断层倾角对隧道围岩稳定性影响研究

总第２６５期　２０１４年第４期　交通科技　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｒｉａ１　Ｎｏ．２６５　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１４　

岩土参数对公路隧道围岩稳定性影响的数值模拟研究　

华　薇　

（苏州市交通设计研究院有限责任公司　苏州　２１５００７）　

摘要岩土参数是影响围岩开挖稳定性的最直接影响因素，利用ＡＢＡＱＵＳ软件模拟公路隧道　

的实际开挖过程，建立平面应变有限元模型，分析了不同情况下各岩体参数对开挖后硐室围岩应　

力分布、围岩位移等的影响。　关键词　公路隧道　围岩稳定性　弹塑性数值模拟有限元　

随着公路建设的不断发展和公路等级的不断　

提高，公路隧道的建设规模和数量日益增多。伴　

随而来的是公路隧道开挖后的稳定性问题。公路　

隧道围岩的稳定性是直接影响隧道工程造价的最　

主要方面，若不能较好地预防围岩的塌方，其所造　

成的经济损失和社会影响，也是不可低估的。因　

此，如何保证公路隧道在施工过程及长期营运过　

程围岩的稳定，是目前公路隧道修建过程亟待解　

决的关键技术问题。而岩土参数是影响围岩开挖　

稳定性的最直接影响因素，用有限元数值模拟的　

方法［１］，克服了试验现场监控耗费时间、资金以及　

人力的浪费，系统直观地对不同岩土条件下公路　

隧道开挖后围岩应力分布和变形进行分析，对于　

工程实践能够起到指导作用。　

１分析方案设计　

在本文的模拟中，所用的围岩参数为密度ｐ、　

弹性模量Ｅ、泊松比ｕ、摩擦角　、膨胀角　以及粘　

结力ｃ。利用通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立４　

车道隧道平面应变有限元模型［２］，通过对４车道　

全断面开挖方式下改变围岩参数来分析各参数对　

围岩稳定性的影响。模型见图１。　

对于岩土密度ｐ，初始的地应力　＝ｙＨ，　一　

一　一　），Ｈ。很明显，密度ＩＤ是决定初始地应　

力的参数，１０增大，初始地应力也相应增加。因　

此，只需研究其他参数对围岩稳定性的影响。　

收稿日期：２０１４—０４—０２　图１　４车道隧道尺寸图（Ａ一１３６　ｒｎ　，　高宽比为０．４８）（尺寸单位：ｍ）　

２００８年第３期　西部探矿工程　１３５　

・隧道工程・　高地应力区断层带隧道围岩稳定性分析　

李晓东　（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳１１１０００）　

摘要：采用三维弹塑性有限元数值模拟，对高地应力区某深埋隧道通过断层带的开挖过程进行了分　析。重点研究了断层带隧道拱顶、拱肩及边墙围岩的位移、应力、屈服接进度等随施工步的变化规律，　为隧道优化设计和施工提供了参考依据。　关键词：隧道；断层带；围岩稳定性；数值模拟　中图分类号：Ｕ４５６．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２Ｏ０８）０３—０１３５—０３　

我国山区高速公路建设蓬勃发展，所遇到的地质条　件越来越复杂，如高地应力、岩溶、断层破碎带、涌突水　等，对这些不良地质条件预先做出分析和预测，对隧道　优化设计和安全施工具有重要的意义。基于正确、合理　的地质结构模型的数值模拟，是分析、预测不良地质条　件的有效途径之一。　目前对断层破碎带隧道施工力学的研究较少　引。本　文结合高地应力区深埋隧道通过断层带开挖过程的三维　弹塑性有限元数值模拟，分析断层破碎带围岩的稳定性。　１工程概况　根据工程地质勘察报告，隧道断层及其影响带围岩　为Ｖ级，其前、后围岩为Ⅲ级，岩层及断层倾角６０。（图　１）。隧道埋深７６０ｍ，断面形状为曲墙拱形，开挖断面最　大宽度ｌＯｍ，洞高７．６ｍ；竖向地应力１９．０ＭＰａ，平行和　垂直隧道轴线的地应力分别为２９．２ＭＰａ和２６．２ＭＰａ，　侧压力系数Ｋ　一１．３８，Ｋ　一１．５４，属于高地应力区［引。　２数值分析模型的建立　２．１模型及边界条件　数值分析范围ｘｙｚ—ｌｌＯｍＸ　ｌＯＯｍＸ　４０ｍ（Ｘ方向　为横通道中心线方向，Ｙ方向为重力方向，Ｚ方向为主　隧道中心线方向），满足有限元分析要求。模型初始划　分单元８８６６，节点３８２３４￣最后模型单元７９５６，节点　３５０５４个。模型边界Ｘ方向位移面约束，Ｚ方向位移面　约束，Ｙ负方向底部边界位移面约束，正方向上覆地层　厚度７００ｍ的荷载压力（１７．５ＭＰａ）（图２）。　２．２岩体材料模型　岩体材料假设为均质各向同性，不考虑地下水的影　响。岩体材料应力一应变关系为完全弹塑性，选用Ｄ—　Ｐ模型。　Ｄ—Ｐ破坏准则的达式为：　Ｆ—ａＩ１＋￣／Ｊ２一ｋ一０　（１）　式中：Ｉ１——应力张量第一不变量；　Ｊ　——应力偏量的第二不变量。　．　ｓｉｎ　１　４３Ｃｃｏｓ（ｐ　ａ＝—＝■■＝＝　＝＝＝＝　Ｋ＝—■＝＝＝＝＝＝　√３　Ｊ３－ｌ－ｓｉｎ２　Ｊ３－ｌ－ｓｉｎ２　

第３６卷，第１期　２　０　１　１年２月　Ｖｏ１．３６，Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．，２　０　１　１　

隧道底部溶洞的处理及溶洞对隧道围岩　

稳定性影响的研究　

徐成进’，王木群　

（１．中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南长沙４１０００４；２．中南大学，湖南长沙４１００７５）　

【摘要］张花高速公路隧道围岩以白云岩、粘土为主，岩溶发育，无充填物溶洞很多，主要分布在隧道底部　这给隧道的施工带来了困难。着重探讨了隧道底部溶洞的处理，且分析了底部溶洞对隧道围岩稳定性的影响。　［关键词］隧道；溶洞；处理；围岩；稳定性　［中图分类号］ｕ　４５６．３　［文献标识码］Ｂ　［文章编号］１６７４—０６ｔ０（２０１１）０１—０１０２—０４　

Ｔｈｅ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｋａｒｓｔ　Ｃａｖｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　Ｔｈｅ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｉｎｎｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｋａｒｓｔ　ｃａｖｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　

ＸＵ　Ｃｈｅｎｇｊｉｎ’，ＷＡＮＧ　Ｍｕｑｕｎ　

（１．Ｔｈｅ　７ｔｈ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＣＯ．，Ｌｔｄ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　１２ｔｈ　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ；　２．Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　

Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００７５，Ｃｈｉｎａ）　

［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｔｕｎｎｅｌ；ｋａｒｓｔ　ｃａｖｅ；ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　

１　岩溶概述　

岩溶是指水对可溶性岩石（在我国以碳酸盐岩　

为主，局部尚有硫酸盐岩、卤化物岩等）进行以化学　

溶蚀作用与特征（并包括水的机械侵蚀和崩塌使用　

以及物质的携出、转移和再沉积）的综合地质作用，　

以及由此产生的现象统称。其主要表现形态为溶　

洞、洼地、漏斗、落水洞、塌陷和暗河等。岩溶是诸多　

地质因素作用的结果，岩溶发育的必备３个条件是：　

断层与隧道相对距离对矩形隧道围岩稳定性的影响

矩形隧道是一种常见的隧道形式，其特点是截面呈矩形。在建设过程中，隧道围岩稳定性是一项重要的工程问题，而隧道所处区域的地质构造及地震活动则对其稳定性产生着重要的影响。断层是地壳内的一种地质构造，其存在与否以及与隧道的相对距离将影响到矩形隧道围岩的稳定性。

一、断层的定义和分类

断层是指地壳内由于构造运动而形成的断裂，是大地构造研究的一个重要内容。按照断层的构造关系，可以将断层分为正断层、逆断层和走滑断层三种类型。其中正断层是指岩层向上移动，逆断层是指岩层向下移动，走滑断层则是指岩层在沿断层面滑动。

二、断层与隧道的影响

矩形隧道建设过程中，断层会对其稳定性产生影响。如果断层与隧道的距离过近，那么地质构造运动会对隧道围岩造成一定的变形和破坏。隧道围岩的破坏状态取决于断层的走向、倾角以及断层与隧道的相对距离等因素。

三、断层与隧道的相对距离

研究发现，断层和隧道的距离越近，隧道围岩的破坏状态就越严重。如果隧道与断层相交，那么隧道围岩将会发生不同程度的变形和破坏。当断层与隧道相交时，应采取相应的支护措施，以减小断层对隧道的影响。

四、支护措施

针对断层与隧道相交这一问题，有一些有效的支护措施。一是采用密集支护体系，以提高隧道围岩的稳定性。二是通过地质勘察和分析，调整隧道的位置和走向，以减少断层与隧道的相交。三是使用岩石锚杆等钢筋支护技术，以提高隧道围岩的稳定性。

五、结论

断层与隧道的相对距离是影响矩形隧道围岩稳定性的重要因素之一。在隧道建设过程中，应充分考虑断层的存在及其与隧道的相对距离，采取相应的支护措施以保证隧道的稳定性。同时，应加强地质勘测和分析，充分了解区域地质构造情况，为决策制定提供科学依据。