變質(zhì)巖區(qū)隧道開挖作用下圍巖應(yīng)力場變化 及其穩(wěn)定性分析

結(jié)合廣樂高速公路長基嶺隧道施工工程,利用有限差分軟件flac3d對2條隧道之間巖體中含有溶洞情況下的隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:隧道開挖后,隧道圍巖分別向隧道內(nèi)和溶洞內(nèi)變形,且變形幅度隨著溶洞尺寸的增大普遍變大;隧道圍巖塑性區(qū)分布位置和范圍隨著溶洞尺寸的不同出現(xiàn)明顯的變化;隧道底部圍巖由于拉應(yīng)力的出現(xiàn)可能使圍巖產(chǎn)生過大的變形和巖體破壞,對其穩(wěn)定性要給予特別的重視。所得結(jié)論可為同類隧道的設(shè)計、施工和研究提供有益的借鑒和參考。

考慮中南地區(qū)紅層工程性質(zhì)的區(qū)域差異性及大跨度隧道圍巖穩(wěn)定性的敏感性,對紅層進(jìn)行礦物及化學(xué)成分分析;基于紅層的性質(zhì)及大跨度隧道的特點(diǎn),采用交叉中隔法(crd)進(jìn)行開挖與支護(hù),經(jīng)數(shù)值仿真及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,隧道圍巖穩(wěn)定性滿足要求。

隧道圍巖穩(wěn)定性分析及其控制

大跨度小凈距隧道開挖對巖土體擾動較大,其開挖過程的穩(wěn)定性問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一.以大帽山隧道為研究對象,選擇v級圍巖采取crd法開挖為研究目標(biāo),運(yùn)用flac軟件對隧道開挖全過程進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果表明新建隧道采取crd法開挖圍巖豎向應(yīng)變大于水平方向,有利于減小圍巖擾動程度并充分發(fā)揮自身穩(wěn)定性,拱腰和拱底圍巖應(yīng)力釋放較大,開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)剛度,研究成果可為施工過程中有效控制圍巖應(yīng)力、應(yīng)變提供借鑒.

結(jié)合工程實(shí)例,基于塊體的失穩(wěn)條件和層狀巖體的破壞條件,分析不同地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)巖層下,隧洞開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性。并根據(jù)洞室圍巖產(chǎn)狀與開挖幾何邊界的關(guān)系,提出圍巖易破壞點(diǎn)的位置確定方法。最后,通過對工程實(shí)例中圍巖塌方的統(tǒng)計,分析塌方圍巖原因,進(jìn)一步驗(yàn)證層狀巖體中圍巖的穩(wěn)定性評價。

地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析——一、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計算　　如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應(yīng)力分布…………　　2塑性圍巖重分布應(yīng)力　　地下開挖后，洞壁的應(yīng)力集中最大,當(dāng)它超過圍巖屈服極限...

采用室內(nèi)試驗(yàn)研究手段獲得隧道圍巖力學(xué)特性,以mohr-coulomb彈塑性模型及應(yīng)變軟化模型為基礎(chǔ),采用flac3d數(shù)值模擬軟件,構(gòu)建三維數(shù)值模型,計算深埋隧道圍巖特征曲線及縱剖面變形曲線,并對隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評價。結(jié)果表明:采用彈塑性模型計算所得的隧道圍巖安全系數(shù)低于應(yīng)變軟化模型所得的安全系數(shù),表明采用彈塑性模型進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時,支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性較低,設(shè)計中可能會增加支護(hù)材料費(fèi)用,而考慮應(yīng)變軟化條件下的圍巖安全系數(shù)更加接近于工程實(shí)際;采用極限應(yīng)變值或支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載壓力所獲得的圍巖—支護(hù)系統(tǒng)安全系數(shù)較為接近,說明兩種方法的差異較小,均可用于隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,采用收斂—約束法計算隧道安全穩(wěn)定性更加直觀,對工程實(shí)際具有一定指導(dǎo)作用。

隨著公路隧道的建設(shè)越來越多,隧道在修建過程中地質(zhì)災(zāi)害問題多種多樣,其中圍巖失穩(wěn)問題尤其突出。通過對圍巖穩(wěn)定性分析預(yù)判,采用多種方法對破碎圍巖隧道開挖與支護(hù)方案的合理性進(jìn)行分析,從而指明未來隧道破碎圍巖穩(wěn)定性的發(fā)展方向。

以實(shí)際深埋軟巖引水隧洞施工為背景,在對導(dǎo)致大變形的圍巖壓力性質(zhì)認(rèn)識和力學(xué)行為分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬手段、施工變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和圍巖—襯砌接觸壓力現(xiàn)場試驗(yàn),研究了隧洞開挖后洞周位移分布特征、圍巖變形和支護(hù)受力隨時間發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)論表明:(1)大主應(yīng)力方向?yàn)榇怪狈较虻母叩貞?yīng)力環(huán)境中,隧洞軟巖大變形以擠壓型變形為主;(2)開挖面和二襯對約束隧洞空間位移分布具有重要作用;(3)軟弱圍巖變形發(fā)展和支護(hù)受力具有明顯的流變特性和時間效應(yīng),及時施加二襯能有效限制流變變形的發(fā)展。在研究基礎(chǔ)上提出了一些施工中有益于控制圍巖穩(wěn)定性的建議。

為掌握地高地應(yīng)力破碎圍巖隧道支護(hù)形式與參數(shù)及施工方法,以天平鐵路關(guān)山隧道為工程實(shí)例,結(jié)合現(xiàn)場對支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力量測,運(yùn)用flac3d有限差分軟件,對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移進(jìn)行數(shù)值模擬研究,跟蹤研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力、豎向位移、錨桿軸力等隨著掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律,并對現(xiàn)場實(shí)測的支護(hù)結(jié)構(gòu)隨時間變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明:在掌子面距離監(jiān)測支護(hù)2b范圍以內(nèi)時,支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長較大,超過2b范圍后,應(yīng)力增長較小,表明支護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的;數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測規(guī)律基本一致,但其大小不盡相同,這是由于數(shù)值模擬忽略了節(jié)理、地下水等影響因素。

基于能量的角度,采用極限分析理論中的上限定理對軟弱圍巖下淺埋隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到了圍巖壓力的理論公式。研究表明：埋深、土體容重越大及黏聚力、內(nèi)摩擦角越小,淺埋隧道的圍巖壓力越大,破壞范圍也越大;當(dāng)埋深較大、圍巖較好時,淺埋隧道由于自穩(wěn)能力有可能不會發(fā)生破壞,而對于比較差的圍巖,在施工過程中應(yīng)采取更為安全可靠的支護(hù)措施,以防止發(fā)生垮塌破壞。

以黎家灣隧道穿越圍巖破碎段為研究背景,建立了有限元數(shù)值模型,采用數(shù)值分析方法研究了隧道開挖過程中的位移和初期支護(hù)的內(nèi)力,計算結(jié)果表明開挖過程中隧道變形和支護(hù)內(nèi)力滿足設(shè)計要求,說明現(xiàn)場隧道開挖和支護(hù)方案可行,為類似工程施工設(shè)計提供參考。

基于能量的角度,采用極限分析理論中的上限定理對軟弱圍巖下淺埋隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到了圍巖壓力的理論公式。研究表明：埋深、土體容重越大及黏聚力、內(nèi)摩擦角越小,淺埋隧道的圍巖壓力越大,破壞范圍也越大;當(dāng)埋深較大、圍巖較好時,淺埋隧道由于自穩(wěn)能力有可能不會發(fā)生破壞,而對于比較差的圍巖,在施工過程中應(yīng)采取更為安全可靠的支護(hù)措施,以防止發(fā)生垮塌破壞。

天然巖體在隧道開挖過程中會受到不同程度的擾動,在巖性較好的地層中,研究巖體在開挖過程中的圍巖穩(wěn)定性,對于隧道開挖有著重要的意義。本文以重慶至長沙公路水江至界石段南湖隧道工程為例,運(yùn)用有限差分軟件flac3d建立三維數(shù)值模型。分析巖體在開挖過程中無支護(hù)條件下圍巖的自穩(wěn)能力,著重分析洞室周邊各關(guān)鍵點(diǎn)在開挖過程中的位移和應(yīng)力的變化規(guī)律,為其他相類似的工程提供有益的理論依據(jù)。

通過曼歇2號隧道中導(dǎo)洞開挖中的地質(zhì)素描和資料收集,依據(jù)掌子面和兩壁出露的地質(zhì)體的巖性、節(jié)理、巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造特征等綜合特征,沿其走向、傾向和傾角的延伸推斷工作面短距離前方的地質(zhì)情況,應(yīng)用赤平投影分析法對正洞的圍巖穩(wěn)定性和邊坡的變形破壞做出定性和定量分析,從而預(yù)測兩側(cè)正洞的地質(zhì)情況,對連拱隧道上、下行線正洞的施工予以指導(dǎo)和控制,進(jìn)而達(dá)到短期預(yù)報的目的。

隧道是修建在底層中的工程結(jié)構(gòu),在挖開地層并把隧道襯砌修建在地層內(nèi)的過程中和以后,地層始終對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用,本文在提出圍巖穩(wěn)定性基本判據(jù)的基礎(chǔ)上,著重對公路隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

結(jié)合熊渡隧道的工程實(shí)踐,通過拱頂沉降、錨桿應(yīng)力的現(xiàn)場監(jiān)控量測和數(shù)值計算工作,研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下巖溶隧道全斷面爆破開挖時圍巖的穩(wěn)定性,研究結(jié)果表明,熊渡隧道ⅴ級圍巖段的破碎帶采用現(xiàn)有的施工工藝和支護(hù)參數(shù)是可行的,圍巖變形可控,支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果顯著,圍巖基本穩(wěn)定。

為保證雪山梁隧道隧道開挖過程中的施工安全,文中詳細(xì)介紹了圍巖變形監(jiān)測方案與斷面布設(shè)方法,并借助bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超強(qiáng)非線性擬合能力,對斷面k11+603的拱頂沉降位移和周邊收斂位移實(shí)測值進(jìn)行了回歸分析。分析結(jié)果表明:bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型能較好的擬合拱頂沉降位移和周邊收斂位移實(shí)測值,可以作為圍巖穩(wěn)定性判定的依據(jù)。

通過建立有限元、離散元兩種數(shù)值力學(xué)模型,開展開挖跨度對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。結(jié)果表明:在不考慮洞室形狀影響的前提下,當(dāng)圍巖按連續(xù)介質(zhì)假設(shè),且開挖后仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時,單純增加隧道開挖跨度對圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響不大;但若開挖后進(jìn)入彈塑性應(yīng)力狀態(tài),則單純加大開挖跨度會導(dǎo)致塑性區(qū)半徑大幅度增加,影響圍巖穩(wěn)定。當(dāng)圍巖按非連續(xù)介質(zhì)假定時,巖體失穩(wěn)主要呈現(xiàn)節(jié)理面間剪切滑移。開挖跨度增大相當(dāng)于隧道跨度與巖塊的相對尺度增大,隧道關(guān)鍵塊體失穩(wěn)概率加大,對于相同產(chǎn)狀節(jié)理巖體,關(guān)鍵塊體出現(xiàn)部位相同;另一方面,跨度增大引起在隧道開挖的應(yīng)力擾動區(qū)內(nèi)遭遇節(jié)理的組數(shù)增加,組數(shù)越多,巖體越破碎,失穩(wěn)概率越大,且失穩(wěn)模式各有不同,增加了支護(hù)難度。

盾構(gòu)隧道穿越溶洞密布的復(fù)雜環(huán)境時,不可避免的引起巖溶開挖區(qū)應(yīng)力場突變,嚴(yán)重時造成溶洞坍塌、隧道突水突泥等工程災(zāi)害.采用有限元模擬方法,基于巖層破壞機(jī)理,分別針對溶洞數(shù)量不同及排列方式不同這兩種重要因素,從隧道開挖引起的位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)域三個方面分析巖溶隧道開挖所引起的圍巖變化規(guī)律.結(jié)果表明:溶洞的存在使得隧道圍巖最大主應(yīng)力顯著提高,圍巖豎向位移隨溶洞個數(shù)增加而增大,圍巖周圍土體的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)域均隨著洞-隧之間不同的排列方式而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律.分析結(jié)果可為巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道設(shè)計、施工以及運(yùn)營提供理論及工程指導(dǎo).

針對喀斯特地貌中平行于隧道走向分布的垂直型板狀溶洞巖體,采用數(shù)值試驗(yàn)的方法對隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:1相對于無溶洞巖體,有板狀溶洞巖體模擬在隧道開挖后圍巖位移的最大值增大了24%;2無溶洞巖體在隧道開挖后圍巖的應(yīng)力場表現(xiàn)出中心對稱分布狀,有板狀溶洞巖體在隧道開挖后,隧道圍巖的應(yīng)力分布呈非對稱狀態(tài);3與無溶洞巖體相比,有板狀溶洞巖體在隧道開挖后的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力分別增加了26%、228%;4無溶洞巖體隧道開挖后圍巖未出現(xiàn)明顯的屈服破壞區(qū)域,而有板狀溶洞巖體在底板中心偏溶洞方向處出現(xiàn)了拉伸破壞區(qū)域。上述結(jié)論可為確保隧道穩(wěn)定性而進(jìn)行的巖溶處理工作提供參考。

對巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性理論和分析方法的發(fā)展進(jìn)行了梳理,并對當(dāng)前該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和在工程實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行了全面闡述,在此基礎(chǔ)上分析了巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究的主要發(fā)展方向,并總結(jié)了當(dāng)前該領(lǐng)域研究中存在的一些問題,為今后的研究提供參考。