岩土力学中的隧道稳定性研究

・２４・　路基工程　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１３年第４期（总第１６９期）　

岭角隧道节理裂隙岩层稳定性离散元分析　

王根　，王　

（１．长安大学公路学院，西安７１００６４；２．　林　，王颖蛟　

中铁隧道勘测设计研究院，天津３００１３３）　

摘要：为了研究不同埋深的破碎岩层对隧道稳定性的影响，以及节理裂隙较软岩层下隧道塌方　过程的形态规律，依托岭角隧道工程，分别建立不同埋深破碎岩层下隧道开挖、支护的简化模型。应　

用离散单元法对岩层张开节理、塑性区及支护结构内力进行分析。结果表明：当破碎岩层分布于隧道　

拱肩及拱顶位置时，隧道稳定性最差，此时其支护结构上的内力值相对最大；节理裂隙较软岩层下隧　

道塌方一般经历断面收缩变形、大面积岩体塌落、塌方完成三个形态阶段。　

关键词：隧道工程；破碎岩层；塌方；离散单元法　

中图分类号：ＴＵ４５７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３—８８２５（２０１３）０４—００２４—０５　

０　引言　

隧道是铁路、公路穿越山体、地下及江河段中　

常见的大型工程。隧道沿线的围岩环境对其稳定性　

有着极大的影响，因岩体在漫长的生成过程中，经　

受各种复杂的地质作用，发育着断层、节理和各种　

裂隙等结构面，使其物理力学性质十分复杂，破碎　

岩层容易造成隧道施工过程中的滑移、剥落、塌方　

等灾害。为保证节理裂隙岩体下隧道的安全施工、　

运营，国内外学者做了大量研究：宋选民等　研究　

了节理间距、倾角及其裂隙方位与隧道夹角等因素　

对隧道稳定性的影响；王贵君ｌ２　对节理裂隙岩体中　

不同埋深无支护暗挖隧道稳定性进行数值分析；谢　

冰等　利用ＵＤＥＣ软件就岩体的节理几何特征对预　

裂爆破效果的影响进行数值模拟；关树宝等　较系　

统地介绍了软弱围岩隧道的施工技术；Ｈｏｗａｒｔｈ　通　

过试验得出岩体节理间距越小，所需轴向贯入推力　

越小的结论。　

本文以发生在岭角隧道施工中的灾害事故为例，　

利用ＵＤＥＣ离散元软件建立破碎岩层下的隧道开挖、　

第26卷 第9期 岩石力学与工程学报 Vol.26 No.9 2007年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2007

收稿日期：2006–12–02；修回日期：2007–04–22 基金项目：中国博士后科学基金资助项目(20060390165)；上海市博士后科研资助计划(06R214152) 作者简介：许建聪(1967–)，男，博士，1989年毕业于福州大学环境与资源学院工程地质专业，现为同济大学地下建筑与工程系在站博士后，主要从事地下结构工程、岩土工程与工程地质、防灾减灾工程及防护工程等方面的研究工作。E-mail：xjc0702@

浅埋风化岩质隧道初支护后黏弹性变形性态分析

许建聪

(同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)

摘要：为分析浅埋风化岩质隧道围岩初支护后变形随时间变化的黏弹性效应，首先采用逆反分析法推导出圆形隧道围岩的等效弹性模量和等效侧压力系数的解析解；然后结合具体工程实践，选择典型断面采集围岩初支护后的位移实测数据，采用数理统计方法，获取该类型隧道围岩初支护后的等效侧压力系数与等效弹性模量之比随时间的变化规律，建立围岩初支护后的黏弹性模型，研究隧道围岩初支护后变形随时间变化的黏弹性效应。研究结果表明：浅埋风化岩质隧道围岩初支护后在无降雨等外部因素作用下等效侧压力系数与等效弹性模量之比随时间呈Monomolecular增长模式并最终稳定于某一常数，即围岩变形随时间变化的黏弹性效应也符合此规律，并且其应变与等效侧压力系数成反比变化；在围岩刚度较大和地下水活动较弱的地段，初支护后围岩变形将较快趋于稳定。 关键词：隧道工程；浅埋风化岩质隧道；逆反分析法；数理统计；黏弹性效应 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)09–1781–06 ANALYSIS OF VISCOELASTIC DEFORMATION BEHAVIOR OF

２０１４年１月第１期　城市道桥与防洪　科技研究　１３３　从隧道应力一应变计算结果，可以得出：两种　覆土厚度情况下，隧道围岩变形规律为：　方向位　移根据隧道竖直中线，呈近似对称分布；与坐标轴　呈４５ｏ方向受开挖影响，位移较显著；两种情况最　大出现在开挖隧道的左右两侧，方向为隧道径向　向隧道内侧，但１　０００　ａｍ覆土厚度的　方向位移　显著大于５００　ｃｍ覆土厚度的值，其中，１　０００　ａｍ　覆土厚度位移为０．３８５　ｍｍ，５００　ａｍ覆土厚度位移　量约为０．２６９　ｍｍ，前者位移为后者的１．４３倍；两　种覆土厚度情况，上下两侧　方向位移较小。　两种覆土厚度情况下，Ｙ方向位移主要表现为　竖向的沉降，但受隧道开挖的影响，局部位移量较　大，５００　ｃｍ覆土厚度情况下隧道上缘位移量为　６．８０１　ｍｍ，ｌ　０００　ｃｍ覆土厚度情况下上缘位移量　为８．５２５　ｍｍ。总位移与Ｙ方向位移相似，但受　方　向位移的干扰，隧道区域位移量也较大，５００　ｃｍ覆　土厚度情况下隧道上缘位移量达到了７．９３５　ｍｍ，　１　０００　ｃｍ覆土厚度情况下隧道上缘位移量达到了　１０．６５７　ｍｍ。从总位移矢量图中可以看出，ｌ　０００　ａｍ　覆土厚度情况下，围岩变形情况显著大于５００　ｃｍ　覆土厚度情况，但两种情况下各部分区域总体呈　现竖向的沉降，隧道向开挖区域位移不明显，说明　隧道衬砌达到了抑制围岩变形破坏的效果。　两种覆土厚度情况下应力情况为：５００　ｃｍ覆　土厚度情况下，　方向应力也出现了左右两侧的应　力集中现象，软岩部分隧道左右两侧应力达到了　４．１２４×１０　Ｐａ，衬砌部分上下侧所受应力明显比左　右侧高，其中下侧承受应力最大，达到了１＿９１×１０　Ｐａ；　而１　０００　ａｍ覆土厚度情况下，隧道下半圆，分别与　轴呈４５。处出现了应力集中现象，其值达到了　１．９７２×１０　Ｐａ，衬砌部分上下侧所受应力也明显比　左右侧高，其中下侧承受应力最大，达到了２．６８×　ｌ０　Ｐａ；隧道围岩　方向承受应力表现出１　０００　ｃｍ　覆土厚度情况下显著大于５００　ｃｍ覆土厚度情况，　说明覆土越厚，围岩自稳性越差，重力作用引起的　应力就越大。　两种覆土厚度情况下，Ｙ方向应力主要为随深　度的增加逐渐增大，隧道的开挖对软岩应力也有一　定的影响，衬砌部分最大应力出现在两侧，其中，　５００　ｃｍ覆土厚度情况下为５．２８×１０　Ｐａ，１　０００　ｃｍ　覆土厚度情况下为４．９０×１０　Ｐａ，较前者略小。　４结论　通过对城市地铁隧道表层土厚度对隧道围岩　稳定性的影响分析，得出了如下结论：　（１）受开挖的影响，两种覆土情况下，左右两　侧的　方向位移较明显，而Ｙ方向位移主要表现为　竖向沉降且由于受到开挖的影响其变量较大。两　种覆土厚度　方向与Ｙ方向位移均表现出覆土越　厚，位移越大，说明表层土厚度越大，隧道围岩越　不稳定。而总体来看，两种覆土厚度情况下各部分　开挖区域位移不明显。　（２）５００　ｃｍ覆土厚度情况下，应力集中现象出　现在隧道两侧；ｌ　０００　ｃｍ覆土厚度情况下，围岩应　力集中出现在　方向下方４５。位置。衬砌区域上下　侧所受应力高于左右两侧，且衬砌区域应力显著　大于软岩，说明起到了衬砌效果。　（３）在实际城市隧道工程中，采用合理的隧道　开挖工艺及支护技术，可有效地抑制围岩的位移　和变形。　参考文献　【１】施成华，彭立敏．随机介质理论在盾构法隧道纵向地表沉降预　测中的应用【Ｊ】．岩土力学，２００４，２５（２）：３２０—３２２．　【２１刘招伟，王梦恕，董新平．地铁隧道盾构法施工引起的地表沉　降分析　．岩石力学与工程学报，２００３，２２（８）：１２９７—１３０１．　［３】Ｌｅｅ　Ｃ　Ｊ，Ｗｕ　Ｂ　Ｒ，Ｃｈｅｎ　Ｈ　Ｔ，ｅｌ　ａ１．Ｔｕｎｎｅｌ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｒｃｈｉｎｇ　ｅ￣ｃｔｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｉｎ　ｓｏｆｔ　ｃｌａｙｅｙ　ｓｏｉｌ【Ｊ】＿Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，８（２１）：１　１９－１３２．　【４】Ｋａｒａｋｕｓ　Ｍ．Ａｐｐｒａｉｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｈＭｓ　ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｆｏｒ　３Ｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　２Ｄ　ｐｌａｎｅ　ｓｔｒａｉｎ　ＦＥ　ａｎａｌｙｓｉｓ　【Ｊ】．Ｔｕｎｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，７（２１）：４７－５６．　【５］Ｅｉｎｓｔｅｉｎ　Ｈ　Ｈ，Ｓｃｈｗｍｌｚ　Ｃ　Ｗ．Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｉｓ　ｆｏｒ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，１９７９，　１０５（４）：４９９－５１８．　［６】ＬｅｅＫＭ，ＨｏｕＸＹ，ＧｅＸＷ，ｅｔａ１．Ａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒ　ａｊｏｉｎｔｅｄ　ｓｈｉｅｌｄ　ｄｒｉｖｅｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇ【Ｊ１＿Ｉｎｔ　ＪＮ　ｕｍ　Ａｎａｌｙ　Ｍｅｔｈ　Ｇｅｏｍ￣，ｈ，　２００１，２５（４）：３６５－３９０．　［７】元松，张显安．基于ＡＮＳＹＳ的高速公路隧道设计与开挖过程仿　真分析．湖南交通科技，２００６，３２（４）：１４３—１４６．　［８】卿伟宸，廖红建．地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影　响【Ｊ１．地下空间与工程学报，２００１，２１（４）：３１１－３１７．　【９］袁聚云．土工试验与原理【Ｍ】．上海：同济大学出版社，２００３．　［１Ｏ］赖永标，胡仁喜，黄书珍．土木工程有限元分析典型范例【Ｍ】．　北京：电子工业出版社，２００７：１０７．　［１１】姚仰平，路德春，周安楠，等．广义非线性强度理论及其变换应　力空间【Ｊ】．中国科学（Ｅ辑），２００４，３４（１１）：１２８３－１２９９．　［１２】郑颖人，沈珠江，龚晓南．岩土塑性力学原理【Ｍ１．北京：中国建　筑工业出版社，２００２．　【１３】苏继宏，汪正兴，任文敏，等．岩土材料破坏准则研究及其应　用【Ｊ】．工程力学，２００３，２０（３）：７２—７７．

１０２　低温建筑技术　２０１１年第１期（总第１５１期）　

某隧道围岩稳定分析　

李丽华，袁恒，江立群　

（中煤国际工程集团重庆设计研究院。　重庆４０００４２）　

【摘要】　采用赤平投影定性分析了该段隧道的稳定性，运用普氏理论及规范计算方法计算了遂道围岩的　受力情况并分析其稳定性，综合定性分析和定量分析的结果，得出该段隧道道壁墙体产生滑移破坏，洞顶发生落　块、塌陷现象，最后还提出了相应的施工措施建议。　【关键词】稳定分析；赤平投影；普氏理论　【中图分类号】ＴＵ４７１．６　【文献标识码】　Ｂ　【文章编号】　１００１—６８６４（２０１１）Ｏ１—０１０２—０３　

为了从根本上解决供电区的用电供需矛盾，提高　

供电可靠性，某电力公司将进行２２０ｋＶ变电站线路的　

建设，并通过地下隧道铺设电缆送电，地下遂道铺设　

电缆线既能节约地上空间，又能美化城市环境。但隧　

道工程中一个最常见的、最重要的问题是隧道围岩稳　

定性问题。如何分析隧道的稳定性，为隧道开挖及加　

固提供理论依据，是隧道工程施工的一个首要问题。　

文中以该遂道的Ｋ１＋９７１．３４～Ｋ２＋２４５．０５ｍ工程段　

为例，就隧道稳定性分析方法开展一些研究，并根据　

分析结果，提出施工措施建议。　

１工程地质概况　

地质构造。场地岩层产状平缓，倾角一般５。一　

ｌ５。，其中该段隧道从起点到终点岩层产状分别为　

１１５。／１４。，场地发育有两组裂隙，裂隙Ｊ．产状：３５。一　

６５。／＿．６０。一７５。，间距０．５０—２．００ｍ，裂隙Ｊ　产状ｌｌＯ。　

一１４０。／＿６５。～８０。，间距０．５—１．５０左右。裂隙主要　

分布在浅部基岩中，联通较好，局部深部岩层中有分　

布，联通较差。整个场地分析，裂隙不发育。根据本　

区域地质资料及本次钻探，综合表明：本区未见断层　

构造及构造破碎带。　

该段隧道长２７３．７１ｍ，Ｋ１＋９７１．３４～Ｋ２＋　

０６７．１８ｍ段主要穿过人工素填土、强风化砂岩和中风　

化砂岩，洞顶为中风化砂岩，上覆人工素填土和强、中