高速铁路隧道穿越断层破碎带加固方法的数值模拟Word文档下载推荐.docx

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仅破坏了隧道的稳定性,而且直接影响了开挖

速度.

本文针对湖北某高速铁路隧道开挖遇断

层破碎带围岩变形破坏严重的问题,从宏观

到微观,采用了现场调查与数值计算的研究

方法,揭示了隧道开挖影响围岩稳定性的原

因,在此基础上,对比分析了断层破碎带围

岩加固前后的力学特性,验证了喷锚支护加

固方案的正确性.

1隧道断层破碎带围岩破坏特征和稳定

性影响因素

在隧道施工过程中,经常会遇到断层破碎

带,影响了施工安全和开挖速度,必须采取合理

的施工方法快速安全可靠地通过断层破碎带,防

备断层破碎带附近出现坍塌等现象.隧洞开挖时

断层破碎带围岩变形破坏的一般形式和特征为:

（1）拱顶坍塌.该形式破坏大多发生在

断层破碎带,软弱夹层带,软硬岩交接带中,

而且多由这些软弱夹层为突破点逐渐发展形成

的.另外,当采用钻爆法开挖隧道时,由于爆

破临空面不足,或一次爆破量过大等往往也引

发坍塌破坏;

（2）拱腰围岩坍塌.发生在开挖过程中,

由于围岩过分破碎,松散或存在倾向洞内的岩石

结构节理滑面而坍塌;

（3）底鼓.当松软的隧道断层破碎带处于

隧道底部,则会出现隧底隆起;

（4）支护结构变形破坏的宏观显现.始自

拱腰或边墙,初始表现为喷层开裂,围岩内鼓,

崩塌,涌水等,继而有土砂流出,大块岩体错

落,围岩坍塌.

隧道围岩是一个极其复杂的地质体,与

其他工程材料相比,它具有两大特点:

其一

是岩体内部含有节理,断层等各种各样的不

连续面,显着改变了岩体的强度特征和变形

特征;

其二是岩体含有原始内应力,其地应

力场的大小和方向都显着影响着围岩的变形

和破坏特性.

隧道开挖后的围岩稳定性,如果没有及

时的支护,则主要取决于隧道围岩承受的载荷

与其自承能力的相对关系:

围岩的承载能力大

于其承受的载荷,隧道围岩是稳定的,否则失

稳.根据围岩变形机理分析,得出影响隧道围

岩稳定性的因素主要有:

隧道围岩应力,最大

水平主应力,隧道断面尺寸和形状,应力释放

的程度等.

?

18?

2010年O6月

YANTUMAOGUGONGCHENG

2断层破碎带对隧道围岩稳定性的影响

岩体强度由于断层破碎带等结构面的存在

而大为降低.软弱结构面的存在破坏了岩体的

完整性,降低了岩体的整体强度.结构弱面的

特征决定了其抗滑阻力的大小,并在一定意义

上决定着隧道整体的稳定性.

隧道穿越断层,尤其是破碎带的断层,开

挖难度较大.破碎带规模一般宽度较大,它包

括除破碎带自身的宽度以及还有一个比破碎带

自身的宽度大得多的影响带.由于破碎带伴有

显着的黏土化和涌水,突破它时可能喷出大量

涌水和土砂,造成围岩失稳,支护变形破坏.断

层对隧道稳定性的影响与断层规模,断层本身

的特点及组合情况有关.断层的性质,产状,断

层两侧地层的岩性,岩体质量,断面形态,断层

破碎带的宽度,层泥存在与否以及断层的导水

性都不同程度地影响隧道结构的变形破坏.

3隧道断层破碎带围岩喷锚支护机理

隧道传统的"

荷载一结构"

模型的支护

方法是先确定支护荷载即围岩压力,然后用

相关的结构原理和设计方法确定支护结构,

但没有考虑围岩的自撑能力以及支护与围岩

的共同作用,视围岩为被动载荷,将围岩与

支护结构分离对待,认为围岩荷载与支护结

构的刚度无关,其主要支护方式为现浇混凝

土或钢筋混凝土衬砌,而忽视了围岩尤其是

岩质围岩都有一定的自撑能力.因此传统方

法过于保守,尤其是在构造复杂,断层交错

地段施工会非常困难.

随着地下工程规模的日益扩大,传统方法

已不能满足地下工程发展的需要.一些年来,人

们应用了对隧道支护系统的变形量测信息来指

导设计和施工的"

收敛一约束"

原理,使地下

工程技术发展进入了新的阶段.相继出现了锚

杆支护,喷锚支护,钢筋网喷射混凝土钢格栅

组合支护等作为隧道初期支护,以模筑混凝土

作为二次衬砌的方法.喷射混凝土是将混凝土

的混合料以高速喷射到隧道围岩表面形成的支

护结构,支护作用主要体现在提高围岩强度,

改善围岩应力状态,它使用于中等稳定的块状

结构围岩;

锚杆支护是一种在围岩中钻孔并在

孔中安设杆件以达到加固围岩和衬砌的目的.

锚杆支护作用主要体现在悬吊作用,组合梁作

用,加固作用;

喷锚支护是利用杆件加固深层

岩石形成承载拱,同时用喷射混凝土封闭围岩

表面而形成的联合支护形式,其应用范围广,

单纯采用喷射混凝土或锚杆不足以维护隧道时

均可使用该方法.

这类支护的共同特点是通过加固围岩,以

提高围岩自撑能力的目的.它强调充分发挥围

岩自撑能力并利用喷射混凝土,锚杆与围岩共

同作用的机理以保持围岩的稳定.软岩隧道支

护的岩石力学原理及支护与围岩共同作用原理

是,在软岩体中开挖隧道,破坏了原岩应力平

衡状态,隧道能否平衡取决于围岩物理力学性

质和原岩应力大小.对于硬岩,隧道周围的集

中应力小于其强度极限,隧道不用支护也能稳

定,对软弱围岩,隧道要保持稳定,必须依靠

各种形式的支护.

4某铁路隧道断层破碎带围岩稳定性分析

断层破碎带影响岩体稳定性的因素是软弱

结构面的发育程度和蚀变类岩石的含量.位于

湖北省某客运专线隧道的围岩结构面较发育,

两组扭裂结构面上充填有蒙脱石,绿泥石和高

岭土等,构成软弱结构密集带,从而改变岩石

物理力学性质,使围岩稳定性降低.隧道断面

开挖后,围岩主要表现出可塑,膨胀和流变等

软岩的变形特征,围岩局部应力集中,局部围

岩有少量拉应力存在.

4.1破碎带所含矿物成分类型及含量

该铁路隧道围岩以花岗岩为主,块状结

构,坚硬密实,对地下开挖工程较为理想,但

节理,断层等软弱结构面发育且不均匀,夹杂

着大量的蒙脱石,绿泥石和高岭土等蚀变类岩

石,将完整的岩石分割的支离破碎,有冲击载

荷时,易由局部塌落发展成大规模的塌方.

取隧道现场坍塌破坏点处的岩石试样进行

X一光射线的衍射分析,岩样以矽卡岩类及夹

层为主,各类岩石试样所含矿物类型及含量测

定结果如图l所示.

19?

从岩性测定结果看出,岩石试样所含的粘

土矿物主要是蒙脱石,伊利石,高岭石,绿泥

石和斜长石,其含量超过80%以上.由于坍塌

点的成分主要由粘土矿物组成,而这些夹层遇

水膨胀,崩解,软化异常强烈,是造成隧道围

岩垮塌的主要原因.

4.2岩石物理力学特性试验分析

为了获得隧道围岩的物理力学性质,本

次试验主要进行了岩石试件密度和含水率的测

定,纵波和横波波速的测定,劈裂试验,单轴

和三轴试验以及蠕变试验等.进行力学试验的

岩石包括:

花岗岩,矽卡岩,蚀变矽卡岩,大

理岩,闪长岩等影响隧道结构稳定性的代表性

围岩.

（一『^I薹日l五（i）

7毋fJ

kt石』

.

疋licI.

一

七石cJ._

C.l辛c'

类和含量）

试验完全依据岩石力学试验的相关规定进

行,为消除比尺效应,对岩石单轴抗压强度结

果进行了修正,其修正系数为0.92.对岩石单

轴抗压强度的试验结果进行离散程度计算,表

明其离散程度均小于20%的最低要求,所以试

验数据真实可靠.

通过常规力学试验,得出岩体的力学参数

和变性参数如表1所示,可看出该隧道围岩的物

理力学性质较好,岩块的抗压强度,内摩擦角

和内聚力等较高.通过劈裂试验得到的岩石抗

拉强度为5.23MPa～17.1MPa不等,基本上是

其抗压强度的1/10左右.通过大理岩和闪长岩

的蠕变试验表明,隧道围岩属于硬岩,其蠕变

特性并不十分明显.

岩体的力学参数和变形参数表1

岩种单轴抗压强度单轴抗拉强度粘聚力内摩擦角弹性模量泊松比

（MPa）（MPa）（MPa）（.）（GPa）

花岗岩39.773.8l4.1526.29.440.27

矽卡岩28.172.354.0738.411.220.23

蚀变矽卡岩l7.612.553.3529.35.010.27

大理岩23.047.296.4831.31】.22O.28

闪长岩39.7811.1110.5134.335.480.35

4.3断层破碎带围岩稳定性数值模拟分析

（1）网格划分与边界条件

根据对称性原则,选取计算模型,然后

划分计算网格及二维平面应变模型的六面体

单元.根据锚固方法的特点并结合该隧道围岩

实际条件,拟采用FLAC软件进行数值模拟计

算.因为它采用显式有限差分法程序,可以模

拟岩土及构筑于岩土中的工程结构在应力应变

下的力学行为,适合大变形问题.

根据现场参数,为模拟巷道开挖以后有断

层破碎带影响和支护以后的围岩变形及应力分

布,并与无支护无断层破碎带时进行比较,划分

的平面模型计算网格见图3.隧道宽度7.3m,高

度8.0m,隧道顶部距地表400m.模型宽度由开

挖隧道的宽度决定,根据圣维南原理,模型左

右宽度各取大约是隧道开挖宽度的3倍,所以宽

20?

NO.2

取44m,模型的高度根据圣维南原理,取48m.

位移边界条件:

两个侧面限制水平移动,

底面限制水平和垂直移动.

荷载边界条件:

模型上部施加自地表到顶

面的岩体自重=一IOMPa.

（2）物理力学参数与屈服准则

该隧道岩体以花岗岩为主,属弹塑性材

料,计算采用Mohr-Coulomb屈服准则:

1-o3一2一C

1S1n√1s1n'

一0_—_一1』____一（DV一（p

式中61,03分别是最大最小主应力,

c,（p分别为材料粘结力和摩擦角.当/≥0

时,材料发生剪切破坏.材料在达到屈服极限

后,在稳定的应力水平下产生塑性变形,在拉

应力状态下,若拉应力超过材料抗拉强度,材

料发生拉破坏.

模型采用理想弹塑性本构模型,确定计算

用的力学参数如表2.

计算采用的岩体力学参数表2

项目p（kg/m）B（Pa）S（Pa）IC（Pa）{F（.）JT（Pa）

围岩44206e92.9e90.28l4.25e6l26l1.5e6

破碎带2700le95e80.21I4e5l10l2e3

注:

数据来自现场地质调查并采用现场取样的岩石力学试验结果.

（3）计算方案与分析.