陳文義，楊朝帥

(1.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009；2.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

( 1.China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Luoyang 471009,Henan,China; 2.Technical Centre,China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Luoyang 471009,Henan,China)

尺寸效應對節(jié)理化巖體硐室開挖穩(wěn)定性的影響分析

陳文義1，楊朝帥2

(1.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009；2.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

為了研究不同開挖尺寸和圍巖節(jié)理組傾角對隧道開挖變形穩(wěn)定的影響，應用UDEC程序，通過一些假設，設定計算域內(nèi)包含有水平垂直節(jié)理組(0°-90°)和傾斜節(jié)理組(45°-135°)2種計算情況，對硐室不同開挖尺寸下圍巖的變形穩(wěn)定情況進行數(shù)值模擬。結果表明：1)水平垂直節(jié)理組巖體中圍巖變形隨硐室開挖尺寸增大先緩慢增加，后呈指數(shù)形式急劇增加且失穩(wěn)，圍巖失穩(wěn)表現(xiàn)為貫穿地表的拱部上方巖體整體塌落；2)傾斜節(jié)理組巖體中圍巖變形隨硐室開挖尺寸增大先緩慢增加，后急劇增大且失穩(wěn)，圍巖失穩(wěn)表現(xiàn)為拱部圍巖局部塌落；3)傾斜節(jié)理組巖體中硐室開挖后變形比相應水平垂直節(jié)理組的要大。

尺寸效應；節(jié)理組；節(jié)理傾角；硐室開挖

0 引言

工程區(qū)域巖體一般都是在形成過程中以及形成以后又經(jīng)歷了復雜的地質(zhì)構造活動，從而成為有不同尺度結構面的復雜巖體。巖石的抗壓強度與試件的形狀及尺寸密切相關，即不同尺寸巖石的強度與變形特性存在很大力學差異，這使得特定尺寸巖石的強度和變形特性不能直接應用于巖土工程設計。因此，研究巖體巖石的尺寸效應對眾多工程建設有重要意義。

目前，對巖石尺寸效應的研究，成果頗豐，但還不很成熟。文獻[1]首次基于不同尺度大理巖石的單軸壓縮實驗結果,得出強度隨巖樣長徑比變化而變化,顯示出其具有尺度效應。隨后，眾多學者在各個領域都開始進行一些關于巖石尺寸效應的研究。文獻[2-3]對巖石材料的非均質(zhì)性與強度尺寸效應之間的關系進行了探討,指出巖樣尺寸效應不僅體現(xiàn)在強度的平均值上,而且與強度的離散性有關,同時對單軸拉伸強度隨尺寸的增大而降低的規(guī)律進行了研究。文獻[4]指出，隨著試件尺寸的增大,巖石的瞬彈性變形能力隨之增大,巖石抵抗蠕變變形的能力隨之減小，但當試件足夠大時,這種變化會趨于緩和而變得不再明顯；同時可表明，隨著巖石尺寸增加到一定程度，尺寸效應將越來越不明顯，也就證明了尺寸效應是由于巖石中包含的節(jié)理裂隙的多少決定的。文獻[5-11]通過具體的數(shù)學推導，得出具體計算巖體力學參數(shù)與特征體單元REV的關系表達式，從而在具體的工程應用中，可以根據(jù)巖體的具體尺度大小選擇合理的力學參數(shù)。文獻[12-14]通過生成隨機節(jié)理，對巖體巖塊進行了相應的數(shù)值模擬。文獻[15]基于物理力學試驗與細觀參數(shù)統(tǒng)計分布理論，建立試樣尺度的隨機概率模型，將完整巖塊的尺寸效應與節(jié)理巖體的尺寸效應有機連接。

上述文獻對尺寸效應的研究主要是針對巖體或巖塊尺寸與其力學性質(zhì)之間的關系，所采用的方法主要是試驗手段。在節(jié)理巖體中的地下工程，圍巖的穩(wěn)定性與硐室開挖尺寸、節(jié)理產(chǎn)狀、間距等因素間的關系的定量研究還不多。本文采用離散元程序UDEC，對節(jié)理化巖體下不同尺寸的硐室開挖進行數(shù)值計算，研究不同節(jié)理組傾角對硐室穩(wěn)定性的影響。

1 硐室開挖的尺寸效應

地下巖體一般都不是一個完整的巖塊，而是一個由錯綜復雜的節(jié)理裂隙分割而成的不連續(xù)體(見圖1)。對尺寸一定的一個巖體范圍，當節(jié)理密度較大時，所分割成的巖塊相對較??；當節(jié)理密度較小時，所分割出來的巖塊就相對較大。本文要研究的硐室開挖的尺寸效應是指：由節(jié)理分割出來的巖塊尺寸大小與硐室開挖尺寸大小之間的規(guī)律，即隨節(jié)理密度增大，巖塊被切割的越小，一定開挖尺寸下的硐室越不穩(wěn)定；也可以認為在一定節(jié)理密度下，巖塊被切割的尺寸固定下來，則隨著硐室開挖尺寸的增大，圍巖的穩(wěn)定性將會如何減弱，變形將會如何增大。另外，本文還將研究不同節(jié)理組傾角對硐室穩(wěn)定性的影響。因此，本文所研究的尺寸效應與前人研究的關于巖塊尺寸與其力學性質(zhì)之間規(guī)律的尺寸效應是不同的。

2 模型建立和討論

2.1 模型假設

本文的研究方法是應用UDEC離散元程序進行數(shù)值計算，對計算模型有如下假設。

1)在計算域內(nèi)，將實際情況下的不規(guī)則節(jié)理化巖體假設為一組水平節(jié)理組和一組垂直節(jié)理組(0°-90°節(jié)理組)，這2組節(jié)理組的節(jié)理相互平行，且間距相等(均為0.5 m)，2組節(jié)理組物理力學參數(shù)相同。在保持節(jié)理組間距不變的情況下，逐漸增大硐室開挖尺寸，依次為5，6，7，8，9，10 m，且硐室的高跨比均為1.5。0°-90°節(jié)理組巖體中不同開挖尺寸的硐室見圖2。

圖1 不規(guī)則節(jié)理巖體示意圖Fig.1 Schematic drawing of rock mass with irregular joints

圖2 0°-90°節(jié)理組巖體中不同開挖尺寸的硐室Fig.2 Caverns with different excavation sizes in rock mass with 0°-90°joint sets

2)研究節(jié)理組傾角對硐室開挖圍巖穩(wěn)定性影響時，將2組節(jié)理組調(diào)整為與水平方向夾角為45°和135°傾角即可，其他假設條件參照水平-垂直節(jié)理組(0°-90°節(jié)理組)的情況。45°-135°節(jié)理組巖體中不同開挖尺寸的硐室見圖3。

圖3 45°-135°節(jié)理組巖體中不同開挖尺寸的硐室Fig.3 Caverns with different excavation sizes in rock mass with 45°-135° joint sets

2.2 模型建立

計算域范圍為水平方向50 m，垂直方向40 m,硐室埋深為30 m，硐室形狀為直墻圓拱形。

1)邊界條件。在垂直方向上限制模型底部的位移，在水平方向上限制模型兩側的位移，頂部承受上覆巖體的自重應力。

2)初始地應力場。主要考慮自重應力場，水平應力與垂直應力之比為0.5。

3)本構關系的選擇。對巖體采用摩爾-庫倫塑性模型，對節(jié)理采用面-面接觸庫倫滑動模型。

4)計算參數(shù)的選取。巖體及節(jié)理有關力學參數(shù)大致相當于IV類圍巖，其參數(shù)參照TB 10003—2005《鐵路隧道設計規(guī)范》取得。巖石、節(jié)理的物理力學參數(shù)見表1和表2。

表1 巖石的物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 節(jié)理的物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of joints

具體模擬過程為：首先建立模型，形成初始應力場，然后分別計算開挖尺寸為5，6，7，8，9，10 m，硐室高跨比均為1.5，計算至平衡即可。

根據(jù)上述假設條件和計算模型，應用UDEC離散元程序，分別研究了水平-垂直節(jié)理組和45°-135°節(jié)理組巖體中不同硐室尺寸開挖后圍巖變形情況，并對比分析了節(jié)理組傾角對圍巖變形的影響。

3 計算結果分析與討論

3.1 0°-90°節(jié)理組模型

拱頂沉降隨硐室開挖尺寸的變化曲線見圖4。硐室不同開挖尺寸下圍巖周邊位移見圖5。由圖4和圖5計算結果可知：當開挖跨度小到5 m時，拱頂沉降非常小，只有4.4 mm，相應的硐室圍巖最穩(wěn)定(見圖5(a))；隨著開挖尺寸增加到8 m，圍巖變形急劇增大并出現(xiàn)開始失穩(wěn)，此時拱頂沉降為116 mm，但由圖5(d)看出，硐周圍巖并未出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象，而是出現(xiàn)了貫穿至地表的硐室拱部上方圍巖整體塌落；隨開挖尺寸的繼續(xù)增大，這種連帶地表塌陷的拱部上方圍巖整體下滑越明顯，見圖5(e)和5(f)。另外，由圖4還可以看出：在硐室開挖尺寸較小時(<7 m)，隨開挖尺寸的增大，拱頂沉降增加較小，尺寸效應對圍巖的穩(wěn)定性影響也較?。坏旈_挖尺寸逐漸增大超過7 m時，拱頂沉降開始急劇呈指數(shù)增大，尺寸效應對圍巖的穩(wěn)定性影響越大。實際上，在開挖尺寸超過8 m后，過大的拱頂沉降已不再是圍巖變形所致，而是貫穿地表的整體塌陷引起的。

圖4 0°-90°節(jié)理組模型拱頂沉降隨硐室開挖尺寸的變化關系Fig.4 Crown settlement Vs excavation size of caverns in rock mass with 0°-90° joint set dip angle

3.2 45°-135°節(jié)理組模型

拱頂沉降隨硐室開挖尺寸的變化曲線見圖6。硐室不同開挖尺寸下圍巖周邊位移見圖7。由圖6和圖7計算結果可知：當開挖跨度小到5 m時，拱頂沉降非常小，只有18 mm，相應的硐室圍巖最穩(wěn)定(見圖7(a))；當開挖尺寸從6 m增大到7 m時，拱頂沉降從33 mm增大到5 m多，圍巖失穩(wěn)；隨著開挖尺寸增加超過6 m時，圍巖變形開始急劇增大并出現(xiàn)失穩(wěn)，此時拱頂沉降為116 mm，從圖7(c)看出，與0°-90°節(jié)理組模型計算結果不同的是，沒有出現(xiàn)貫穿至地表的硐室拱部上方圍巖整體塌落，而是出現(xiàn)了拱部圍巖的局穩(wěn)塌落。另外，由圖6還可以看出：在硐室開挖尺寸較小時(<6 m)，隨開挖尺寸的增大，拱頂沉降增加較小，尺寸效應對圍巖穩(wěn)定性的影響較小；但當開挖尺寸逐漸增加超過7 m時，過大的拱頂沉降已不再是圍巖變形所致，而是拱部圍巖局部塌落引起的，此時尺寸效應對圍巖穩(wěn)定性的影響很大。

3.3 不同節(jié)理組傾角的對比

0°-90°節(jié)理組模型與45°-135°節(jié)理組模型拱頂沉降差隨硐室開挖尺寸的變化關系見圖8。由圖8可知:在相同開挖尺寸下，傾斜節(jié)理組巖體中硐室變形要比水平垂直節(jié)理組的大，其中在開挖尺寸小于6 m時，兩者拱頂沉降量相差不大，約為27 mm，但當開挖尺寸為7 m時，此時水平垂直節(jié)理組還未出現(xiàn)大變形，而傾斜節(jié)理組已經(jīng)出現(xiàn)拱部圍巖局部塌落，因此兩者位移差值接近6 m;隨著開挖尺寸繼續(xù)增大，水平垂直節(jié)理組開始出現(xiàn)貫穿地表的整體下塌，兩者的沉降量差值又開始減小。因此，傾斜節(jié)理組巖體中，由于控制圍巖失穩(wěn)的是拱部局部圍巖的塌落，這在較小開挖尺寸下就能夠出現(xiàn)；而在水平垂直節(jié)理巖體中，由于控制圍巖失穩(wěn)的是貫穿地表的拱部上方圍巖整體塌落，這在有較大地應力情況下，需要開挖較大的硐室尺寸才能夠出現(xiàn)。

圖5 0°-90°節(jié)理組巖體中硐室圍巖位移
Fig.5 Displacement of surrounding rock of caverns in rock mass with 0°-90° joint set dip angle

圖6 45°-135°節(jié)理組模型拱頂沉降隨硐室開挖尺寸的變化關系

Fig.6 Crown settlement Vs excavation size of caverns in rock mass with 45°-135° joint set dip angle

圖7 45°-135°節(jié)理巖體中硐室圍巖位移
Fig.7 Displacement of surrounding rock of caverns in rock mass with 45°-135° joint set dip angle

圖8 0°-90°節(jié)理組模型與45°-135°節(jié)理組模型拱頂沉降差隨硐室開挖尺寸的變化關系

Fig.8 Crown settlement difference between rock mass with 45°-135° joint set dip angle and that with 0°-90° joint set dip angle Vs excavation size

4 結論與探討

1)水平垂直節(jié)理組巖體中圍巖變形隨硐室開挖尺寸增大先緩慢增加，后呈指數(shù)形式急劇增加且失穩(wěn)，圍巖失穩(wěn)表現(xiàn)為貫穿地表的拱部上方巖體整體塌落。

2)傾斜節(jié)理組巖體中圍巖變形隨硐室開挖尺寸增大先緩慢增加，后急劇增大且失穩(wěn)，圍巖失穩(wěn)表現(xiàn)為拱部圍巖局部塌落。

3)傾斜節(jié)理組巖體中硐室開挖后變形比相應水平垂直節(jié)理組的要大，這是因為傾斜節(jié)理組巖體硐室開挖失穩(wěn)方式較水平垂直節(jié)理組巖土的容易實現(xiàn)。

本文所得到的研究結論，能夠從理論上給相關科研人員提供一個研究方向，從而更深層次探索節(jié)理化巖體硐室不同開挖尺寸下圍巖失穩(wěn)破壞的機制。在今后的研究中，需要現(xiàn)場工程技術人員進行相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)來進一步驗證本文的結論，這也是今后工作的一個方向。

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鄭州規(guī)劃8條地鐵到2020年將形成5條運營線路

從河南省發(fā)改委獲悉，鄭州市城市軌道交通近期建設規(guī)劃獲國家批復，標志著鄭州市城市軌道交通建設進入了新的階段。

經(jīng)國務院批準，國家發(fā)改委印發(fā)了《關于印發(fā)鄭州市城市軌道交通近期建設規(guī)劃(2014—2020年)》(發(fā)改基礎[2014]741號)。其中，鄭州市中心城區(qū)城市軌道交通線路網(wǎng)由8條線路組成，總長約277.1 km，線網(wǎng)密度0.66 km/km2，設換乘站35座。到2020年，形成5條運營線路。鄭州市區(qū)公共交通占機動化出行量比例達60%以上，軌道交通占公共交通出行量比例達25%以上。

近期(2014—2020年)將規(guī)劃建設1號線二期工程、2號線二期工程、3號線一期工程、4號線和5號線。

(摘自 中鐵工程裝備集團有限公司 http://www.crectbm.com/News/View/5642.aspx 2014-05-05)

AnalysisonInfluenceofSizeEffectonExcavationStabilityofCavernsinJointedRockMass

CHEN Wenyi1,YANG Chaoshuai2

In this paper,numerical simulations are made to study the influence of different excavation sizes and different joint set dip angles on the deformations of tunnels excavated in fractured rock mass by using the code of UDEC.It is assumed that there are two types of joints,i.e.,joints with horizontal-vertical dip angles (0°-90°) and joints with inclined dip angles (45°-135°),in the influenced domain.Conclusions drawn are as follows:1) The deformation of the surrounding rocks of tunnels in rock mass with horizontal-vertical joint sets grows slowly as the excavation size of the tunnel increases before the deformation grows dramatically and failure occurs.The failure takes the form of integral collapse of surrounding rocks above the crown toward the ground surface; 2) The deformation of the surrounding rocks of tunnel in rock mass with inclined joint sets grows slowly as the excavation size of the tunnel increases before the deformation grows dramatically and failure occurs.The failure takes the form of local collapse of surrounding rocks at the crown; 3) The deformation of the tunnels excavated in rock mass with inclined joint sets is larger than that of the tunnels excavated in rock mass with horizontal-vertical joint sets.

size effect; joint set; dip angle of joint set; cavern excavation

2013-04-18;

2014-02-20

陳文義(1966—)，男，四川資陽人，1988年畢業(yè)于蘭州交通大學，鐵道工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事隧道及地下工程施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.005

U 45

A

1672-741X(2014)05-0418-05

( 1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.TechnicalCentre,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)