节理岩体隧道破坏规律与稳定性的数值研究
岩土力学中的隧道稳定性研究
岩土力学中的隧道稳定性研究在现代化城市的建设中，地下交通建设已成为一项必须的工程，其中地铁、隧道建设显然是重中之重。
隧道不仅可以改善交通拥堵问题并减少交通事故数量，还可以便于地下管道布置、城市排污及环境保护等。
然而隧道建设也会遭遇到风险，其中的隧道稳定性问题是隧道施工中一直困扰着岩土工程学家的问题。
岩土力学是研究岩石和土壤力学性质及其应用的一门学科，其中针对隧道稳定性的研究也成为学科研究中的重要方向。
可以说，了解岩土力学中隧道稳定性的原理，有助于合理的规划隧道的设计、建设和维护，从而降低隧道发生危机的风险。
隧道稳定性问题的研究方案：岩土工程技术人员需要考虑以下几个方面的问题，才能为隧道稳定性问题的解决提供方案：1.岩土力学计算：在隧道设计和建设过程中引入岩土力学原理，根据地下的地层情况和各种地质参数等，对隧道的稳定性进行计算和分析。
2. 地质勘探：在隧道设计的过程中，必须对勘探点附近地质情况进行详细的探测和分析，了解底部地层、地下水切换以及断层等信息，并据此进行参数计算，以此预测隧道的稳定性。
3.监测：在隧道建设过程中，需要进行隧道开挖及其他工程的监测，以及隧道的垂直形变、水位、温度等参数监测，从而及时发现隧道的运行状况。
岩土力学中解决隧道稳定性问题的方法：在实际工程中，针对隧道稳定性问题，有以下几种解决方法：1. 改变隧道的设计方案以降低施工用地对于岩土结构的影响。
2. 增加隧道施工环节中岩土工程的标准化与质量监控，提高施工的精度和安全性。
3. 引入新的材料和新的加固技术，从而保证隧道的稳定性。
4. 定期对已建的隧道进行检查、维护和加固，以确保隧道的长期稳定和安全运行。
在实际工程中，无论是计算、勘探、监测还是解决方案，都有它自身的特点，需要针对不同的隧道类型和地质条件，采用不同的方案进行解决。
如：隧道开挖前需要对地质情况再进行进一步了解，以及采用合理的加固技术尽可能降低岩土结构对隧道的影响等。
节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞稳定性的离散元法数值分析
第23卷 第7期岩石力学与工程学报 23(7)：1154～11572004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，20042002年6月28日收到初稿，2002年8月28日收到修改稿。
* 中国博士后科学基金(2002031045)资助项目。
作者 王贵君 简介：男，45岁，1983年毕业于阜新矿业学院，2001年获德国弗莱贝格工业大学工学博士学位，现任副教授、北京科技大学博士后，主要从事岩土流变力学、地下存储中的岩石力学问题和岩土力学数值分析方面的研究工作。
节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞稳定性的离散元法数值分析*王贵君(北京科技大学土木与环境工程学院 北京 100083)摘要 针对一高速公路隧道工程，应用离散单元法对节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞的稳定性及其机理进行了数值分析。
分析结果表明，当节理的赋存条件不利于隧洞稳定时，浅埋隧洞(如埋深只有5 m)的稳定性不如埋深较大隧洞(如埋深50 m)的稳定性好；反之，当节理的赋存条件有利于隧洞稳定时，则浅埋隧洞的稳定性比深埋隧洞的稳定性好。
分析结果还表明，“压力拱”效应在浅埋隧洞节理裂隙围岩稳定性中起着重要作用。
关键词 岩石力学，节理裂隙岩体，暗挖隧洞，埋深，稳定性分类号 TU 451 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)07-1154-04DEM ANALYSIS ON STABILITY OF UNSUPPORTED TUNNELS INJOINTED ROCK MASSES AT DIFFERENT DEPTHSWang Guijun(University of Science and Technology Beijing ， Beijing 100083 China )Abstract The stability of unsupported tunnels in jointed rock masses at different depths is analyzed using the distinct element method. The analysis of an autobahn tunnel shows that the unsupported shallow tunnels (for example ，at a 5 m depth) are not as stable as those at a larger depth (for example ，at 50 m) if the joints are steep and there exist more joint sets ，and vice versa. The pressure-arch effect on the stability of jointed rock mass surrounding a shallow tunnel proves to be important.Key words rock mechanics ，jointed rock mass ，mined tunnel ，depth ，stability1 引 言在隧道工程中，上覆岩(土)层对隧洞既是加载体又是承载体，其自身的重力往往是构成隧洞竖向荷载的主要来源。
隧道围岩稳定性分析与加固技术研究
隧道围岩稳定性分析与加固技术研究隧道作为地下交通工程的重要组成部分，其决定着城市交通的畅通与发展。
然而，在隧道的建设、运营及使用过程中，会因为地质条件、水文地质条件、姿态等多种因素导致围岩的不稳定性，从而引起严重的安全隐患。
因此，对隧道围岩稳定性进行分析及相应的加固技术研究，具有重要的实际意义。
一、隧道围岩稳定性分析1、地质条件及水文地质条件分析在隧道建设前，需要进行地质钻探等一系列勘探工作，获取地质、水文地质等方面的相关信息，以便为后续的设计工作提供精确的基础数据。
同时，根据不同地质条件和水文地质条件的特点，对于岩体的物理力学性质、化学特性和水文地质特征等进行分析，以提高隧道围岩稳定性预测的准确性。
2、姿态分析隧道的几何姿态是影响隧道围岩稳定性的重要因素之一。
根据隧道的设计参数和围岩的力学特性，对于姿态角、掏切比、围压大小等因素进行科学分析和提前预测。
只有将所有影响因素加以综合考虑，才能够准确预测隧道围岩稳定性，为后续的加固工作提供科学依据。
3、稳定性计算根据隧道的设计参数和围岩的力学特性，采用方法计算出隧道各截面的围岩稳定系数，确定隧道围岩的稳定性。
同时，进行有限元模拟分析，确定隧道围岩的应力状态，为后续的加固设计提供参考依据。
二、隧道围岩加固技术研究1、高压注浆高压注浆技术是目前隧道围岩补强加固技术中最常用的一种。
该技术通过向岩体内部注入一定数量的水泥浆，进而增强岩体的密实度和抗压强度，改善其力学性质，进一步提高隧道的围岩稳定性。
2、锚杆加固锚杆加固是指将钢筋或拉索预埋在洞壁内或洞壁周围的土层、岩体中，利用锚固力，将锚杆与洞壁紧密连接，从而达到加固效果。
该技术适用于较软的岩石或土壤，其不仅在岩体内部产生锚杆支撑框架，还可以增加其抗拉强度。
3、喷涂加固喷涂加固是利用喷涂机，将钢筋、混凝土等材料喷涂在洞壁上，形成喷涂墙或喷涂块，从而形成能够抗拆、抗析的加固效果。
相比于传统的加固方法，喷涂加固获得了广泛的应用，同时也逐步成为了加固技术的主要趋势。
节理岩体隧道围岩稳定性离散元数值模拟
等 弱面所切割 ， 是一种 不连 续 的地质介 质 ， 结构 面 和软弱 面
大 多是 由远古历史上 的地质构 造运动造 成的。另外 ， 岩体 本 身是 由固 、 、 的三相组成 的复合 体 ， 液 气 长期处 于应力场 和温
隧道采用钻爆法全断面开挖 ， 独头掘进 ， 装载机装 碴 ， 无 轨运输出碴 。根据现场施 工监测 在左 线里程 Ｚ ４ Ｋ ３＋４ ７处 ４ 左侧边墙和拱腰发生轻微岩爆 。左洞为 Ｔ 三叠 系嘉陵江组 薄层 一中厚 层隐 晶灰 岩 、 白云质灰 岩。块状结 构 ， 局部地段 为黄色 、 褐色泥灰岩互层 ， 层理发育 ～ 发育 ， 较 岩层产状基本 为９ ０～ｌ０ ／＿ ５ 一４ 。 节 理发 育 ， 隙产 状 基本 在 １。 ｇ 。 ／２ 。 ５ ， 裂 ０／ ／ ０ ， 理产状 与隧洞方 向平 等 ， 角为 ７ 。～８ 。 岩溶发 ＿８ 。节 倾 ５ ６，
［ 定稿 日期］０ １ ０ ０ ２ １ — ６— ９
便 能有效地解决这一 难题 。
育 。溶蚀发育 ， 溶隙 内有 砖红 色软 塑泥质 填充 ， 个别 地段夹
泥质和方解石 ， 夹石英晶体 ， Ⅱ级 围岩 。 属
１ 离散 元法 基本 原理
离散元法是 专门用 来解 决不 连续介 质 问题 的数值 模拟 方法 。该方法把 节理岩 体视 为 由离散 的岩块 和岩 块 间的节 理面所 组 成 ， 允许 岩 块平 移 、 动和 变形 ， 转 而节理 面 可被 压 缩 、 离或滑动 … 。因此 ， 分 岩体被 看作 一种不 连续 的离 散介
【 文献标识码】 Ａ
层 外 ， 伏 基 岩 为 三 叠 系下 统 大 冶 组 （ 、 陵 江 组 （ ｛ 和 下 Ｔ ）嘉 Ｔ）
中统巴东组（ ： 地层。嘉陵江组（ ｛ 和大冶组（ 地层 Ｔ） Ｔ） Ｔ）
隧道施工设计中的围岩稳定性分析方法研究
智能化和自动化技术的应用
利用人工智能和大数据技术进行围岩稳定性预测 开发自动化监测和预警系统，提高施工安全性 利用机器人和自动化设备进行隧道施工，提高效率和质量 利用虚拟现实和增强现实技术进行施工模拟和培训，提高施工质量和效率
跨学科融合和交叉创新
围岩稳定性分析的未来发展趋势将更加注重跨学科融合和交叉创新 跨学科融合可以带来新的思路和方法，提高围岩稳定性分析的准确性和可靠性 交叉创新可以促进不同学科之间的交流和合作，推动围岩稳定性分析技术的进步和发展 跨学科融合和交叉创新将为围岩稳定性分析的未来发展提供新的机遇和挑战
实践应用中常见的围岩稳 定性问题及解决方法
围岩稳定性分稳定性分析 的准确性和可靠性
围岩稳定性分析 的未来发展
分析方法的改进和创新
引入新的数据分析技术，如机器学习、深度学习等 改进现有分析方法，提高计算效率和准确性 结合工程实践，开发新的围岩稳定性分析方法 加强与其他领域的交叉学科研究，如地质力学、岩体力学等
经验公式法
原理：根据大量实测数据和经 验总结出的公式
适用范围：适用于各种地质条 件和围岩类型
优点：简单易用，结果可靠
缺点：需要大量的实测数据和 经验积累
围岩稳定性分析 的流程
收集资料和现场勘查
收集地质资料：包括地形、地质构造、岩性、地下水等 收集施工资料：包括施工方法、施工进度、施工质量等 现场勘查：实地考察隧道施工现场，了解围岩实际情况 收集监测数据：通过监测仪器收集围岩变形、应力等数据
隧道施工过程中的 围岩稳定性分析： 实时监测围岩稳定 性，及时调整施工 方案和施工方法， 确保隧道施工的安 全和质量。
隧道施工后的围 岩稳定性分析： 评估隧道施工对 围岩稳定性的影 响，为后续运营 和维护提供依据。
节理特性对隧道围岩稳定性影响的研究
节理特性对隧道围岩稳定性影响的研究
王贵君;任杨茹
【期刊名称】《河北工业大学学报》
【年(卷),期】2017(046)001
【摘要】以依托隧道工程为背景,应用离散元软件UDEC建立节理裂隙岩体中的未支护隧道数值模型,研究贯通节理特性对节理裂隙岩体中隧道围岩稳定性的影向.研究结果表明,隧道围岩较大环向应力的存在有利于隧道围岩的稳定性.贯通节理的倾角和间距对隧道拱顶围岩环向应力的分布影响很大,拱顶围岩中较大环向应力的出现会在拱顶形成“压力拱”,将上覆岩层的自重荷载向隧道两侧围岩传递,从而达到“自稳”状态.节理面的抗剪强度对未支护隧道围岩的应力状态和围岩稳定性有显著影响,控制着围岩可能的破坏形态.
【总页数】5页(P103-107)
【作者】王贵君;任杨茹
【作者单位】河北工业大学土木与交通学院,天津30040;河北工业大学土木与交通学院,天津30040
【正文语种】中文
【中图分类】TU45
【相关文献】
1.不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响 [J], 朱劲;徐幼建;许瑞宁
2.节理岩体隧道围岩稳定性离散元数值模拟 [J], 刘世超
3.考虑节理的六盘山隧道围岩稳定性研究 [J], 段隆臣;闫丰;蒲有林;谭松成
4.隧道围岩优势节理面统计及其块体稳定性分析 [J], 段群苗
5.不同节理位置及倾角对隧道围岩稳定性的影响分析 [J], 贺暄
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节理岩体隧道的稳定性分析及破坏机理
节理岩体隧道的稳定性分析及破坏机理彭双喜【摘要】In the past,only displacement,stress,size and distribution of plastic zone can be ob-tained when analyzing the stability of jointed rock tunnel.Neither can be found the location and range of the failure surface clearly,nor can obtain quantitative criteria of safety factor.Quantitative analysis for sta-bility of jointed rock tunnel is deduced in this paper by model test and numerical analysis.Failure state and safety factor of jointed rock tunnel are calculated by using FEM strength reduction.The results show that joint obliquityhas a greater impact on the location of failure surface.Ifα=0°,failure surface distrib-utes symmetrically on bothsides;ifα=30°and 45°,failure surface rotates with the change of joint obliq-uity correspondingly and distributes in the up-down parts ofjoint;ifα≥60°,failure surface transfers to the vault and the foots of the side wall mainly because of the gravity;in particular,ifα=90°,a failure surface can be formed in the middle of vault.The safety factor results show that safety factors reduce in different degrees in jointed rock tunnel compared with homogenous tunnel but joint obliquity has little impact on safety factor.With the reducing of joint spacing and strength,the safety factor decreases.%以往只有位移，应力，尺寸和塑性区分布在分析节理岩体隧道的稳定性时考虑。
岩体节理对隧道开挖稳定性的影响分析
参考文献
图 4 不同埋深下的隧道安全系数
大后减小。隧道 处 于 超 浅 埋 时，其 安 全 系 数 较 小，在 不 加 支 护的情况下难以自稳，这是因为埋深太浅，开挖后不能形成塌
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四川建筑 第 39 卷 2 期 2019. 4
· 岩土工程与地下工程 ·
（ a） 完整岩体计算模型
（ b） 节理岩体计算模型 图 3 计算模型示意
表 1 岩块及节理力学参数
项目
重度 / （ kN·m－3 ）
弹性模量 / GPa
泊松比
粘聚力 / kPa
内摩擦角 /°
岩块参数 23．0
4．0
法向刚度 / 切向刚度 / （ GPa·m－1 ） （ GPa·m－1 ）
· 岩土工程与地下工程 ·
岩体节理对隧道开挖稳定性的影响分析
张文胜
（ 西南交通大学，四川成都 610031）
【摘 要】 文章结合南垭路三号隧道，利用强度折减法原理，分别使用 FLAC3D 及 3DEC 软件进行数值 模拟计算，定量地分析了贯通节理对隧道稳定性的影响。通过计算，得出了软弱围岩中的隧道埋深与其稳定 性之间的关系，稳定性随埋深的增大而先增加后减小； 并通过对比发现，节理对岩体的削弱作用明显，在节理 岩体中修建隧道时，隧道支护应适当做保守设计。
5 结论
本文结合南垭路三号隧道的实际情况，利用强度折减法 定量化分析了节理对围岩稳定性的影响，得出了以下结论：
（ 1） 围岩稳定性随着埋深的增大而先快速增加到极值点 后慢慢减小。超浅埋及超深埋的毛洞自稳能力均较差，这与 隧道围岩能否形成具有自承能力的塌落拱密切相关，修建隧 道时，应当将隧道埋深控制在合理埋深区间内。
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【 文献标识码 】 Ａ
数值极 限分析 方法 ，即应用 有限元 等数值方 法进行 极
限分析 ，尤 其是有 限元强度 折减法在 边坡稳定 分析 中取得
＋
一ｋ＝０
（ １ ） （ ２）
１ １ ０ ．１ ＋０ ＂ ２＋ ０＂ ３
数 。本 文尝试 借鉴有 限元强度折 减法对 节理岩体 隧道进行 稳定分 析及破 坏规律 的研 究 ，为 节理岩体 隧道稳定 性分析
开辟新 的途径 。
２ 用有 限元强度 折减法分 析节理岩体 隧道破 坏状 况 及 其安全 系数
２ ． １ 有限元 建模及 计算参数 为研究不 同节理倾 角 、间距及 强度参 数时节理 岩体隧
贯通 的塑性破裂 面。通过安全 系数 结果表 明 ，相对 于 匀质隧道 ，节理岩体 隧道 安全 系数 均存在不 同程 度 的降低 ，其 中倾 角对安全 系数影响最 小，随节理 间距减 小、强度 降低 ，安全 系数均有所减小 。
【 关键词 】 节理岩体隧道；有限元强度折减法；稳定安全系数；破裂面
度 的围岩 ，为 消除节理贯 穿边界对 模型边界 的影响 ，节 理
范围考虑上下左右侧各 ３ 倍跨度 ，其余按岩块材料考 虑。围 岩左 右两侧边界 取为水平 向约束 ，下部边界取 竖 向约束 。 计算按照平面应变 问题考虑 ，岩块及 节理材料均用６ 节点 三
对 于强度与稳 定性 问题 ，本构模 型可采 用理想 弹塑性 模 型 ，屈服 准则采用摩 尔一库仑准 则或Ｄ ． Ｐ 准则 。Ｄ． Ｐ 准则 中 由于采用 的 圆形 屈服面不 同 ，计算 结果也不 同，安 全系 数大小 与程序 采用 的屈 服准则 密切相关 。
Ｄ ｒ ｕ ｃ ｋ ｅ ｒ －Ｐ ｒ ａ ｇ ｅ ｒ 屈服准则 （ Ｄ． Ｐ）：
［ 定稿 日期 ］ ２ ０ １ ３ － ０ ４ － ２ ６
四川建筑
第３ ３卷第 ３期
２ ０ １ ３ ． ０ ６
ｊ 《 鬻； 豢鏊糕簿雏繁
值分析 方法将 节理 岩体隧道稳 定性 引入 到定量分析 。从 强度及稳 定性 出发 ，运用有 限元强度折减 法分析
节理 岩体隧道 的破 坏状 态及 其安全 系数 ，研 究表 明 ，节理倾 角对破 裂面位置影响较 大 ，对 于ａ ＝ ０ 。 ，破 裂
面对称分布 于两侧 ；对 于ａ ＝ ３ ０ ｏ 、４ ５ ｏ ，隧道破 裂面随节理倾 角变化相 应旋转 ，分布于节理倾 向的上下游 ； 对 于６ ｃ ≥６ ０ ｏ ，主要 受 自重作 用 ，破裂 面转移 至洞顶及边墙脚位 置 ，特别ａ ＝ ９ ０ 。 时 ，隧道在洞顶 正 中形成 了
变量 。
对于Ｄ． Ｐ 准则 ，６ ｃ 、ｋ与岩 土材料Ｃ 、 有关 的常数 ，不 同的ａ 、ｋ在 平 面上代表不 同的圆。本文研究 属平面应变 问题 ，采 用Ｄ． Ｐ ４ 平 面 应 变关 联 法 则 下Ｍ． ｃ匹配 圆 屈 服 准
则。
都仅 限于分析 变形 、应 力 、塑性 区的大小 及分 布等。很少 有 研究 者 分析 节 理 岩体 隧道 的破坏 状 况及 其 稳定 安 全 系
１ ． ２ 采 用的 本 构 模 型 与屈 服 准 则
强度 参数 ，见表 ２ ，节 理宽 度统 一取０ ． ２ ｍ，共 建立 １ ０ 个 有
限元模型 。隧道洞室跨度 １ ０ Ｉ ｌ ｌ ，侧墙 高１ ０ ｍ，拱高５ ｍ，左
右侧边墙 角成半径 １ ． ５ ｍ的圆角 以减小 应力集 中的影 响 ，隧 道埋深为５ ０ ｍ。隧道范围左 右两侧和隧道下部均考虑５ 倍 跨
道 的破坏状 况及 安全 系数 ，变化 ５ 种节 理倾 角 （ ０ 。 、３ ０ 。 、
４ ５ 。 、６ ０ 。 、９ ０ 。 ）、 ３ 种 间 距 （１ ｍ、 ２ ｍ、４ ｍ ）及 ３ 种 节 理
１ 计算原理
１ ． １ 有 限元 强度折减 法基本原理 有 限元强度 折减法 的基本原 理是将岩 块与节理 强度参
、
≈ 譬 神＃
ｒ
泌 掌
～ 徽 张※ ■
节理岩体 隧道破坏 规律 与稳定性的数值研 究
赵 继浪 ， 唐 晓松 ，王永 甫
（ １ ． 四川省 工程 咨询研究 院 ，四川成都 ６ １ ０ ０ １ ２ ； ２ ． 后勤工程学院建筑工程系 ，重庆 ４ ０ １ ３ １ １ ；
（ ３）
理 面降低 了岩体 的完 整性和强 度 ，对 岩体 中隧道工程 的受 力 与破坏造 成很大 的影响 ，因此 ，节 理岩体 隧道的破坏状
态及稳 定性 与均质隧道相 比，发生 了很 大变化 。 以往研究 人员在 进行节理 岩体隧道稳 定性 分析时 ，大
式 中， 为应力 张量第 一不变量 ， 为应力偏量第二 不
３ ． 重庆市 地质灾害防治工程技术研究中心 ，重庆 ４ ０ ０ ０ ４ １ ）
【 摘要 】 以往研 究人 员在 进行节理岩 体隧道稳 定性 分析 时大都仅 限 于分析位移 、应力 、塑性 区的大 小及 分布 。不 能明确看 出其破 裂 面位 置与 范围，更无法得到 安全 系数 定量标准。 文章 通过模型试验 与数
数Ｃ 、ｔ ａ ｎ ｇ ｏ 值 同时折减直到节理岩体隧道破 坏 ，此时有限元 计算 中 自动生成 破裂面 ，并发 出破 坏信息 ，目前 国际上通
用软件 都采用非 线性计算 不收敛作 为破坏 判据 ，由此得到 的强度折 减系数 就是节理 岩体隧道 围岩 的稳 定安全 系数 ， 并可由此获得破裂面形态 。
了成功 ，被 广泛应 用 。而 隧道围岩稳 定分析 长期 以来 的概念 。而岩体 中往往存 在
大 量的节理 ，节理 面的强度 远远低 于岩块 的强 度 ，这些 节
＝
［ （ — ｃ ｒ ２ ） ＋ （ ｃ ｒ ２ 一 ） ＋ （ — ｃ ｒ ３ ） ］