隧道压力拱与围岩变形关系

隧道工程的开挖会导致围岩应力重分布?这一应力重分布行为是隧道工程围岩自行组织稳定的过程?充分发挥岩石的自稳能力是实现岩石隧道工程稳定的最经济可靠的方法 ［1～4］?因此?深入研究岩石自稳能力是围岩稳定评价和支护的重要基础。而由隧道工程开挖引起的围岩中拱效应现象则是岩体自承载能力的体现［5～1 ］。通过研究压力拱与变形的关系可以加强对围岩自稳机理的认识。

隧道压力拱是一个应力集中且稳定的区域?而非实实在在的拱形结构  物。压力拱在隧道稳定中起着举足轻重的作用?它是岩体为抵抗不均匀变形而进行自我调节?渐次达到自我稳定的一种现象?是荷载传递路线发生偏  离?这种现象无法用肉眼观测到。它的主要特点是地下工程开挖后?主应力的方向发生偏转。压力拱不仅存在于顶板上?两帮和底板也有压力拱产生。如果把围岩作为一种结构来看?处于压力拱中的岩体承担着自身和其上的岩体荷重?压力拱确保在其上方的岩体不会塌落的一个具有拱的力学特性的结构［12?13］。

本研究中将压力拱的内边界距洞室边缘的距离和压力拱拱体厚度作为评价围岩稳定的两个参数?当   内边界靠近隧道边缘?可以认为围岩基本稳定；反之?远离隧道边缘?围岩处于不稳定状态。压力拱的厚度代表着围岩受扰动的程度?厚度小意味着需要较少的岩体来承担拱体自身和其上岩体的荷载；厚度大意味着岩体强度低?不得不有更多的岩体参与工作?承担荷载。

根据压力拱的定义?用应力分析方法可以确定拱体内、外边界。由图 1可以看到?与开挖前应力状态相比较?隧道工程开挖后围岩中径向应力减小?切向应力在围岩进入弹性区域和部分塑性区域内是增加   的?即径向的应力被转移至切向?因此?切向应力的升高区可以被认为是压力拱拱体。

图 1 圆形洞室围岩的应力分析

用离散元软件 ＵＤＥＣ进行数值分析研究。分析中采用 Ｍｏｈｒ-Ｃｕｌｏｍｂ准则?对节理倾角 β分别为30°和60°（见图 2）?节理间距分别为 1?2?4和 6ｍ的岩体进行计算?表 1和表 2为岩石材料和节理的主要力学参数。数值模型为岩体中开挖一断面宽度为 10ｍ?高 1 ｍ?顶板为拱形的隧道硐室。在数值模拟中边界应力均为 20ＭＰａ?相当于 80 ｍ埋深。

图 2 单组节理围岩数值模型

首先对隧道压力拱在围岩中的成拱情况进行分析。节理作为岩体非连续结构面对围岩应力与变形有着重要影响?在本研究中仅考虑节理的倾角  及间距对压力拱成拱的影响。

2.1.1 节理倾角的影响

压力拱在连续介质中的形状规则［3］?厚度较均匀?而在非连续的岩体中?由于节理的影响?压力拱的形状呈异形。由图 3和图 4比较可以知道? 节理倾角为 60°时?压力拱形状的不对称性更加明显?压力拱厚度大?内边界距离隧道远?因此?围岩稳定在节理倾角为 60°比倾角为 30°时不利。

2.1.2 节理间距的影响

节理间距对压力拱内边界和厚度的影响如图 5和图 6所示。通过对节理间距分别为 1?2?4和 6ｍ时压力拱内边界及厚度的比较?可以看到总体趋势是?随着节理间距的加大? 内边界距离隧道越近?厚度越小?而内边界受节理的影响相对更大。

节理间距的减小意味节理分布的密度增加?岩体的各向异性增加及强度减弱?其对变形的影响是不容忽视的：节理间距越小?围岩变形量越大。这种差异在隧道边缘处表现更显著。

压力拱作为围岩的自承载结构与围岩变形有着密切关系。图 7为隧道顶板的围岩变形图?图中 Ａ点为围岩中顶板处压力拱的内边界?Ｂ为外边界。在 Ｂ点至 Ａ点之间的区域?变形开始缓慢增加?这时围岩处于弹塑性状态?由压力拱内边界到隧道边缘的范围内?变形急剧增加?岩体处于塑性或破坏状态?由此可知压力拱为一弹塑性稳定区。压力  拱内虽有塑性变形?但这种变形以裂缝的初现为表现?岩体还具备较强  的承载能力?未出现导致破坏或临近破坏的大变形?因此在图 7中压力拱变形曲线平缓?可以认为该区域内仍然是稳定的。

图 7 隧道顶板围岩变形

对不同节理间距条件下的压力拱与变形进一步分析发现?随着节理间距的加大?压力拱厚度变小。当压力拱厚度小于 10ｍ时?外边界处的变形量基本小于 0．04ｍ?也意味着压力拱厚度小?岩体承受荷载能力越大?岩体所受的扰动范围越小。如果压力拱内边界距离隧道边缘近?边缘处的变形量相对较小?内边界处的变形量也相对较小 （表 3）。

1） 隧道压力拱在围岩中的位置对围岩稳定起着重要作用。当压力拱的内边界靠近隧道时?隧道变形小且稳定?反之?隧道变形量大。塑性变形是渐次发展的?围岩进入塑性状态并不意味会出现失稳破坏? 在压力拱范围内?虽有塑性变形?但围岩变形增加缓慢?在隧道与压力拱内边界之间的范围内?变形量急剧增加。

2） 岩体节理的倾角对压力拱的位置和形态都有影响。以倾角 60°和 30°为例进行比较?压力拱在节理倾角 60°的岩体中?内边界距离隧道相对较远?厚度大?非对称性显著。

3） 岩体节理的间距对压力拱的位置有影响。当节理间距的加大?节理分布少?岩体较完整时?岩体承受荷载的能力大?压力拱的厚度小?外边界处的位移也相对较小。

通过以上结论得知?节理倾角和间距对压力拱的形态有很大影响?本文是对其初步分析?在后续研究   中将对节理对压力拱的影响以及用压力拱来判断隧道稳定性进行具体探讨与分析。