摘要：状岩体指的就是具有层状结构的火山岩、沉积岩以及副变质岩，其主要的结构为片理和层面。在状岩体围岩中开挖隧道会很容易导致非对称大变形的现象发生，从而引发一些列的工程质量问题，例如：二衬开裂、钢拱架扭曲等。因此，针对这些问题本文对状岩体隧道围岩稳定性进行数值模拟分析，
关键词：状岩体；隧道围岩；稳定性；数值分析
在进行状岩体围岩隧道开挖时，需要根据状岩体的结构特点进行层里面倾角对隧道稳定性的影响分析。在分析的过程中大多都是假设隧道轴线的方向和岩层的走向是平衡的[1]，以此简化问题的复杂性，但是在实际的施工现场隧道的轴向和层理的走向、倾向是复杂多变的。因此，本文以S地区的H工程为背景，通过对块体离散元数值的模拟，分析状岩体隧道的稳定性。希望可以探寻到隧道挖掘过程中围岩发生非对称形变的规律，可以为以后类似隧道的施工提供一定的技术参考和数据分析。
１工程背景
H工程隧道是按照二级公路的执行标准进行规划设计的，车辆的时速控制在60km/h。在隧道施工的过程时遇到的主要地层结构为三叠系变质板岩和砂岩。板岩外观大多为深灰色或者是灰褐色，其的主要特征为板状结构且层状结构比较薄，因此板岩遇水很容易变软，也正是因为此项特点经常会在以板岩为主的软弱岩层中发生隧道围岩的生大变形。该岩体含有的原生层里面较多，而且层里面的视倾角（岩体层理面和隧道掘进掌子面的交线与水平线之间的夹角）和倾向角（岩体层面和隧道轴线之间的夹角）变化的范围也比较的大[2]，所以在隧道施工的初期围岩发生型变得主要位置在隧道轮廓切线和层里面平行的位置。
在进行隧道开挖施工的过程中出现了以下几种问题：第一，隧道初期的支护结构发生了变形，并且严重的地方还出现了坍塌的现象，从而导致了混凝土的脱落、开裂、格栅钢架发生扭曲变形的现象，严重的地方岩体的形变大袋了60厘米，在发生变形后将格栅钢架的间距调整为600厘米的工字钢，但是依旧没能阻止岩体的变形，最终隧道的围岩出现了坍塌。第二，岩层为水平方向分布的岩体在开挖的初期自问结构较好，但是随着工程的进展地下水逐渐渗入，导致了岩体发生变形，拱顶的严重下沉。第三，容易发生变形的岩体主要为中层结构的薄岩板，在开挖初期的支护阶段会发生快速的变形，从而导致非对称内鼓现象的出现。
２建立数值模型
在进行建立块体离散元模型的时候使用的是3DEC数值模型软件[3]，初设模型的长、宽、深度分别为60厘米、60厘米、10厘米，设置层理面的间距为600厘米。为了让模型可以更好的反应层里面对围岩形变产生的影响，可以分为三种不同的状况进行工况计算，即，每次计算时侧压力系数不同：
工况1：侧压力系数为1时，oz=oy=ox=20MPa
工况2：侧压力系数为大于工况1的时候，ox=20MPa，oz=oy=10MPa
工况3：侧压力系数为小于工况1的时候，oz=20MPa，oy=ox=10MPa
在这些工况情况中，视倾向角和倾角的组合也有三种不同的类型，当视倾角等于0度的时候，倾向角在0到360度范围之内；当视倾角等于90度的时候，倾向角在0到360度范围之内；当视倾角的范围在0到90度之间的时候，倾向角的度数依然在0到360度范围之内。
３结果分析
3.1岩层产状和隧道的空间关系对围岩稳定性的影响
ａ．视倾角δ＝０°
根据研究分析得出当视倾角为0度的时候，层面的倾斜教并不会对破坏围岩的形态，使其发生位移，导致围岩发生形变严重和层里面剪力结构破坏严重的位置均在隧道拱底和断面拱顶的角落位置。由此可以判断，当视倾角度数为0 的时候剪力集中在拱底和拱顶的位置，因此层理面很容易遭受到剪力的破坏，而隧道拱形附近的围岩就很容易出现变形、断裂的现象。
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ｂ．视倾角δ＝９０°
当视倾角的度数为90度的时候，倾向角的度数在0-360度范围之内，倾向角度数不同对隧道围岩产生的形变特征和破坏程度都不相同，大致可以分为四种模式：第一，当倾向角等于0度或者是180度的时候，隧道轴线两侧的岩体结构呈现对称的形态，因此在发生隧道两侧的围岩的塑性区和位移转状态也是呈现对称性分布的。第二，当当倾向角等于90度或者是270度的时候，隧道轴线两侧的岩体结构分布情况和上述情况大致相同，但是在这种角度下层里面破坏严重的位置和发生竖向形变最严重的的区域均位移拱脚和拱肩的位置。第三，当倾向角的度数在270-360度或者是在90-180度之间的时候，左侧拱腰的位置是塑形区域主要的分布在地点，而左侧拱底和拱肩的位置是容易发生垂直形变的主要区域。第四，当倾向角的度数在180-270度或者是在0-90度之间的时候，右侧拱腰的位置是塑形区域主要的分布在地点，而腰侧拱底和腰肩的位置是容易发生垂直形变的主要区域。
ｃ．视倾角δ∈（０°，９０°）
当层理面的倾向角为0度、180度或者360度时，拱顶附近的位置是发生围岩塑性破坏最大的区域；倾斜角为180度的时候，当层理面的倾向角为90度或者270度时，左侧拱肩、拱腰以及右侧拱肩、拱腰附近位置是发生围岩塑性破坏最大的区域；当层理面的倾向角在0度到90度之间或者是270度到360度之间时，左右两侧的拱腰位置是发生围岩塑性破坏最大的区域；当层理面的倾向角在90度到180度之间或者是180度到270度之间时，左右两侧的拱肩位置是发生围岩塑性破坏最大的区域；
３．２地应力场的影响
ａ．视倾角δ＝０°
层理面视角等于0度，λ（侧压力系数）=1时，岩体的产状可以控制围岩塑性的破坏程度，当λ>1的时，围岩塑性的破坏程度主要受主应力方向的影响，当λ<1的时，围岩塑性的破坏程度不仅会受到主应力方向的影响还会受到层理面的影响。
ｂ．视倾角δ＝９０°
层理面视角等于90度，λ＜１与λ=１时隧道围岩的塑形分布和竖向的形变特征的分布范围差别较大，λ＞１与λ=１隧道围岩的塑形分布和水平方向的形变特征差别范围较大。
ｃ．视倾角δ＝３０°
当层理面的视倾角等于30度、λ＞１的时候，隧道围岩的形变和洞周变形会根据倾向角度的变化而发生相应位置的改变。通过对侧压力系数的对比可以得知，当侧压力系数小于1的时候，隧道的拱底和拱顶的位置是发生围岩塑形破坏严重的主要集中区域；当侧压力系数大于1的时候，围岩的塑形区域会在拱腰的位置大面积的出现。
3.3层状软岩地层大变形治理措施的建议
经过以上的数值分析可以得出影响状岩体隧道围岩稳定性的主要因素就是层里面的拉伸破坏以及剪切，隧道产生形变的大小受层里面视倾角度数和倾向角度数的影响。因此，在进行隧道初期支护工作的时候可以采取以下两种支护措施：第一，实行穿层定向锚固的支护方法，但是设计穿层锚索的时候要设计成压力型的锚索[4]，这样才可以有效的防止在层面卸荷的过程中被拉开。第二，当开始隧道挖掘工作的时候需要增大层面的粘结力，因此可以直接使用锚注的方法或者是注浆加固的方法。
４结论
对状岩体隧道围岩稳定性进行数值模拟分析工作，可以更明确的了解影响隧道围岩稳定性的主要因素，同时也可以通过相关的数值分析掌握隧道开挖过程中围岩非对称形变的变化规律，从而使隧道工程可以更加顺利进行完工。
参考文献：
[1]丁尧，王俊，徐国文.层状岩体隧道围岩稳定性的数值模拟分析[J].成都理工大学学报（自然科学版），2019，46（3）：363-372.
[2]杨超峰.基于离散元的层状岩体隧道围岩稳定分析[J].洛阳理工学院学报（自然科学版），2018，28（2）：28-32.
[3]邓少军，阳军生.水平互层岩体隧道稳定性数值分析[J].中国科技信息，2019，（16）：77-79.
[4]谭鑫，傅鹤林，陈琛，等.层状岩体中隧道稳定性数值分析[J].铁道科学与工程学报，2016，13（6）：1108-1113.
论文作者:崔亚军,李笠
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/6
标签：围岩论文; 隧道论文; 倾角论文; 发生论文; 倾向论文; 位置论文; 数值论文; 《基层建设》2019年第25期论文;