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复杂地质条件小净距隧道围岩稳定性研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 239次


袁 健 段天骁 杨高飞

(华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌330013)

[摘要] 针对隧道侧部存在溶洞条件下的非均质偏压小净距隧道,采用FLAC3D软件对四种工况隧道开挖进行模拟。结果表明:均质硬岩隧道和均质软岩隧道围岩位移和应力状态均发生了较大变化,在偏压作用及溶洞的影响下,溶洞与隧道间围岩及中岩墙岩层受到扭曲,围岩应力集中,剪切塑性区贯通;初期支护发生较大位移,左隧道左边墙和左拱脚初期支护应力集中,软岩隧道及中岩墙水平位移较大;后继隧道施工时,中岩墙有向内侧滑移的风险。建议施工中切实加固隧道围岩,确保隧道与溶洞间围岩及中岩墙部位稳定。

[关键词] 隧道工程;小净距隧道;塑性区;开挖方式

[中图分类号] U455        [文献标志码] A      [文章编号]

Study On Stability Of Surrounding Rock Of Small Clear-distance Tunnel With Complicated Geological Conditions

Yuan Jian, Duan Tianxiao, Yang Gaofei

( School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang,Jiangxi 330013,China)

AbstractStable effects of different surrounding rock are studied after small-distance tunnels under unbalanced pressure with a cave in the side position located in complicated geological conditions under four different excavation manners with FLAC3D. The result shows that the deformation and stress status of the surrounding rock is significantly changed in homogeneous hard rock and homogeneous soft rock. Due to the presence of unbalanced pressure and cave in the side position, the focus areas of stress which distorted and filled by the plastic zones of shear are the surrounding rock of the half-hard and half-soft rock of the wall of small-distance tunnel and the rock between the cave and tunnel; Initial Support has relatively large displacement. The left sidewall and left arch springing of left tunnel are the focus areas of stress of initial support. The soft rock and the wall of small-distance tunnel have relatively large horizontal displacement. Especially the wall of small-distance tunnel has the tendency of slippage to the inside of the tunnel when the right tunnel excavated. To ensure safety, the rock between the cave and tunnel and the wall of small-distance tunnel should be reinforcement in advance in construction are pointed out especially.

Key wordstunneling engineering; small clear-distance tunneling; plastic zone; excavation manner


0引言

小净距隧道施工工序复杂、围岩扰动大,尤其是在地形偏压、非均质岩层及溶洞发育等环境下围岩稳定性更加难以保证。针对处于软硬岩相交处的围岩以及溶洞与隧道开挖面之间的围岩来说,由于溶洞的影响、岩体刚度的较大改变,在掌子面开挖后,围岩稳定性变差甚至隧道坍塌均会发生。谭坤等[1]为得到小净距隧道存在偏压时非均质地层的作用,采用了数值模拟和模型试验两种方法进行研究。韩同春[2]等认为对于软硬岩共存的隧道,施工方法的选择尤为重要,建议采用预留核心土法。夏才初[3]、张国华[4]等认为对于软硬岩层共存的小净距隧道应加强监控量测。喻军等[5]认为软硬岩相交处岩体强度较低,隧道开挖后易发生塌方、岩体滑移等地质灾害,建议施工时加强监控量测。罗强[5]研究了增长锚杆的方案,该方案应用在存在偏压的半土层半岩层隧道中。祁寒[7]等通过三个方面研究了不同净距的非均质隧道,这三个方面是:竖向半软半硬岩、均质软岩、均质硬岩。虽然相关学者已对软硬岩共存时小净距隧道开挖围岩稳定性进行了研究,但是对存在偏压作用和侧部溶洞时,研究软硬岩共存时隧道开挖对围岩稳定性的影响还较少。文章根据宜张高速公路某偏压小净距隧道开挖背景,首先模拟四种开挖工况,重点考察均质硬岩、均质软岩隧道的围岩位移和应力、锚杆轴力、初衬位移和应力,然后选择一种开挖工况进行加固前后对比分析,进而指导施工。

1 工程概况

根据工程背景,隧道左洞先行开挖,右洞为后行洞,在开挖中发现某一段围岩左洞为均质硬岩,围岩等级为IV级,岩体较完整,右洞为均质软岩,围岩等级为V级。根据雷达探测显示,左洞左侧存在一较大干溶洞,高约8m,宽约10m,,纵深约15m,溶洞距离左侧隧道4m。该工程段以泥灰岩为主,夹黏性土软弱夹层,左隧道埋深约50m,右隧道埋深约40m,中岩墙厚4m,坡度约1:1.5,表面植被层较浅,以黏土腐殖质填充,杂以碎石。



2 模型建立

2.1 计算模型

 


为建模方便,假定中岩墙左侧全部为硬岩,右部全部为软岩。X轴、Y轴、Z轴如图1所示。图2为剖面图。为消除边界效应,模型边界距隧道最外侧距离均大于隧道跨度的3倍。上边界为地表自由面,下边界约束竖向位移,左右前后边界约束水平位移。模拟时,初衬、二衬采用弹性材料,围岩为各向同性体,服从摩尔-库仑屈服准则,网格单元为六面体实体单元。型钢支撑等效为初衬刚度,锚杆为全长黏结型锚杆,初衬采用湿喷混凝土,不计二衬作用。仅考虑自重应力场,按规范[8]推荐的统计法确定围岩压力。计算模型共50850个单元,61237个节点。选取纵向中间切面分析,避免边界效应。表1为对开挖工况,表2为力学参数。




1 模型横剖面

Fig.1 Model cross section mesh


2 左隧道纵剖面

Fig.2 Longitudinal section mesh of left tunnel



1 工况

Table1 Excavation manner

开挖方式

开挖步骤

开挖方式

开挖步骤

左隧道

右隧道

左隧道

右隧道

M1

上断面

下断面

上断面

下断面

M3

左断面

右断面

上断面

下断面

M2

上断面

下断面

左断面

右断面

M4

左断面

右断面

左断面

右断面


2 围岩及支护物理力学参数

Table2 Physical and mechanical parameters for surrounding rock and support

围岩参数

岩性

体积模量/GPa

剪切模量/GPa

黏聚力/MPa

内摩擦角/(º)

密度/(kg·m-3)

抗拉强度/MPa

抗压强度/MPa

IV

1.25

0.86066

0.44

21

2180

0.07

1.2

V

0.625

0.50847

0.38

18

2050

0.066

0.72

锚杆参数

弹性模量/GPa

锚杆截面积/m2

锚杆外径/m

锚杆长度/m

锚杆抗拉屈服强度/MPa

锚固区砂浆刚度/(MN·m-1)

锚固区剪切强度/MPa

210

3.8×10-4

0.025

3.0

0.4

17.5

0.2

喷射混凝土参数

体积模量/GPa

泊松比

厚度/m

密度/(kg·m-3)

抗拉强度/ MPa

抗压强度/ MPa

18.654

0.24

0.25

2500

3.0

3.5


3 初期支护的内力和变形

3.1   初期支护位移分析

 



(a)M1方式


(b) M2方式


(c) M3方式


(d) M4方式

3 初期支护位移

Fig.3 Displacement of early support


由图3初期支护衬砌位移图可知,位移由大到小的工况依次为:M3、M4、M1、M2。最大位移均发生在硬岩隧道拱顶附近,中岩墙两侧初期支护衬砌均发生相对较大位移。左隧道左侧位移明显比右侧位移大,左隧道采用上下法开挖时初期支护位移显著大于采用左右法开挖,这是由于左隧道埋深大,受到较大的偏压作用及隧道左侧溶洞的影响造成的。右隧道左侧位移也明显大于右侧位移,但右隧道采用上下法开挖时初期支护位移却小于采用左右法开挖。这是由于后开挖的右隧道扰动了围岩应力场,导致中岩墙上部围岩有向右侧滑动的趋势。


3.2 初期支护主应力分析


(a) M1方式

(b) M2方式

(c) M3方式

(d) M4方式

4初期支护主应力

Fig.4 Primary stress of early support

图4为初衬P1等值线图。对比可知,M1和M2方式最大压应力接近,而M3和M4方式最大压应力接近,但远远大于M1和M2方式。M3方式压应力值最大,M1方式压应力值最小。左隧道采用上下法开挖时,最大压应力出现在两侧边墙处,而采用左右法开挖时,最大压应力出现在左隧道左拱脚处。右隧道采用左右法时,最大压应力出现在右隧道左拱脚处,采用上下法开挖时,压应力区别并不明显。综上可知,针对初期支护衬砌,最大压应力主要发生在左隧道,左右法开挖要逊于上下法开挖,边墙和拱脚处是压应力集中区,施工中应加强防护。



3.3 初期支护剪力分析



(a) M1方式


(b) M2方式


(c) M3方式


   (d) M4方式

5 初期支护剪力

Fig.5 Shear of early support

图5是初期支护剪力等值线图,四种工况下剪力由大到小依次为:M3、M4、M2、M1。左隧道采用左右法开挖时,最大剪力发生在左隧道左拱脚附近,而采用上下法开挖时,最大剪力发生在左隧道拱腰附近;M3和M4工况中,右隧道剪力值大致相似,而在M1和M2工况中,右隧道最大剪力则发生在两侧边墙附近,并且远大于M3和M4工况。这说明,左隧道采用上下法开挖并支护会对右隧道初期支护的剪力作用产生较大影响,而左右法则影响较小;左隧道左边墙和左拱脚以及右隧道左拱脚易发生剪切破坏,衬砌易扭曲变形,施工中应加以注意。


3.4 锚杆轴力及应力分析



(a) M1方式


(b) M2方式


(c) M3方式


(d) M4方式

6 锚杆轴力和轴应力

Fig.6 Bolt axial force and stress

由图6四种工况对比可知最大锚杆轴力和轴应力均发生在M2工况,最小锚杆轴力和轴应力均发生在M4工况。每种工况最大锚杆轴力和轴应力均发生在硬岩区域,其次是中岩墙软硬岩交界处。左隧道硬岩区域锚杆受力不对称现象明显,而右隧道软岩区域锚杆受力则大致呈对称分布,这主要是由于隧道受到偏压及左侧溶洞作用造成的。


4 围岩的内力和变形

4.1围岩位移和应力

四种工况洞周围岩特征点的位移曲线和应力曲线见图7。位移以X轴和Z轴正向为正,应力以拉为正。


(a)竖向位移曲线


                 (b)水平位移曲线


(c)竖向应力曲线


               (d)水平应力曲线

7 围岩位移和应力曲线

Fig.7 Surrounding rock displacement and stress curve

四种工况下,偏压隧道浅埋侧拱顶沉降小于深埋侧,拱底隆起值则接近,中岩墙沉降值均相近。M1方式各监测点沉降值均相对较大,其次是M2方式,M4方式则均较小。左隧道靠近溶洞侧各监测点沉降值明显较大,变化幅度也大,右隧道各监测点沉降值变化幅度较小。软岩隧道和中岩墙水平位移均为正值,以中岩墙软硬岩交界处围岩水平位移最大;左隧道左侧围岩受偏压和溶洞影响,以及隧道开挖后应力重分布影响,水平位移为较小的负值。同一监测点相比较,M1和M2方式各监测点水平位移大于M3和M4方式。各监测点最终竖向应力都是压应力,硬岩区域整体竖向应力大于软岩区域。中岩墙部位竖向应力最大,拱顶和拱底竖向应力均小于拱腰和边墙。同一监测点相比较,各工况拱顶、拱底和中岩墙竖向应力均相近,硬岩隧道左侧靠近溶洞侧监测点竖向应力变化幅度大,软岩隧道右侧监测点竖向应力则比较接近。各监测点最终水平应力都是压应力。硬岩隧道采用上下法开挖时各监测点水平应力小于采用左右法开挖,软岩隧道则无此规律;各开挖方式下中岩墙软硬岩交界处水平应力均最大;左隧道上下法开挖时拱顶和拱底水平应力远小于左右法开挖,这是由于左隧道右侧后开挖部分和左侧初期支护的存在使得围岩应力得到了重新分配造成的。



4.2 塑性区分析


(a)M1方式             (b)M2方式


(c)M3方式             (d)M4方式

8 塑性区分布图

Fig.8 Layout of plastic zone

对比塑性区分布图,可以发现塑性区整体范围比较一致,受偏压及溶洞影响,剪切塑性区大部分集中在硬岩区域,溶洞与隧道间围岩、中岩墙上部围岩被剪切塑性区贯通。相对而言,M4方式下剪切塑性区范围最小。左隧道无论采用哪种方式开挖,均受到较大的剪切应力,而右隧道均受到较大的拉伸应力。左隧道拱底均存在向下贯通的剪切塑性区,右隧道则存在向上贯通的拉伸塑性区,说明在溶洞及偏压的影响下左隧道底部承受了较大的剪切力作用,右隧道承受了较大的张力作用。

4.3 围岩动态沉降分析

(a)左隧道拱顶动态沉降曲线

             (b)右隧道拱顶动态沉降曲线

9 围岩动态沉降曲线

Fig.9 Dynamic displacement curve of tunnel vault

由左右隧道拱顶动态沉降曲线图10可知,左右隧道拱顶沉降均是M1方式最大,M4方式最小。对于左隧道,在右隧道未施工前,M1和M2方式施工表现一致,M3和M4方式表现一致,右隧道施工后,四条曲线开始分化;总共有四次沉降突变,前两次是在14000步和26000步,是由于左隧道第一部分和第二部分开挖造成的,后两次是在48000步和60000步,是由于右隧道开挖导致围岩应力场发生改变造成的,之后保持基本稳定。右隧道总共经历三次位移突变,前两次是在48000步和60000步,是右隧道第一部分和第二部分开挖造成的,第三次是在72000步左右,是二次衬砌施加过程中出现的,但幅度很小。这说明对于复杂地质条件下的偏压小净距隧道,软岩隧道变形突变幅度大并且变形时间长,后继隧道施工对先行隧道围岩有显著扰动作用,应慎重选择后继隧道的开挖方法和开挖部位,确保施工安全。

5 围岩加固

5.1加固方案

结合上文分析可以发现,M4工况的围岩位移和锚杆轴力最小,剪切塑性区相对最少;中岩墙软硬岩交界处围岩应力最大,位移相对较大;初期支护衬砌易发生破坏部位主要集中在隧道边墙和拱脚处,尤其是左隧道。因此,选择M4工况进行加固处理,并进行加固前后对比分析。加固方案见表3。



3 加固方案表

Table3 Reinforcement list

加固方案

锚杆

钢拱架

初期支护

隧道周边围岩

M4方式

3.0m,环向间距0.5m,纵向间距0.5m

I18

E=29.1GPa

K=1.25GPa,G=0.86066GPaρ=2110

K=0.625GPa,G=0.50847GPa, ρ=1850

M4加固

3.5m,环向间距0.25m,纵向间距0.25m

I22

E=35GPa

K=3.0GPa,G=2.25GPa,ρ=2300


5.2结果分析


(a)M4方式加固后锚杆受力


 (b)M4方式加固后衬砌位移



(c)M4方式加固前后位移曲线


 (d)M4方式加固前后应力曲线

10 M4方式加固分析图

Fig.10 Analysis chart of reinforcement for M4

加固后锚杆最大轴力减小6.64KN,最大轴应力减小17.43MPa,效果显著;锚杆最大轴力和轴应力位置发生较小改变,范围明显加大,分布更扩散,有效减小了局部应力集中;软岩隧道锚杆轴力和轴应力值显著减小,这是由于隧道围岩加固及锚杆加密加长,围岩和锚杆分担了更多应力。加固后初期支护位移分布与加固前相近,但量值明显有所减小。加固后左右隧道竖向位移减小明显,最大差值5.4mm;左右隧道各监测点水平位移有所减小,以中岩墙减小最为明显;加固后中岩墙和右隧道监测位置竖向应力有所增加,以中岩墙最为明显;中岩墙水平应力有所增加,但左隧道拱腰拱脚处却有所减小,这是由于围岩刚度增加和中岩墙承受较大偏压力造成的。


 


6 结语

(1)通过分析四种工况,表明对于侧部溶洞存在条件下的非均质偏压小净距隧道,采用左洞左右法右洞左右法开挖方式可以有效地控制围岩的变形;软岩隧道变形突变幅度大并且变形时间长,应慎重选择隧道的开挖方式和开挖部位。

(2)隧道与溶洞间围岩及中岩墙部位围岩应力集中,剪切应力较大,围岩扭曲,易发生剪切破坏;左右隧道初期支护边墙和拱脚处是应力和剪力突变部位,施工时应加强支护,改善两部位的受力状态。

(3)后继隧道施工对先行隧道围岩有显著扰动作用,导致应力重分配,特别是在中岩墙部位;受偏压和侧部溶洞影响,先行隧道受到后继隧道施工时产生的较大剪切作用,易导致中岩墙剪切破坏,向洞内偏移,施工中应密切关注中岩墙部位初期支护衬砌的位移和应力状态。



参考文献

[1] 谭坤,杨其新,杨龙伟. 偏压及非均质性地层对小净距隧道安全稳定性的影响[J].现代隧道技术,2010,47(4):20-26.

[2] 韩同春,郑俊清,朱建才等. 半硬半软岩层小净距隧道洞口段监测分析[J].岩土力学,2010,31(S2):303-307.

[3] 夏才初,龚建伍,唐颖等. 大断面小净距公路隧道现场监测分析研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(1):44-50.

[4] 张国华,陈礼彪,钱师雄等. 大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析[J].岩土力学,2010,31(2):489-496.

[5] 喻军,刘松玉,童立元. 半硬半软岩隧道塌方的力学特性及处理方法分析[J].工程地质学报,2009,17(2):263-267.

[6] 罗强. 半岩层半土层偏压隧道设计新思路研究[J].城市建设与商业网点,2009,14:312-314.

[7] 祁寒,高波等. 不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究[J].现代隧道技术,2014.04,108-112.

[8] 公路隧道设计规范[S].JTG D70 -2004.

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