西山隧道水平岩层围岩稳定性数值模拟研究

西 山 隧 道 水 平 岩 层 围 岩 稳 定 性 数 值 模 拟 研 究
宋 刚
（ 太古高速公路建设管理处 ， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ２ ７ ）
摘
要： 以太古高速公路西 山隧道为研 究对象 ， 对水平 岩层中隧道开挖 后的 围岩 稳定性进 行 了研究 。采 用数值 模拟 的方法 ， 建立
２ 水 平岩层 围岩 稳定 性 及破坏 特 征分 析
隧道围岩是否稳定不仅取决 于岩 石强度 ， 而且 取决 于 围岩 构 挖后水平 围岩的稳定性进行数值模拟计算分析 。
． １ 西 山隧道 工程 地质概 况 造 的完 整程 度。相 比之下 ， 围岩 构造 的完 整性对 洞室稳定 会有 更 ３ 西 山隧道 作为太古高速公路上最大 的控制性 工程 ， 其隧道 全 大 的影 响。围岩构造的完整性与地质 构造运 动有关 ， 岩体 在构 造
３ ． ６ ３ ｋ ｍ， 隧道主体及 附属工程 为穿越 水平 岩层 隧道 ， 是影 响 运动 中产生 褶 皱、 断裂 等 构造 形 迹 ， 因 而岩 层 中普 遍 存 在裂 隙。 长１ ７条断层 破 裂 隙可 以导 致形成 软弱结 构 面 ， 使 岩体 完整性 降低 ， 从 而影 响 洞 该隧道工程安 全施 工的一个 重要 因素。隧道还穿 越 １
方， 确保施工安全 和施 工质量。
随着 科学技术 的不断进步 ， 解 决隧道 问题 的数值 模拟理 论和 对许 多隧道工程地质现象的理解 ， 并有力地 推动 了隧道工程 学科 的定量化 进程 。本 文将 采用 ＭＩ Ｄ Ａ Ｓ ／ Ｇ Ｔ Ｓ应用 软件对 西 山隧 道开
隧道围岩稳定 性 的有 效措 施 ， 以更好 的维 护 围岩 稳定 和 预 防塌 方法 发展 迅速 。由于各种数值方法 的不断成功应 用 ， 深化 了人们
了水平岩层 隧道 开挖数学模型 ， 得 到了隧道开挖后围岩水平方 向和竖直方 向的位移 变形量 ， 并根据计算结果对 隧道施 工方 法进行
了针对性 的优化 ， 以确保施工安全和施 工质量。 关键词 ： 隧道 ， 水平岩层 ， 围岩稳定 ， 数值模拟 中图分类号 ： Ｕ ４ ５ １ ． ２ 文献标识码 ： Ａ
破坏阶段 ， 其破 坏机理 也不 同 ， 且与 隧道 的形状 有关 联 。对 于水
道在施工过程 中发生拱部掉 块的概率较 大 ， 是影 响该 隧道工 程安 由于岩层水平 以及 围岩本 身强度低 、 胶结 差 ， 导 致其 全施工的一个重要 因素 。如何保 证隧道水 平 围岩的稳定 性 ， 对于 平岩层而言 ， 围岩在开挖过程 中的变形破坏具有 特殊性 ， 其破坏形 态及特 征主 隧道的顺利施工和安全运 营起着 至关重要 的作用 。 １ ） 碎裂松动 ； ２ ） 膨胀 内鼓 ； ３ ） 挤压破坏 ； ４ ） 滑动破坏 ； ５ ） 地下 本文 以太古高速公路西 山特 长公路 隧道为研 究背 景 ， 对 水平 要有 ：
１ 概述
隧道 围岩 稳定 性取决于多种因素 的综 合影 响 ， 这些 因素 主要
岩石的物理 力 学性 质 、 岩 体结 构 与构 造、 岩体 的天 然应 力 状 隧道 围岩稳定 性… 是指 隧道开 挖后在 无支 护条件 下围岩 的 有 ： 态 、 受地质构造 的影响程度 、 地 下水 、 岩 体所受 的动静力 荷载 以及 自稳 能力 ， 主要体 现在 围岩 的变形 和破坏 两个 方 面 ， 而 围岩稳定 隧道 的几何尺 寸和施工 方案的选择。 性分析 的实质 ， 就是分 析和评价围岩岩体介 质 的应 力和应 变之 间 针对 隧道 围岩稳定性 的影响因素 ， 水 平岩层地 区隧道 围岩 的关 系。对 隧道结 构稳定性问题 的研 究 ， 归 根到底 就是研 究隧道 １ ） 地 质 因素 ： 包括 原 开挖后 围岩 的稳定 性 问题 。大量工 程实 践表 明 ． ３ Ｊ ， 隧道 围岩稳 稳定性 的影 响因素可概括 归纳 为三种类 型 ： 岩应力 、 岩石物理力学性质 、 岩体 结构与构造 、 岩 石组成及 其物 理 定性不仅 与岩石 的性质 、 岩体 结 构 、 地质 构 造 、 地 下水 等 因素有 关， 而且 还与隧道 的开挖 方案 以及 支护 的时 问和形 式有关 ， 其 中 起主要作用 的还是 岩石的性质 、 岩体结构 等地质因素 。
岩 层中隧道开挖后 的 围岩变 形破坏 机制 和 围岩稳定 性 的影 响因 的水 破坏 。
素 进行 研究 ， 建立 西 山隧道 水平 围岩 开挖数 学模 型 ， 对隧 道开 挖 ３ 西 山隧道 水 平围岩 稳定 性数 值模 拟分 析 过 程中围岩稳定性进行分析 ， 并根据计 算结果提 出针对 提高 西山
第３ ９卷 第 ２ ２期 ２ ０ １ ３ 年 ８月
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲ ＣＨＩ ｒ ｒ Ｅ Ｃ Ｔ ＵＲＥ
山 西 建 筑
Ｖｏ １ ． ３ ９ Ｎｏ ． ２ ２
Ａ ｕ ｇ ． ２ ０ １ ３
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文章 编号 ： １ ０ ０ ９ － ６ ８ ２ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ２ — ０ １ ８ ９ ． ０ ２
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化学性质 以及 风化作用等 ； ２ ） 工程因素 ： 包括隧道 断面的形状 、 大
小、 高跨 比等 ； ３ ） 施工 因素 ： 包括 隧道 施工 方法和 手段 、 支 护时 间
西 山隧道全 长 １ ３ ． ６ ３ ｋ ｍ， 仅次于秦 岭公路 隧道 （ １ ８ ． ０ ２ ｋ ｍ） ， 和支护方式等 。其 中地质 因素是影 响围岩稳定性 的最主要因素。 隧道 围岩 的破坏 ， 主要取决于 围岩 的稳定性 。围岩 的破坏形 是我 国第二长公路 隧道 ， 属特长 隧道。西 山隧道主体 及附 属工程 为穿越水平岩层隧道 ， 而水平岩层结 构复杂 ， 围岩稳定性 较差 ， 隧 态模 式因其结构特性而多种 多样 ， 而且在 围岩 的不 同部位及 不 同