ｍ ｉ ｌ ｔ ｙ Ｆ ＡＣ ． ｎ ｔ ｖ ｏ ｉ ｉ ｏ ｉ ｅ—ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｓ ｆ ｒ ｒｔ ｅｔ ｏ ｓｄ ｓｏ ｗ ａ ｔｒ ｉ ｅ ｅ ｃ ｏｔ ｅ ｆ ｗ ｉ ｅ ｆ ｅ ｋ ｉ ｅ － ｗａ ｏ ｈ ｎ
移 矢量 分析研 究 ， 总结 出结构 面 两侧 岩 体上 强 下弱或 下弱上 强的状 况 下 ， 围岩 的力 学特 性和破 坏模 式 ； 隧道 的选址 、 对 支护 结构 的设计 和施 工 具有 广泛 的借鉴 意 义与 指 导作 用 。
关键 词 ：围岩 稳 定 ； 结构 面 ； 岩性 关 系；数值 分析 中图分类 号 ： ４ １ ２ Ｕ ５ ． 文献 标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：６ ３—０ ３ （ ０ ９ ０ ０ ４ ０ １７ ８ ６ ２ ０ ）４— ７ ５— ５
下表 ２ 。上 下岩 体可 看做 强 和弱 （ 相对 ） 种 ，Ｉ／ 两 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ／ Ｖ、Ｉ Ｖ和 Ｉ／ Ｉ ｖ Ｖ为 岩 体 上 面强 ， 面弱 ；Ｖ Ｉ 下 Ｉ／Ｉ Ｉ、 Ｖ Ｉ 和 Ｖ Ｉ 种则 相反 ， 体上面 弱 ， 面强 。 ／Ｉ Ｉ ／Ｖ三 岩 下
表 ２ 夹 层 两 侧 岩 体 的 分 布
ｌ ｅ ｉｅｅｔｌｈｌｇ ｓｇ ｅ ｎｔｉ ｐｐｒ Ｔ ｅｎ ｍｅ ｃ ａ ｓ ａｅ ｈ ｏ ｍａｄ “ ｎｅ ａｅ ｓｅｉｃ ｔ ａ ｒｄｆ ｒ ｔ ｏｙ ｉ ｉ ｎｉ ｈｓ ａｅ． ｈ ｕ ｒ ａ ａｌ ｉ ｔｋｓｔｅｃｍ ｎ Ｉｔｒ ｃ ” ｐ ｃ ｏ ｙ ｎ ｉｏ ｖ ｉｌ ｎ ｙ ｓ ｆ ｉ ｆ
角的状 态下 ， 夹层两侧 不 同岩性 关 系的情 况做 数值 模 拟分析 。数值 分 析 采 用 Ｆ Ａ Ｌ Ｃ特 有 的 Ｉ— ｎ ｔｆｃ 命 令 来模拟 软 弱夹层 的接 触 面 ， 够 准确 地 反 映软 弱 夹层 在 隧道 开挖 过 程 中的 力 学特 ｅ ａｅ ｒ 能
性 。通过 对 开挖后 的无 衬砌 隧道进 行 竖 向位 移 、 剪切 应力 、 塑性 区及 围岩达 到屈 服状 态 时的位
已有 很 多 学 者 在 这 方 面做 了 大 量 的工 作 ： 例 如 ， 爵光 探 讨 了在 不 同构 造应 力作 用 下 节 理 蒋
岩体隧道 的稳定性 ； ［ ］ 文 ６ 探讨 了软弱夹层分布部
位（ 顶 、 肩、 拱 拱 边墙 ） 地 下 洞室 围岩稳 定 性 的影 对
响 ； ７ 提出了适用于软弱结构面的广义摩尔库 文［ ］
Ｆ ＥＮＧ ｈｅ ｇ ｗｅ ，ＬＩ Ｘｉ —ｏ ｇ Ｚ ｎ－ ｉ Ｕ ｎ ｒ ｎ ２。ＦＵ ｎ Ｙａ ２，ＨＵ ｎ— ｕ Ｍｉ ｙ ｎ
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应 力 、 移 及塑性 区进行数 值模 拟分 析 。进 而研 究 位 软弱结 构 面对 隧道 围岩 的破坏 机理 ， 以便 为隧道 的
Ｆ ＡＣ， ｉ ｌｔ ｎ ｅ ａ ｅ ｈ ￣ｎ ｅ ｅ ｔ ｘ ｒ ｓ ｉ ｎ ｏ ｅ ｗｅ ｋ ｉ ｔｒａ ｅ ｃ ａ ｉ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ Ａｃ ｏ ｄ ｎ Ｌ ｔ ｓｍｕａ ｅ ｉ ｔｒ ｃ ， ａ ｇ ａ ｐ ｒ ｃ ｐ ｅ ｓｏ ｆｔ ａ ｎ ｅ ｙ ｒ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｃ ａ ａ ｔｒ ｉ ． ｏ ｆ ｆ ｅ ｈ ｌ ｓｃ ｃｒｉｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒｈ ｏ ｈ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｎ Ｙ ｒｃ ｉｎ－ｓ ｅ ｒｓｒ ｓ 。ｐ ａ ｔ ｏ ｅ ａ ｄ ｖ ｃｏ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｆｔ ｎ ｅ ｏ ｔ ｅ ｒｓ ａｃ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｉ ｄ ｅ ｔ ｉ ｏ ｈ ａ ｔｅ ｓ ｌｓｉ ｚ ｎ ｎ ｅ ｔ ｒ ｏ ｄ ｓ ｌ ｃ ｍｅ ｔｏ ｎ ｌ ｃ ｆ ｕ ｉ ｈ ｕ ｎ ｇ ａｔ ｘ ａ ａｉ ｔ ｕ ｎ ｌ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓａ ｄ ｆ ｉ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ ｅ ｅ ｓ ｍｍａ ｉｅ ｅ ｗ ｔｏ ｔ ｉ ｎ ｆ ｒｅ ｃ ｖ ｔ ｎ ｏ ｅ ｔｎ ｅ － ｅ ｃ ａａ ｔｒｓ ｃ ｎ ａｌｒ ｃ ａ ｉｍ ｆ ｕ ｎ ｌ ｒ ｕ ｌ ｉ ｅ ｏ ｆ ｈ ｈ ｉ ｕ ｔ ａ ｒ ｄｉ ｔ ｚ ｎｈ ｓａｅ ｏ ｅ ｉ ｔ ｒ ｃ ｔ ｎ ｉ ｅ ｉ ｓｒ ｎ ｎ ｈ ｔ ｅ ｓ ｗ ａ ．Ｔ ｅ ｒｓ ｌ ｌ ｂ ｅ ｏｅ ｏ ｌｙ ｕ 。 ｕ ｐ ｒ ｎ ｔｔ ｆ ｈ ｎ ｅ ａ ｅ ｗ ｈ ｏ ｅ ｓｄ ｔｏ ｇ ａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｈ ｒｉ ｅ ｋ ｈ ｅ ｕ ｔ ｗ ｌ ｅ ｄ ｖ ｔｄ ｔ ａ ｏ ｔ ｓ ｐ ｏ ｔ ｇ ｔ ｆ ｉ ｓ ｓｉ ｉ ｓ ｓｅ ｄ ｓ ｎ ａ ｄ ｃ ｎ ｔ ｃｉｎ ｏ ｎ ｅ ｐ ｎ ｎ ｓ ｙ ｔ ｍ ｅ ｉ ｎ ｏ ｓｒ ｔｏ ｔ ｎ ｌｏ ｉ ｇ ． ｇ ｕ ｆ ｕ ｅ Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｓ ｂ ｌ ｙ ｏ ｕ ｒ ｕ ｄ ｎ ｏ ｋ ｍａ ｓ ｉｔ ｒ ｃ ；ｈ ｏ ｎ ｃｉｎ ｏ ｔ ｏｏ ｙ ｎ ｍｅ ｃ ａ ｙ ｉ ｙ ｒ ｓ ｔ ｉ ｔ ｆｓ ｒ ｎ ｉ ｇ ｒ ｃ ｓ ；ｎ ｅ ａ ｅ ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｆｌ ｈ ｌ ｇ ； ｕ ｒ ａ ａ ｌ ｓ ａ ｉ ｏ ｆ ｏ ｉ ｉｌｎ ｓ
Ｉ ／Ｖ Ｖ
本文 对结 构 面 穿过 开 挖 轮 廓 线并 于 水 平 线呈 ４ 角 的状 态 下 ， 层 两 侧 的 岩 性关 系 不 同 的情 ５度 夹
以及屈 服 准则 的选 择等 都至关 重要 。 本 文 拟定 所研 究 的隧道 埋深 为 １０ｍ ， 力 场 ０ 应
１ 前 言
围 岩 的稳 定 性 、 体 的 变形 与破 坏 ， 岩 主要 取决 于岩 体 内各种 结 构 面 的性 质 及 其 对 岩 体 的 切 割程
度 。大量 的工 程 实 践 表 明 ， 坡 岩 体 的破 坏 ， 基 边 地
岩体 中的 软弱 结 构 面 发 生 的。隧 道 围岩体 失 稳 的 决 定 因素在 于 岩体 的结 构 面 ， 它直接 制约着 工 程岩 体 变 形 、 坏 的 发 生 和发 展 过 程 。这 样 ， 破 在进 行 隧
面 ， 出了 非线 性 分 析 方 法 ； ［ ］ 讨 软 弱 夹 层 给 文 ９探
粒度 成分 和抗 剪 强度 参数之 间 的相关关 系 ， 立 了 建 不 同稠度 状 态下 的相关 方程 。
等级 本 文选 取 Ｉ 、Ｖ、 三 种 ， 层 两 侧 的岩 体 选 ＩＩ Ｖ Ｉ 夹
取 可 以分为 ６种 情 况 ： ＬＩ Ｉ／ Ｉ／ Ｉ ／Ｉ Ｉ ／Ｖ、Ｉ Ｖ、Ｖ Ｖ、Ｖ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ、 Ｖ Ｉ 、 ／ Ｖ ， 中 Ｉ ／Ｖ 表 示 软 弱 夹 层 的上 侧 是 ／Ｉ Ｖ Ｉ 其 Ｉ ＩＩ Ｉ Ｉ 级 围岩 ， Ｉ Ｉ 下侧 是 Ｉ 围 岩 ， 面 的 以此 类推 ， Ｖ级 后 见
对 软 弱 结构 面 的研究 大 多都 针 对 边坡 工 程 和
地下 洞 室 ， 而关 于软 弱 结 构 面在 隧道 中的应 用 ， 所 做 的研究 相 对较 少 。 基 于 软 弱 结构 面 在 隧道 围 岩稳 定 性分 析 中的 重要 地 位 ， 文 以城 门洞 型隧道 的 围岩为 主要研究 本 对 象 ， 结 构面穿 过 开挖轮 廓线 并且 夹层两 侧 的岩 对 性关 系不 同的情 况 ， 运用有 限差 分法 对隧道 围岩 的
Ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｎ ｅ ｆ ｃ ｎ Ｓ ａ ｉ ｔ ｆＴｕ ｎ ｌＯｐ ｎ ｎ ｓｉ ｈ ｎ ｅ ｔ ｎ ｎ ｅ ｃ ｆＩ ｔ ｒａ ｅ ｏ ｔ ｂ ｌ ｙ ｏ ｎ ｅ ｅ ｉ ｇ ｎ ｔ ｅ Ｃｏ ｎ ｃ ｉ ｌ ｉ ｏ
ｏ ｆｅ ｅ ｔＬｉｈｏｏ ｙ ｆＤｉ ｒ ｎ ｔ ｌ ｇ
道围岩稳定性分析 时就不得不对隧道所附存 围岩 的结构 面 ， 其 是对 软 弱结 构 面进行 分析 ¨’ 尤 川。
岩 体 性ห้องสมุดไป่ตู้质 和地 质 构 造 也 是 影 响 隧道 围岩 稳 定
岩体 的滑 移 ， 以及 隧道 围 岩 的塌 落 ， 多数 是 沿着 大
的非 常重 要 的因素 ， 地质 活动 中 的岩体性 质千 变万 化 。同一 地层 、 同一深度 中的岩体强 度也 有可 能差
仑（ 简称 ＭＣ 屈 服 准 则 ； ［ ］ 符 合 莫 尔一库 仑 ） 文 ８用
准则 的 Ｇ ｏ ｍａ ｏｄ ｎ节 理单元 模 拟岩 体 中的软 弱 结构
３ 数值 模 拟 的 具 体 方 案
考虑 到 ＩＩ级 围岩 的整体稳定 性很好 ， 实际 、Ｉ 在
的工程 当 中 ，、Ｉ 围岩 出 现 也 很 少 。所 以， 岩 ＩＩ级 围
软弱结构面对隧道 围岩稳定性的影 响研究
丰 正伟 刘 新 荣 傅 ， ，
（ ．浙江工 业 大学建筑 工 程学 院 ， 州 Ｉ 杭 摘
晏 胡敏 云 ，
４０４ ） ００５
３０ １ ；．重庆大 学 土木 工程 学 院 ， 庆 １０ ４２ 重
要 ： 用 ｎ Ｃ５０有限 差分软 件对 结 构面 穿过 隧道 开挖 轮 廓 线 并与 水 平线 呈 ４ 运 ． ５度
示 。接 触 面单 元 采 用 Ｆ Ａ ． 序 中 的 ＩＴ Ｒ Ｌ Ｃ５０程 ＮＥ ．
ＦＣ Ａ Ｅ单 元 。
表 １ 物 理 力学 参 数
Ｔａｂｌ Ｐｈｙ ｉｏ ｍ ｅ ｈａｎ ｃ ａｒ ｅ ｅ ｓ ｅ１ ｓｃ · ｃ ｉａｌｐ ａｍ ｔ ｒ
别很大 ， 夹层两侧的岩体强度等级不一样 ， 即岩性 关系不同， 这种 情 况对 隧道稳 定性 的影 响也是很 大 的， 而且很 值 得去 探讨 ’ 。
Ⅲ Ⅳ
Ｖ
Ⅳ／Ⅲ Ⅲ／ Ⅳ
Ⅲ ／Ｖ
Ｖ／Ⅲ
，
２ 数 值 分析 模 型 的 建 立
在 进行 数 值模 拟分 析时 ， 析 区域 与边界 条件 分
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移 矢量 分析研 究 ， 总结 出结构 面 两侧 岩 体上 强 下弱或 下弱上 强的状 况 下 ， 围岩 的力 学特 性和破 坏模 式 ； 隧道 的选址 、 对 支护 结构 的设计 和施 工 具有 广泛 的借鉴 意 义与 指 导作 用 。
关键 词 ：围岩 稳 定 ； 结构 面 ； 岩性 关 系；数值 分析 中图分类 号 ： ４ １ ２ Ｕ ５ ． 文献 标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：６ ３—０ ３ （ ０ ９ ０ ０ ４ ０ １７ ８ ６ ２ ０ ）４— ７ ５— ５
下表 ２ 。上 下岩 体可 看做 强 和弱 （ 相对 ） 种 ，Ｉ／ 两 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ／ Ｖ、Ｉ Ｖ和 Ｉ／ Ｉ ｖ Ｖ为 岩 体 上 面强 ， 面弱 ；Ｖ Ｉ 下 Ｉ／Ｉ Ｉ、 Ｖ Ｉ 和 Ｖ Ｉ 种则 相反 ， 体上面 弱 ， 面强 。 ／Ｉ Ｉ ／Ｖ三 岩 下
表 ２ 夹 层 两 侧 岩 体 的 分 布
ｌ ｅ ｉｅｅｔｌｈｌｇ ｓｇ ｅ ｎｔｉ ｐｐｒ Ｔ ｅｎ ｍｅ ｃ ａ ｓ ａｅ ｈ ｏ ｍａｄ “ ｎｅ ａｅ ｓｅｉｃ ｔ ａ ｒｄｆ ｒ ｔ ｏｙ ｉ ｉ ｎｉ ｈｓ ａｅ． ｈ ｕ ｒ ａ ａｌ ｉ ｔｋｓｔｅｃｍ ｎ Ｉｔｒ ｃ ” ｐ ｃ ｏ ｙ ｎ ｉｏ ｖ ｉｌ ｎ ｙ ｓ ｆ ｉ ｆ
角的状 态下 ， 夹层两侧 不 同岩性 关 系的情 况做 数值 模 拟分析 。数值 分 析 采 用 Ｆ Ａ Ｌ Ｃ特 有 的 Ｉ— ｎ ｔｆｃ 命 令 来模拟 软 弱夹层 的接 触 面 ， 够 准确 地 反 映软 弱 夹层 在 隧道 开挖 过 程 中的 力 学特 ｅ ａｅ ｒ 能
性 。通过 对 开挖后 的无 衬砌 隧道进 行 竖 向位 移 、 剪切 应力 、 塑性 区及 围岩达 到屈 服状 态 时的位
已有 很 多 学 者 在 这 方 面做 了 大 量 的工 作 ： 例 如 ， 爵光 探 讨 了在 不 同构 造应 力作 用 下 节 理 蒋
岩体隧道 的稳定性 ； ［ ］ 文 ６ 探讨 了软弱夹层分布部
位（ 顶 、 肩、 拱 拱 边墙 ） 地 下 洞室 围岩稳 定 性 的影 对
响 ； ７ 提出了适用于软弱结构面的广义摩尔库 文［ ］
Ｆ ＥＮＧ ｈｅ ｇ ｗｅ ，ＬＩ Ｘｉ —ｏ ｇ Ｚ ｎ－ ｉ Ｕ ｎ ｒ ｎ ２。ＦＵ ｎ Ｙａ ２，ＨＵ ｎ— ｕ Ｍｉ ｙ ｎ
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Ｉ ／Ｖ Ｖ
本文 对结 构 面 穿过 开 挖 轮 廓 线并 于 水 平 线呈 ４ 角 的状 态 下 ， 层 两 侧 的 岩 性关 系 不 同 的情 ５度 夹
以及屈 服 准则 的选 择等 都至关 重要 。 本 文 拟定 所研 究 的隧道 埋深 为 １０ｍ ， 力 场 ０ 应
１ 前 言
围 岩 的稳 定 性 、 体 的 变形 与破 坏 ， 岩 主要 取决 于岩 体 内各种 结 构 面 的性 质 及 其 对 岩 体 的 切 割程
度 。大量 的工 程 实 践 表 明 ， 坡 岩 体 的破 坏 ， 基 边 地
岩体 中的 软弱 结 构 面 发 生 的。隧 道 围岩体 失 稳 的 决 定 因素在 于 岩体 的结 构 面 ， 它直接 制约着 工 程岩 体 变 形 、 坏 的 发 生 和发 展 过 程 。这 样 ， 破 在进 行 隧
面 ， 出了 非线 性 分 析 方 法 ； ［ ］ 讨 软 弱 夹 层 给 文 ９探
粒度 成分 和抗 剪 强度 参数之 间 的相关关 系 ， 立 了 建 不 同稠度 状 态下 的相关 方程 。
等级 本 文选 取 Ｉ 、Ｖ、 三 种 ， 层 两 侧 的岩 体 选 ＩＩ Ｖ Ｉ 夹
取 可 以分为 ６种 情 况 ： ＬＩ Ｉ／ Ｉ／ Ｉ ／Ｉ Ｉ ／Ｖ、Ｉ Ｖ、Ｖ Ｖ、Ｖ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ、 Ｖ Ｉ 、 ／ Ｖ ， 中 Ｉ ／Ｖ 表 示 软 弱 夹 层 的上 侧 是 ／Ｉ Ｖ Ｉ 其 Ｉ ＩＩ Ｉ Ｉ 级 围岩 ， Ｉ Ｉ 下侧 是 Ｉ 围 岩 ， 面 的 以此 类推 ， Ｖ级 后 见
对 软 弱 结构 面 的研究 大 多都 针 对 边坡 工 程 和
地下 洞 室 ， 而关 于软 弱 结 构 面在 隧道 中的应 用 ， 所 做 的研究 相 对较 少 。 基 于 软 弱 结构 面 在 隧道 围 岩稳 定 性分 析 中的 重要 地 位 ， 文 以城 门洞 型隧道 的 围岩为 主要研究 本 对 象 ， 结 构面穿 过 开挖轮 廓线 并且 夹层两 侧 的岩 对 性关 系不 同的情 况 ， 运用有 限差 分法 对隧道 围岩 的
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道围岩稳定性分析 时就不得不对隧道所附存 围岩 的结构 面 ， 其 是对 软 弱结 构 面进行 分析 ¨’ 尤 川。
岩 体 性ห้องสมุดไป่ตู้质 和地 质 构 造 也 是 影 响 隧道 围岩 稳 定
岩体 的滑 移 ， 以及 隧道 围 岩 的塌 落 ， 多数 是 沿着 大
的非 常重 要 的因素 ， 地质 活动 中 的岩体性 质千 变万 化 。同一 地层 、 同一深度 中的岩体强 度也 有可 能差
仑（ 简称 ＭＣ 屈 服 准 则 ； ［ ］ 符 合 莫 尔一库 仑 ） 文 ８用
准则 的 Ｇ ｏ ｍａ ｏｄ ｎ节 理单元 模 拟岩 体 中的软 弱 结构
３ 数值 模 拟 的 具 体 方 案
考虑 到 ＩＩ级 围岩 的整体稳定 性很好 ， 实际 、Ｉ 在
的工程 当 中 ，、Ｉ 围岩 出 现 也 很 少 。所 以， 岩 ＩＩ级 围
软弱结构面对隧道 围岩稳定性的影 响研究
丰 正伟 刘 新 荣 傅 ， ，
（ ．浙江工 业 大学建筑 工 程学 院 ， 州 Ｉ 杭 摘
晏 胡敏 云 ，
４０４ ） ００５
３０ １ ；．重庆大 学 土木 工程 学 院 ， 庆 １０ ４２ 重
要 ： 用 ｎ Ｃ５０有限 差分软 件对 结 构面 穿过 隧道 开挖 轮 廓 线 并与 水 平线 呈 ４ 运 ． ５度
示 。接 触 面单 元 采 用 Ｆ Ａ ． 序 中 的 ＩＴ Ｒ Ｌ Ｃ５０程 ＮＥ ．
ＦＣ Ａ Ｅ单 元 。
表 １ 物 理 力学 参 数
Ｔａｂｌ Ｐｈｙ ｉｏ ｍ ｅ ｈａｎ ｃ ａｒ ｅ ｅ ｓ ｅ１ ｓｃ · ｃ ｉａｌｐ ａｍ ｔ ｒ
别很大 ， 夹层两侧的岩体强度等级不一样 ， 即岩性 关系不同， 这种 情 况对 隧道稳 定性 的影 响也是很 大 的， 而且很 值 得去 探讨 ’ 。