2021年3期科技创新与应用
Technology Innovation and Application研究视界深埋软硬互层隧道围岩开挖稳定性研究
王仁鹏
（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州730000）
1概述
随着我国交通事业的迅猛发展，基础设施向着自然条件更恶略、地质条件更复杂的西部地区拓展，致使其在穿越自然条件复杂的山区时，遇到了大量不同倾斜角度的层状结构体。特别是拟建某隧道，隧道线路走向大部分与地层分界线、地质主构造线大致平行，导致顺层产生的深埋隧道围岩变形问题突出、集中，处理不慎可能给隧道的施工及运营带来较大风险。因此，分析不同岩层倾角地质构造稳定性是地下结构修建前的重要工作[1]。为此国内外学者对层状岩体隧道开挖展开研究并取得了众多成果。汪杰等[2-3]、刘攀等[4]、李小帅等[5]基于不同试验及数值模拟手段，对不同倾角节理岩体本构损伤、破坏特性做了研究分析；董志明等[6]、贾蓬[7]基于不同的假定条件，结合不同的计算理论，研究了软弱结构面影响下隧道围岩破坏特性；邓祥辉等[8]、谭鑫等[9]通过室内物理模型试验和数值计算的方法对不同岩层倾角隧道的变形特征及稳定性等进行了研究。
目前国内外学者对不同倾角节理岩体本构损伤、软弱结构面影响下隧道围岩破坏特性及不同岩层倾角隧道的变形特征及稳定性作了研究分析，且以浅层为主，关于因岩体倾斜且岩体之间节理、层理面等地质构造作用影响的深埋顺层隧道研究却鲜有报道。本文以拟建某隧道为例，就硬软互层隧道围岩开挖稳定性开展有限元计算研究，重点对不同岩层倾角隧道开挖围岩的稳定性和破坏模式进行分析评价。本项研究对促进该隧道的顺利建设有着显著的理论意义和重大的工程价值。
2工程概况
拟建某隧道全长约1815m，最大埋深约400m。隧道浅埋段埋深为15~50m。根据区域地质资料图及隧道工点资料，该隧道深埋顺层区间地层岩性以三叠系砂岩、泥岩及互层为主，泥岩紫红，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落；砂岩多为长石石英砂岩，浅灰、紫红，中-细粒结构，泥质胶结，中厚-厚层状，质稍硬。
根据现场大量基岩露头结构面产状测量统计：隧道
摘要：文章以拟建某隧道为例，就硬软互层隧道围岩开挖稳定性开展有限元计算研究，重点对不同岩层倾角隧道开挖围岩的稳定性和破坏模式进行分析评价。结果表明：（1）岩层倾角存在界限值，硬-软互层组合隧道为40°，小于或大于该值稳定安全系数均减小，10°~75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达16%。（2）强度折减条件下，围岩破坏模式随着倾角变化略有不同，主要破坏模式为滑移引发
条件下的滑移与层裂共同破坏。本项研究对促进该隧道的顺利建设有着显著的理论意义和重大的工程价值。
关键词：深埋顺层；隧道围岩；开挖变形；数值计算
中图分类号:U416文献标志码:A文章编号:2095-2945(2021)03-0091-04
Abstract:Taking a high-speed railway tunnel as an example,this paper carries out finite element calculation research on the excavation stability of hard and soft interbedded tunnel surrounding rock.The stability and failure mode of surrounding rock excavation at different dip anglesare analyzed and evaluated.The results show that:(1)There is a limit value of the dip Angle of the rock layer.The tunnel with hard and soft interbedded layers is40°,and the stability safety coefficient decreases if it is less than or greater than this value.The range of the stability safety coefficient varies up to16%in the range of10°~ 75°.(2)Under the condition of strength reduction,the failure mode of surrounding rock is slightly different with the change of inclination angles,and the main failure mode is the joint failure of slip and layer crack under the condition of slip initiation. This research has significant theoretical significance and great engineering value for promoting the smooth construction of the high-speed railway.
Keywords:deep buried bedding;tunnel surrounding rock;excavation deformation;numerical calculation
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作者简介：王仁鹏（1986-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：隧道设计与施工。
2021年3期
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
研究视界
围岩岩层产状为N30°~48°E/SE39°~50°，与线路夹角处于0°~30°之间；主要优势节理面两组（取平均值）：（1）N52°W/NE75°，（2）N42°W/SW81°，面理平整，闭合，无填充物，发育间距与层理厚度相当。
3数值模拟计算3.1模型建立
本模型宽度为120m 、高度为100m 。有限元模型取边界条件为：（1）模型底部施加法向约束；（2）
模型顶部施予上覆土压力的约束；（3）模型的左、右两侧，施加实测最大水平主应力。计算模型采用的是三节点的三角形单元，对模型进行有限元离散，并对有限元隧道模型断面附近的岩体作加密网格处理。隧道模型开挖时，按照全断面开挖考虑。计算模型如图1所示。
图1数值计算模型
3.2模型参数
本文地层主要包含了三种材料：（1）硬质岩；（2）软质岩；（3）结构面。本模型隧道围岩采用的是内置实体单元进行模拟，模型材料服从摩尔-库伦理想弹塑性本构关系[10]；模型结构面运用软件内置的GOODMAN 接触单元进行模拟。模型的岩层参数主要是参考《工程地质手册》和有关单
位提供的地勘报告里面的建议值，节理面参数参考的是室内土工试验测试得到的推荐取值以及同类计算得到的经
验值统一选取，
物理力学参数如表1所示。3.3模型工况
3.3.1稳定安全系数分析
采用有限元强度折减法计算各隧道的稳定安全系数，表2给出了倾角变化时隧道的稳定安全系数。
由表2分析可知：
（1）隧道安全系数随着岩层倾角增大表现为先增大后减小的趋势。当倾角为10°时，其稳定安全系数为2.82，随着倾角增大，稳定安全系数逐渐增加，倾角为40°时达到峰值3.07，之后稳定安全系数又逐渐减小，75°时降至2.57。
（2）岩层倾角存在界限值，硬-软互层组合隧道为40°，
小于或大于该值稳定安全系数均减小，10°~75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达16%。
3.3.2变形破坏模式
在前述稳定性计算的基础上，本文给出了强度折减至极限状态时隧道的变形破坏模式，如图2所示。
由图2分析可得出：
（1）倾角的大小对隧道破坏模式影响很大。当倾角较小（⩽30°）时，垂直于层面方向的位移量和破坏范围大，隧道围岩以弯曲折断破坏模式为主，即岩层向洞内弯曲折断，层面法向开裂；当倾角较大（>60°）时，顺层面方向变形范围占优势，但最大位移量表现于垂直层面方向，表
明隧道围岩破坏模式在顺层滑移破坏的基础上，垂直层面方向折断破坏最先启动的可能性较大，即岩层先弯曲折断，后引发较大范围的滑移；当倾角在30°至60°之间时，变形范围由垂直层面为主逐渐向顺层面为主转变，但顺层面向位移量大，
表明滑移破坏最先启动，后引发折断和滑移的共同破坏。
（2）无论哪种倾角，弯曲折断和顺层滑移都是存
在的，类别 重度γ /kN/m 3
弹性模量 E/GPa  泊松比ν 粘聚力 c/MPa  内摩擦角 φ/° 抗拉强度 /MPa  法向刚度 K n /MPa/m  切向刚度
K s /MPa/m  硬质岩（砂岩）
25 20 0.25    1.50 50 0.8 - - 软质岩（泥岩）
23    6 0.30 0.70 39 0.3 - - 结构面 -
-
-
0.04
15
-
10000
1000
表1围岩物理力学参数
岩层倾角
10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 75°
稳定安全系数    2.82    2.92    2.94    3.07    2.92    2.68    2.60    2.57
表2某隧道稳定安全系数
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只不过程度不一样，当倾角为40°，两种破坏模式的规模基本相当，此时得到的围岩稳定安全系数接近峰值。
4结论
本文以拟建某隧道为例，就硬软互层层理和共轭节理共同作用下隧道围岩开挖稳定性开展数值模拟研究，主要对不同岩层倾角隧道开挖围岩的稳定性和破坏模式进行分析评价。得到如下结论：
（1）岩层倾角存在界限值，硬-软互层组合隧道为40°，小于或大于该值稳定安全系数均减小，10°~75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达16%。
（2）强度折减条件下，围岩破坏模式随着倾角变化略有不同，主要破坏模式为滑移引发条件下的滑移与层裂共同破坏。
当倾角≤30°时，隧道围岩以弯曲折断破坏模式为主；当倾角>60°时，隧道围岩破坏模式在顺层滑移破坏的基础上，垂直层面方向折断破坏最先启动的可能性较大；当倾角介于30°~60°之间时，变形范围由垂直层面为主逐渐向顺层面为主转变，但顺层面向位移量大，表明滑移破坏最先启动，后引发折断和滑移的共同破坏。
参考文献:
[1]谭学林.重庆地区缓倾角岩层隧道上覆岩体变形破坏研究
[D].重庆交通大学，2017.
[2]汪杰，李杨，宋卫东，等.不同倾角节理岩体损伤演化特征分析[J].哈尔滨工业大学学报，2019，51（08）：143-150. [3]汪杰，宋卫东，付建新.考虑节理倾角的岩体损伤本构
模型（a）倾角为10°-FOS=2.82（b）倾角为30°-FOS=2.94
（c）倾角为50°-FOS=2.92（d）倾角为70°-FOS=2.60
图2强度折减至极限平衡时破坏模式图
(下转97页)
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Technology Innovation and Application设计创新
Spring可以说是一个以DI和AOP为核心Java Web 一站式的集成（粘合）框架。DI和AOP能够让代码更加简单，具有良好的松耦合特性和可测试性，极大地简化开发。Spring是一个极其优秀的一站式的Full-Stack集成框架，因此基于Spring核心，对Java应用开发中的各类通用问题几乎都提供了针对性的开发框架，比如Spring MVC，Spring Data。针对Spring的优秀特点项目组通过对比分析最终确定视频会议控制系统使用Spring框架。
2.2系统的实际应用
2.2.1视频会议系统的应用实现
（1）学院与上级教育局工作视频会议，部署专项工作，三个校区的工作视频会议。
（2）各学院专业的任课教师，通过视频会议系统，进行线上视频教学授课。
（3）老师与学生通过视频系统，进行视频交流及专业课程辅导答疑。
（4）疫情期间学院招聘视频面试，考核应聘的专业教师。
2.2.2系统视频会议功能的实现
系统兼容H.323协议和SIP协议，多个画面可在同一张屏幕上面分开展示，展示方式有很多种，其中包含常用的4、16、7+1等等，可自主对不同视频的分辨率等进行更改，对于声音大小及静音的调节在针对每一路的音频进行独立调整的同时，也可以将各路音频同时输出。该系统的数据会议采用独有的双流技术，无须增加任何设备
即可实现全部数据会议的功能。系统支持在线的单路或多路录像功能，包括所有数据会议的过程。
2.2.3系统的性能测试分析
（1）视频与音频效果仿真测试。
（2）MCU性能测试。（表2）
（3）测试结论与分析。
本系统成功建立之后，对其功能进行测评，并对结果加以分析，结果显示该系统所有功能均符合其运行标准，具备投入使用的所有条件。
3结束语
在未来，视频会议系统的应用必将使得学校教职工的工作效率大大增加，方便各校区教师的授课不受地域限制，减少现场会议集会的时间，同时保证课程、会议的时效性和安全性。可以预见，视频会议系统将在各个工作领域被广泛运用。
参考文献:
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[9]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（06）：1108-1113. [10]牌立芳，庞伟军，吴红刚，等.硬-软互层层厚构造影响隧道围岩开挖损伤研究[J].铁道工程学报，2020，37（01）：73-79+ 108.
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