不同层理倾角下引水隧洞围岩受力机制研究_周洋.pdf

河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究不同层理倾角下引水隧洞围岩受力机制研究周洋（清远市水利水电勘测设计院有限公司，广东 清远 511500）摘要：为研究不同角度下层状节理围岩的受力情况，从而合理地制定相应地支护措施，保证地下工程安全地、经济地施工。采用三维离散元软件，分别模拟了不同节理倾角下引水隧洞开挖过程中围岩的应力场，并进行了分析，得到了如下结论：在埋深相同的情况下围岩层理倾角对隧道变形的影响显著。在节理倾角为30与60时，隧道围岩的横向变形较小，但围岩受扰动区域的面积较大，且受扰动区域主要集中在隧道的右拱肩处。围岩受拉区面积随围岩层理倾角增加而减小，当层理倾角为90时，开挖平衡之后，隧道围压受拉区域的面积最小。当围岩节理倾角为30与60时，围岩存在显著的偏压现象，从而导致地下工程在开挖过程中发生严重失稳现象。关键词：隧洞；围岩稳定性；离散元；层状围岩；应力场中图分类号：TV21文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）02-0088-02Study on Stress Mechanism of Surrounding Rock of Diversion Tunnel under DifferentStratified Joint AnglesZHOU Yang（Qingyuan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute,Qingyuan 511500,China）Abstract：The stress condition of surrounding rock with different angles of substratum joints is studied,so that the correspondingsupport measures can be reasonably formulated to ensure the safe and economical construction of underground engineering.In thispaper,three-dimensional discrete element software is used to simulate the stress field of surrounding rock during tunnel excavationunder different stratified joint angles.The analysis is carried out.The following four conclusions are drawn as follow.First,under thesame buried depth,the angle of surrounding rock has a significant effect on the tunnel deformation.Second,when the stratified jointangle is 30 and 60,the transverse deformation of tunnel surrounding rock is small,while the disturbed area of surrounding rock islarge,and the disturbed area is mainly concentrated at the right spandrel of the tunnel.Third,the area of surrounding rock tensionzone decreases with the increase of the surrounding rock bed dip angle.When the angle is 90,the area of tunnel confining pressuretension zone is the minimum after excavation balance.Forth,when the stratified joint angle of surrounding rock is 30 and 60,thereis a significant bias pressure,which leads to serious instability in the excavation process of underground engineering.Key words：tunnel;stability of surrounding rock;discrete element;layered surrounding rock;stress field1引言研究不同节理倾向下隧洞围岩的应力分布规律对抑制围岩岩体裂隙扩展、合理地制定加固措施以及保障地下施工过程中围岩稳定性具有重要的工程意义。国内外众多学者对不同层理倾角下隧洞围岩的受力情况以及围岩稳定性进行了大量的研究。数值模拟方法具有成本低、准确性高等优点，已经成为研究含层状节理围岩稳定性的重要研究手段。王惠风等采用离散元方法研究了不同层理倾角对巷道围岩破坏的影响，并提出了层理的倾角对围岩破裂范围有较大影响。刘红兵等利用数值模拟的方法研究了不同层理面倾角作用下产生的偏压效果，并得到了层理面与隧道围岩的最大应力梯度具有相同的方向。以某输水工程引水隧洞为工程背景，利用三维离散元计算方法研究了不同倾角下（0、30、60和90）含层理围岩的应力变化规律与围岩稳定性，此研究成果对保障地下工程围岩稳定性以及支护方案合理地选择具有重要的工程价值。2工程概况与参数选取2.1工程概况某引水隧洞全长19.10 km，其中隧洞最大埋深为729 m，由于地质构造活动强烈，因此形成了极其复杂的断层与褶曲构造，围岩含层转节理裂隙发育完全，其中木寨岭隧道围岩主要为二叠系炭质板岩，其岩体的物理力学性质如表1所示。2.2计算模型及边界条件采用三维离散元数值模拟软件3DEC对不同倾角下层状作者简介：周洋（1991.10），男，工程师，主要从事水工建筑方面工作。材料板岩弹性模量/GPa10粘聚力/MPa0.80内摩擦角/38泊松比0.20容重/kN m-324表1岩体力学参数的选取表88河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究隧道开挖过程中围岩的受力情况以及围岩稳定性进行模拟。地下隧道的轮廓面为直墙拱形，且在开挖过程中一次性全断面开挖。为了考虑尺寸效应的影响，根据圣维南定理，模型长度设置为35倍洞径，同时，由于采用一次性全断面开挖，可将该问题视为平面应变问题，隧洞直径为6 m，最终地下工程围岩模型可设置为30 m1 m30 m的长方体。文中建立的力学模型是平面应变模型，为了不使模型发生垂直于平面方向的位移，给模型施加前后方向的水平应力。研究了不同层理倾角，其中共设置了四组倾角，分别为0、30、60和90。3不同倾角下围岩最小主应力分析地下工程在开挖形成洞室空间过程中，岩体赋存的空间环境和初始应力状态发生了改变，为深部地下工程岩爆、大变形等地质灾害发生提供了空间条件和动力条件。同时应力状态的变化是围岩产生变形和失稳的根本原因，因此，正确认知深部地下工程在开挖后围岩应力的分布规律是预测和防治深部地下工程所遇到的地质灾害前提和基础，同时对揭示隧洞围岩的破坏机制、准确分析地下工程围岩稳定性以及保障地下工程施工过程中的安全性具有重要意义。图1为节理倾角分别为0、30、60和90时地下工程开挖过程中围岩的最小主应力云图。图1为不同层理倾角下围岩的最小主应力云图，3DEC软件在计算过程中主应力大于零时表明岩石处于受拉状态，当主应力小于零时表明岩体处于受压状态，因而在计算过程中的最大主应力对应着工程中的最小主应力。由图3可以看出，在不同层理倾角下隧洞围岩均出现受拉区，且最大拉应力在0.450.46 MPa区间内波动。由图1（a）可以看出，当围岩节理倾角为0时，地下洞室的拱顶与拱底均出现了较大的拉应力集中区域。在其边墙部分拉应力集中区域的面积较小，其中拉应力最大值为0.45MPa，为压应力集中的区域呈对称状分布，且压应力集中的区域面积最大。而在隧洞的边墙附近出现了对称的带状压应力，其拉应力最大值8.509.40 MPa。由图1（b）可知，当围岩节理倾角为30时，隧洞轮廓面附近均出现了拉应力集中的区域，但是拉应力集中区域的面积相较与0时显著减小。在围岩节理倾角为30时，围岩所受的拉应力最大值仍为0.45 MPa。但是其最大压应力仅仅出现在隧道的右拱肩与左拱脚处。由图1（c）可以看出，当围岩的节理倾角为60时，隧洞围岩受拉区主要分布在隧洞的左拱肩与拱底处，其受拉区面积相较于围岩节理倾角为30时有所减小，而在隧洞的左右拱脚处出现了显著的应力集中现象，其最大压应力达到12.10 MPa。由图1（d）可以看出，当围岩节理倾角为90时，隧洞围岩受拉区面积最小，此时最大拉应力为0.45 MPa，而在隧洞的轴线附近出现了拉应力贯通区，这极大地威胁了地下工程围岩的稳定性以及施工过程安全性。因此为了保障隧道围岩的稳定性以及施工的安全性，应当避免穿越节理倾角较大的区域。4结语在埋深相同的情况下围岩层理倾角对隧洞变形的影响显著。在节理倾角为15、45与75时，隧洞围岩的横向变形较小，但围岩受扰动区域的面积较大，且受扰动区域主要集中在隧道的右拱肩处。围岩受拉区面积随围岩层理倾角增加而减小，当层理倾角为90时，开挖平衡之后，隧洞围压受拉区域的面积最小。在节理倾角为0与90时，围岩的应力云图左右对称，表明此时隧道受力无偏压现象。当围岩节理倾角为30与60时，围岩存在显著的偏压现象。参考文献：1 苏士龙，顾晓伟，张力，等.深部层状岩体巷道承载特性的物理模拟试验研究 J.中国矿业，2020，29（1）：123-128.收稿日期：2022-10-26编辑：雍友玉图1不同围岩节理倾角下最小主应力云图单位：Pa（c）围岩节理倾角为60（d）围岩节理倾角为90（a）围岩节理倾角为0（b）围岩节理倾角为3089