F
•
碎裂结构岩体围岩压力对隧道衬砌内力的影响
徐
红
-，曾博文2,李永明#，张志强*
公司，新疆乌鲁木齐&30001;
点
室，
610031;
(1.乌鲁木齐城市轨道集 2. 西南交通大学交通隧道工
3. 乌鲁木齐市轨道交通项目建设执行办公室，新疆乌鲁木齐830001 #
【摘要】文章以乌鲁木齐轨道交通2号线高铁站一华山路区间隧道为工程依托背景，隧道穿越断层
带破碎节理发育较好的岩体地层，分析了碎裂结构岩体的基本力学特性，得到了碎裂结构岩体变形破坏的模 式，并建立碎裂结构岩体隧道模型，基于离散元的方法，分析不同埋深下，即不同围岩压力下，隧道衬砌内力
的变化规律，得出了一些适用于碎裂结构岩体隧道施工的重要结论，以期指导同类工程。
【关键词】隧道工程；碎裂结构岩体；围岩压力；衬勒内力【中图分类号】U451+.4
乌鲁木齐轨道交通2 处地 带岩体， 常呈现不 围岩压力
以
，所越的地
铁一华山路区 含有发育较好的节
这 显的 。
体围岩压力
道衬体似
体道所'碎的岩体效应。故
【文献标志码】A
DK17+100,长1 350 3。位于山前丘陵区，地势南高北低，既
有兰新铁路穿越DK16 + 850 ~DK17 + 050段西侧为维泰路 挖方路堑地，起伏较大，地面标高在810 ~ 855 3之间。
乌鲁木齐市区地下水位、含水 等受 流水较浅，水地下水为松散 下水主
、渗透系数、富水性
、补给断裂等影响存在明显的差异。地表水分0.2 3左右。该水源补给主要为上游近山丘
水，主
系中更新统圆砾区间隧道在左线
的岩体为主。 ，在力学
体的力学
在无围压和低围压的条件下在 应力上和变形发展上经
较大的影响，需要
布于DK15 +800 ~DK15 +835段，为一侧沟内流水。侧沟内 地带的荒山绿化灌溉用水和大气降水，水不大。^ 土中，水位埋深1.0 ~ 30. 5 3,水位高程792.4 ~ 834. 5 3,地
受大气降水，水不大。
ZDK16 + 360 ~ ZDK16 + 455 以及右线 YDK16 + 355 ~ YDK16
对隧道衬砌受力的状态进行相关的
国内许多学者已经 砌内力影响展开了
的特点进行 的 周的
新的评价
和不
，如周洪福等人[1] 地分析，得了水电工 ；
等人[2]讨 设计
； 体数值
析和探讨，
和计算 系数的
道围岩压力沿洞 ，分析道围岩压力等人[3]采 UDEC
，研
净距隧道
施（李
计的不（刘，建立衬计算的
作用机制和完 数值分析软件，建立 体应力
+ 450,经过九家湾断层组中的F5 -3断层，其下破碎带区域 岩石呈现明显的
状（图1)。
的结构效应;龚 等人[4]浅
的围岩压力进行 考虑隧道双洞
阶，
工过程的围岩压力分析 （谭盛等人[5]经过
算法的比较分析， 简、 的
等人[6]选 道围岩压力计算的7种常 算隧道
和隧道跨度等参数对围岩压力计算
道衬砌
面常用补
刘德军等人[7]为了
的影响；
足，探索纤维编织网 混凝土加固隧道衬砌的 学增等人[8] 道衬砌 16的 砌
衬砌
的关系，
处衬砌
簧 。
铁站一华山路站区间隧道沿线分布的风化岩主要为 风化~中等风化的泥岩， 较差易软 软弱夹。围等级为III&IV级，可以该区段的地层看作：碎 状节
体。本文
体隧道
体
道的变形和
：
，立 砌内力的影响。1
工程概况
高铁站一华山路站起点里程DK15 +750 3,终点里程
，分析不同围压
道衬
图1碎裂状岩体
[定稿曰期]2017 -06 -21[
金项目]国家自然科学基金（编号+51478396);新疆
(1970 ~)，女，高级工程师，主要从事
维吾尔自治区科技计划项目（编号+ 2013 - 1)
[作者简介] 地铁
工程设计与管理工作。
110
四川建筑第37卷5期2017.10
•岩土工程与地下工
2
裂结构岩
力学
等 35 m 时，
界
地 ( 图 2) 。
F
•
J
2.1碎裂结构岩体
碎裂结构岩体是指在III&IV级坚硬结构面切割下形成 的 也不同于完 重要的 体则既受 体力学作 于完
体。
现在岩体力学作 体主要受软
面控制，又受 体力学作用。
体
屑散体。 三种亚类:等
。以 ，即
砌体 状
体
，不等 按力学作 和
砌体
。
如图2所
常有四种面压缩闭合
，即
又以分为许
状
和亚类，主
，块状碎
典。本文依
■:1 1
体,既不同
体。这不仅表现在岩体
。就体力学
制，而
体一力学 面力学
体,，而且更说,±夬制。就体,又不同
■ ^ ■■乙-卜-卜1-^:-
1
\\
/
\\-〇
11
Hi
mgeMeewr0-说，同样，它既不同
丄
i
Hi
_
i
—6,卜肩 e=me
卜卜-
以归并为
L\\
y-%■
10B~81m
托工程区 道为不等 状
2.2碎裂结构岩体的变形破坏模式
体变
，即 变形、变
影响
比较
体压缩变形、
图2碎裂结构计算模型
，约 左右边界的水平位移和下边界的，P为上覆土压。计算共取22个工
的，它的变
上下位移。S为
体剪切变形、
况,埋深从10 ~900 m不等。
模型选取以下参数：GSI =50, GCi =75 MPa, * =8, 1 =0; SRC =11, Scs =75 MPa,& =26,容重,=26 kN/m3,泊 松比弘=0.27,变
为0, 考虑 考虑
围
（m =8 660.25 MPa,岩石抗拉强度
面剪切滑移变形。这 不仅在具体的岩体
不同，而且发挥作用的阶段亦不相同。
体的 主 ， 即 体 压
体沿着
面滑动，使体
解体。碎的复合破坏。
，解体;结构体滚动，使体 比较复杂的，属
，这情况比较少有； 解体;岩体
体
# =0.216 1 MPa;节理法向刚度均为=18.141 GPa,抗拉
标
面力学参数如表1所
。
。
衬砌主要作为安全储备来使用，
衬参数如表2所
析时不
3基本假设与模型的建立
由
散元
富含节
面和大变形的工
，本文采用
围岩
体在隧道
衬砌，选
3.1 基本假设程问题，因而较多应 UDEC离散元软件。为
4
体的
隧道衬砌内力分析
为了在 我们采
加入支护，
36 cm的struct梁单元
围压变
围压效应 衬砌，
道围
稳定性的影响，采用struct梁单元
衬砌的模作完成，衬砌析衬砌在不道
工
稳定性，做如下假设：
(1)
处平面应变状态;考虑第三维方向的应力分
；
材料，由于节理的存在而非各向
交,各组间
1
布，立平面计算
(2) 石为 同性材料；
(3)
面平直全长贯通，两组结构面
面的力学
距相等；
面 数 同;
同的，计算选取的
沿 断面全环封闭。采用地层一
受力的影响。
同围压水平下的内力变化， 情况下 道后主体
4.1 衬彻弯矩分析
各工况衬砌弯 后,衬砌弯 砌弯 隧道
显变化工况。
如图3所示。隧道埋深超过100 m
100 m时相同，因此只给出衬
(4) 固定左右边界水平位移及下边界竖向位移(超浅和浅埋情况下 界自由直
道 跨径的3倍，并
压力。
3.2模型的建立
为 衬砲断面图
体
道的
力学响应，按照面
的对缝
。岩体为
地表，
界施加
情下 界压力P模拟上
计算获得的各工况下衬砌最大弯矩值（绝对值）随 变化图如图4所示。
较小情况下，衬砌 （隧道
位弯矩较大，边墙
位
从图3、图4可以看出：(1) 道 位弯
较大的情况下，衬砌
弯矩较小，而边墙弯矩较大。
(2) 从衬砌弯 弯
4.2衬彻轴力分析
由于计算工况较多，此处仅给出轴力 显变化的
工况（图5)。 道 大于100 m ，衬砲轴力分布
100 m时相同，只绝对数值
差异。
大绝对值变
看，随埋深增大，衬砌
慢增大，由20 kN • m左右增大到40 kN • m左右。
裂结构，两组结构面间距均为0. 4 m，隧道跨度/= 8. 02 m，
宽度为10 跨约81m，底板距下边界约35 m，当拱 距
界 土
大 35 m 时 35 m， 并在
压力；当拱顶距
界 加
均布岩层压力
界的覆土深
四川建筑第37卷5期2017. 10
111
岩土工程与地下工程
表1各工况下围岩物性指标和结构面力学参数
围
工况12345678910111213141516171819202122
面
摩擦角/°59.9658.7857.7856.956.1155.454.7454.1453.5952.5851.6850.8850.1549.4844.7441.7539.5737.8536.4435.2534.2133.3
埋深
/m
粘力
c/MPa
向
/QPa
粘力
/MPa
摩擦角/°50.8749.2648.147.1946.4445.8145.2644..44.3343.5842.9442.3841.8941.4538.5536.8435.6334.33.9333.2832.7232.22
(b)埋深50 m
图5! 隧
衬
10152025303540455060708090100200300400500600700800900
0.5820.5940.6070.6210.6360.6510.6660.6810.6960.7270.7570.7870.8160.8451. 1121.3481.5621.61.9462. 1212.2882.447表2
0.9051.1931.4801.7672.0552.34126329132037843549255060711801754233028953468404046114589
0.030.0380.0460.0540.060.0670.0740.080.0860.0970.1090.120.130.140.2330.3150.3920.4640.5340.6010.6660.729
(c)埋深100
布
砌轴力分布较为均匀；隧道埋深大于等于100 m时，衬砌轴 力
变的有差异，
力
几乎为零，而两侧边墙轴
变 图 看， 变化几乎呈1 100 kN大慢增
力较大。
( 2) 从衬砌 力的 大绝 值随 道 道
10 ~ 35 m，衬砌最大轴力值随隧道 大的趋势，其数值从700 kN左右迅
左右;隧道
35~40 m，衬砌最大轴力值随
变
减小，其数值从1 100 kN左右迅速减少到300 kN左右;隧道
40 ~900 m，衬砌最大轴力值随隧道 大趋势，其数值从300 kN左右 4.3 安全性评价
取10 m、50 m、100 m埋深三个工况，讨论支护结构安全 性，计算出安全系数如表3 1 5所
3
衬砌结构材料参数
衬砌材料
C25混凝土
弹性模量
/GPa29.5
泊松比0.2
抗压强度 /MPa12.5
抗拉强度 /MPa1.33
700 kN左右。
。
埋深10 m时支护结构安全系数
位置拱顶拱腰拱脚
(a)埋深 10 m
(b)埋深 50 m
(c)埋深 100 m
面力
力/kN663.00756.00386.00256.0030.00
弯矩/(kN • m)
138.20-116.0044.60-112.0014.50
安全
系数Q3.096.62467.372.1415.91
安全性判别安全安全安全安全安全
墙脚仰从以 小，
图3 各隧道埋深下衬砌弯矩分布
隧道
计算获得的各工况下衬砌最大轴力值（绝对值）随 变化图如图％所示。
情况看，隧道埋深小于100 m时，衬
以看出： 较浅时，墙处安全系数较
的增大，
位
从图5、图6可以看出：(1)从衬砌轴力
个断面最为危险的位置。随着
置处的安全系数接近限值，断面其他位置的安全系数呈下降
112
四川建筑第37卷5期2017. 1〇
岩土工程与地下工程
表4
埋深50 m时支护结构安全系数
体存在明显结构效应时，必须用非连续介质力学分析的方法
安全
性判别安全安全安全安全安全
处
。
(2)通过离散单元法数值
，得了衬砌内力与围岩
看出，在
35
现突变，这
面力
位置拱顶拱腰拱脚墙脚仰拱
力/kN442.90398.20372.60298.4018.60
表5
弯矩/(kN • m)
128.40-68.4036.00-98.4018.60
安全
系数Q2.349.18161.322.8010.51
压力之间的关系，由衬砌内力的变
体
〜40 m处，衬砌内力出现突变，说围岩稳定 随围压的增大 大，隧道围岩稳定
效应丧失相吻合。同时可得出，隧道围岩稳定性
大后降低的变化趋势，即随着围压的增由较差向较好变化，当围压达
体
丧失结构效应的临界围压水平后再向较差变化。
参考文献
埋深100 m时支护结构安全系数
位置
力/kN
拱顶腰拱脚墙仰
25.00420.30551.40283.0012.80
面力
弯矩/(kN • m)
42.0088.4064.40106.3023.10
安全
系数Q4.404.77377.002.417.95
安全性判别安全安全安全安全安全
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韩勇，吴永清，陆孝如.离散元模拟碎裂结构岩体应力传播特
趋势。埋深达到100 3时，除拱脚位置外，断面其余位置安 全系数均较小，均处于较危险的状态。
&结论
(1)
体的力学作用和力学
地与它所处的应力
定水，这个围
-
状态有关，这称为岩体的围压效应。当围压超过 平时，岩体的 体丧失
效应迅速减少
以忽略的
压水平本文称其为岩体丧失
效应后，可以
刘德军，黄宏伟，薛亚东.纤维编织网增强混凝土加固隧道衬
效应的临界围压水平。岩简化为
介质处理，但
四川省土木建筑学会首套专家丛书问世
吃适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适含
四川建筑第37卷5期2017.10
113
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