Ⅷ烈度地应力场千枚岩隧道围岩变形建模分析

Ⅷ烈度地应力场千枚岩隧道围岩变形建模分析摘要：本论文通过软件数值建模来分析计算薛城1号隧道围岩变形。

首先由勘察地质资料、实际监测资料来建立相应的隧道模型，然后通过模拟试算反演的方法来得出隧道围岩单位水平构造应力，再将水平构造应力加入到模型中进行计算，得出施加衬砌后，隧道围岩的地应力和变形值，最后再模拟对比分析5中经典岩性组合下的变形量，得出围岩变形量与掌子面岩性含量之间的关系。

关键词：Ⅷ烈度复杂地场建模分析地应力变形值掌子面岩性1 概述1.1 工程概况薛城1号隧道工程位于杂谷脑河左岸、木卡乡与薛城镇之间，距离汶川约30km。

薛城1号隧道洞身埋深在30～459m不等，围岩由卷云石英千枚岩、千枚岩及炭质千枚岩等组成，属软岩～较软岩，岩体片理面发育，层间结合差，受构造影响较强烈，节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎，稳定性较差～一般，地下水类型主要为基岩孔隙裂隙水，呈点滴水、线状渗出为主，为Ⅴ～Ⅳ级围岩。

其中含炭质千枚岩段岩质软，为Ⅴ级围岩，岩石遇水易软化，围岩遇水易产生较大变形。

1.2 地质构造和地震薛城1号隧道隧址区位于九顶山华夏系构造带西侧及薛城“S”型构造的南东侧交接部位，薛城S性构造位于汶川、薛城及米亚罗一带，由一系列S型褶皱和压性断裂组成，旋转中心位于薛城附近。

根据区域资料结合现场地质调查，隧址区主要受薛城S型构造中总棚子倒转腹背斜控制，该腹背斜的轴部位于ZK83+320附近，展布于汶川县总棚子至理县薛城附近，在测区内长约71km。

场地岩层片理总体倾向南东，薛城1号隧道进口及洞身段岩层片理优势产状：355°＜65°，出口段岩层片理陡倾，优势片理产状为345°＜83°。

受区域构造影响，隧址区节理裂隙较发育，场地主要发育3组裂隙：J1：300-310°＜22°，延伸＞5m，切深2-4m，张开1-3mm，裂隙面平直，间距0.2-0.3m，主控裂隙；J2：230-260°＜56°，延伸2-4m，切深0.2-0.8m，微张，裂隙面起伏粗糙，间距0.2-0.5m；J3：180-80°，延伸0.3-1m，切深0.2-0.4m，微张，裂隙面平直，间距0.1-0.3m。

新构造运动主要表现为大面积抬升运动和地震活动。

根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》国家第1号修改单，隧址区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.40s，地场对应地震基本烈度为Ⅷ度，属一级场地。

1.3 建模范围及研究薛城1号隧道ZK81+030～ZK81+100段在开挖初支完成后，围岩仍然在继续发生变形，且变形率较大，已发布预警通知。

本文主要通过软件数值模拟来分析计算薛城1号隧道围岩变形。

首先由勘察地质资料、实际监测资料来建立相应的隧道模型，然后通过模拟试算反演的方法来得出隧道围岩单位水平构造应力，再将水平构造应力加入到模型中进行计算，得出施加衬砌后，隧道围岩的地应力和变形值，最后再模拟对比分析5中经典岩性组合下的变形量，得出围岩变形量与掌子面岩性含量之间的关系。

2 不同里程段隧道横断面地应力及围岩变形建模分析2.1 模型建立及参数赋值根据隧道地质平、剖面图，建立隧道桩号为ZK81+000~ZK81+850段的围岩模型（如图2-1）：（蓝色为绢云石英千枚岩、黄色为炭质千枚岩）图2-1 薛城1号隧道ZK81+000~ZK81+850段主体模型薛城1号隧道围岩参数选取如下：地层年代Dvg1，岩土名称绢云石英千枚岩，Ⅳ级围岩，天然密度ρ=2.4 g/cm3，承载力基本容许值fa0=800 kPa，弹性（变形）模量E=2200 MPa，弹性抗力系数K=250 MPa/m3，泊松比μ=0.35，抗剪断强度C’=200KPa，φ＇=30°，摩擦系数（圬工和围岩）f=0.38；地层年代Dvg2，岩土名称绢云石英千枚岩，Ⅴ级围岩，天然密度ρ=2.25 g/cm3，承载力基本容许值fa0=400 kPa，弹性（变形）模量E=1400 MPa，弹性抗力系数K=150 MPa/m3，泊松比μ=0.4，抗剪断强度C’=100KPa，φ＇=25°，摩擦系数（圬工和围岩）f=0.3。

薛城1号隧道衬砌支护参数选取如下：深埋段Ⅳ级围岩类型，衬砌类型Z4，喷砼18cm，锚杆长度3m，纵×环1×1.2m，钢筋网φ6.5@25，格珊钢架10×15@1m，预留变形量6cm，模筑砼40cm，仰拱40cm；深埋段Ⅳ级围岩类型，衬砌类型Z4w，喷砼18cm，锚杆长度3m，纵×环1×1.2m，钢筋网φ6.5@25，格珊钢架10×15@1m，预留变形量6cm，模筑砼40cm；深埋段Ⅴ级围岩类型，衬砌类型Z5，喷砼24cm，锚杆长度3m，纵×环0.8×1.2m，钢筋网φ8@25，钢架Ⅰ18@0.8m，预留变形量10cm，模筑砼45cm，仰拱45cm；加强型Ⅳ级围岩类型，衬砌类型Z4j，喷砼22cm，锚杆长度3m，纵×环0.8×1.2m，钢筋网φ6.5@25，钢架Ⅰ16@0.8m，预留变形量8cm，模筑砼40cm，仰拱40cm；加强型Ⅴ级围岩类型，衬砌类型Z5，喷砼26cm，锚杆长度3m，纵×环1.2×1m，钢筋网φ8@20，钢架Ⅰ20b@0.6m，预留变形量25cm，模筑砼60cm，仰拱60cm；2.2 薛城1号隧道围岩地应力试算反演由于隧道围岩较破碎，不具备测试地应力的条件，但隧道围岩又受到构造应力的影响，因此本节尝试通过实测得到的衬砌变形数据，来对围岩的构造应力进行试算反演，选择平均埋深处（埋深435m）、模型两端的边界断面（施加初衬后）来进行模拟，通过试算的方法求得隧道围岩的水平构造应力。

以平均埋深处（埋深435m）断面（桩号为ZK81+220）为例，加入上部荷载（γH=10231 kN/m2=10.23MPa），根据监测数据，周边收敛为30mm。

通过设置水平应力试算，得出水平应力大概为4.5MPa时，初衬周边收敛刚好约为30mm。

图2-2 ZK81+220横断面水平构造应力试算（初衬变形量云图）然后再在上述模型基础上，对模型两端的边界断面进行试算，得到以下结果：对于隧道未开挖段的水平构造应力，采用插值方法来推测，推测隧道ZK81+000~ZK81+850段的水平构造应力为3.3~6.8MPa。

2.3 隧道最大主应力模拟分析将网格模型附上重力、水平构造应力及周边约束，并进行模拟分析，在最大埋深处（459m），分析计算得到以下结果（进口方向均为垂直于平面向外）。

图2-3 隧道最大主应力图提取最大主应力矢量图，得到最大主应力向与隧道轴线相垂直，与水平面的夹角约为63.8°。

提取隧道主应力计算结果，最大主应力范围为10.08~15.52MPa，可见隧道最大主应力为15.52MPa，基本与埋深正相关，即随着埋深增加而增大。

2.4 隧道围岩变形模拟分析隧道围岩开挖、施加初衬后，对围岩进行总变形模拟计算，其围岩最大位移在初衬拱顶附近，为14.3cm。

提取垂直位移计算结果，其范围为11.9~14.3cm。

2.5 隧道易变性段衬砌变形模拟分析在隧道主体单元中析取面单元建立衬砌模型，将锚杆、钢拱架强度折算进衬砌单元中进行模拟计算。

分别计算得到Z4型衬砌和Z5型衬砌的变形量（如图2-4、2-5）：图2-4 Z4型初衬变形模拟图 2-5 Z5型初衬变形模拟图由于Z4型衬砌拱顶变形量最大已达到14.3cm，其余部位也超过了10cm，这超过了原本设计的预留变形量6cm，再采用Z5型衬砌来模拟，通过对比发现Z5型衬砌能有效阻止围岩变形，使得围岩变形量减少41%，最大变形量为8.4cm，而Z5型预留变形量为10cm，这样原本超限的围岩变形量就在正常范围内。

2.6 掌子面不同岩性组合围岩应力与变形模拟分析根据勘察报告及掌子面素描图，总结了5种典型掌子面围岩岩性组合：围岩组合1：掌子面范围内绢云石英千枚岩占75%、炭质千枚岩25%；围岩组合2：掌子面范围内绢云石英千枚岩占25%、炭质千枚岩75%；围岩组合3：掌子面范围内绢云石英千枚岩和炭质千枚岩各占50%；围岩组合4：掌子面范围内炭质千枚岩占100%；围岩组合5：掌子面范围内绢云石英千枚岩占100%。

针对上述5种岩性的组合，分别建立相应模型，输入岩性参数，加入约束、上部压力（以平均埋深435m，围岩重度20KN/m³为例，则上部压力荷载为10230KPa）及水平构造应力（4500KPa），进行计算分析，以围岩组合1为例，其他组合类似。

2.7 围岩组合1数值模拟分析加入约束及上覆压力（10230KPa），水平构造应力（4500KPa）后模拟计算得到以下结果：围岩组合1的最大主应力图，其最大主应力主要分布于拱顶附近位置，为12.13MPa。

围岩组合1垂直位移量，其中围岩最大位移发生在拱顶位置，位移量为13.6cm。

2.8 典型围岩组合对比分析将5种组合的计算结果列为下表：5种围岩组合及其拱顶下沉位移模拟结果通过以上对比分析得出，导致围岩拱顶下沉位移增大的岩性影响因素中，其影响力大小为：炭质千枚岩>绢云石英千枚岩。

在薛城1号隧道中，由于围岩大部分较破碎，千枚岩在经地下水浸泡，岩性变得更差。

根据模拟结果，建立拱顶下沉位移与掌子面千枚岩含量的关系。

在炭质千枚岩含量达到50%时，曲线的切线斜率由小变大，拱顶位移变化速率相对增大较快。

所以当掌子面内围岩的炭质千枚岩含量超过50%时，隧道拱顶位移变形速率加大，开挖后围岩则很可能发生较大变形。

3 结论本文通过软件数值模拟分析计算薛城1号隧道围岩变形，得出不同里程段隧道横断面地应力及围岩变形，以及隧道衬砌受力分析，得到以下结果：（1）根据隧道工程地质图，建立K81+010~ZK81+100段围岩和隧道数值模型，并选择3个断面（平均埋深处、模型两端的边界断面），通其实际监测初衬得到的周边收敛值，来对水平构造应力进行试算。

（2）将相应参数输入到模型中，并在模型中加入试算得到的水平构造应力后进行计算分析，提取隧道主应力计算结果，最大主应力范围为10.08~15.52MPa，并作出隧道最大埋深处围岩最大主应力与隧道埋深之间的关系；再提取施加初衬后围岩的变形结果，最大变形量基本发生在拱顶附近，其范围为11.9~14.3cm。

（3）模拟分析了隧道K81+010~ZK81+100段Z4型初衬变形情况，由于最大变形量为14.3cm已经超过了预留变形量6cm，再模拟计算Z5型衬砌的变形结果并与Z4型支护相比，Z5型支护能有效防止围岩发生变形。