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1、公路 隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 连拱 隧道 穿越大型溶槽动态施工力学分析 王高波 冯 荣 孙晓光 张 锋 1 重庆大学土木工程学院重庆4 0 0 0 4 5 2四川纳黔高速公路有限责任公司成都6 1 0 0 4 1 摘 要在岩溶地区隧道建设中 经常遇到溶槽 溶管 溶洞等岩溶地质问题 目前对隧道穿越溶槽时围岩的变 形特征及其稳定性研究较少 本文结合岩溶地区某连拱隧道穿越大型溶槽的施工过程开展了岩石力学试验和隧 道动态施工力学三维模拟 对连拱隧道围岩位移 应力 塑性区特征进行进行了分析和评价 为岩溶地区连拱隧道 围岩稳 定性 分析和溶槽处 治方案设 计提供依据 关键词 连拱隧
2、道溶槽围岩稳定性施工力学模拟 连拱隧道作为一种特殊 的隧道形式 因其在复 杂地形条件下建设具有线形布设方便 空间利用合 理 节省总体投资的优势 在中短隧道建设 中被大量 采用 岩溶作为较典型的复杂地质情况之一 广泛 存在于我 国多个省市 它对隧道的建设施工和运营 维护造成相当大的威胁 为了防止岩溶地质问题影 响隧道建设进度与施工安全 必须对新建隧道的围 岩变形特性及其稳定性进行必要分析 目前 岩溶对工程建设危害的研究主要有 以下 3 个 方 面 岩溶地基稳 定性 评价 岩溶 渗漏 问题评 价 岩溶地面塌陷评价 而岩溶对于隧道影响的研 究和评价却不多 李苍松通过对数个典型地区或隧 道工程岩溶情况
3、的分析研究 首次提 出 岩溶元 的 基本概念 1 赵国祝通过位移来评定和预测岩溶隧 洞结构体系的稳定性 2 莫 阳春 周晓军利用有限 差分析软件 F I AC 3 D对隧道侧部含有溶洞 的围岩 变形特征进行了数值模拟研究l 3 郭伟利用有限差 分析软件 F I AC 3 D以齐岳山隧道为工程背景 通 过理论分析 现场检测等手段 对高水压岩溶隧道衬 砌水压力特征进行了研究 J 本文通过岩石力学试 验获得 嗣岩的力学参数 结合相关规范选取支护结 构物理力学参数 采用 三维数值模拟对连拱隧道穿 越大型溶槽进行动态施工力学分析 为隧道 围岩稳 定性分析和溶槽处治方案设计提供依据 1 工程背景 研究对象
4、为西南岩溶地 区某连拱 隧道 标准断 面宽度为 D J 2 m 该隧道位于岩溶 区 工程区岩 溶较发育 洞身匍岩为灰岩 厚层状构造 围岩等级 1 I I 级 右洞 隧道进 口约 7 0 m 处有 一竖 向槽状 溶 4 洞 溶槽断面沿隧道纵 向长度为 6 m 沿隧道横向长 度为 3 m 溶槽顶部距离拱顶 约 1 0 m 下部深度无法 探明 溶槽 内部为空洞 洞壁岩体较完整 节理 裂隙 发育 完全无填充 侧壁较光滑 施工中采用中导洞 先行开挖 左右洞后续 开挖 上下 台阶法掘进 的方 式 2 材料物理力学参数确定 本文三维数值模拟所需的参数主要有 围岩的物 理力学参数 喷射混凝土层的力学参数 中隔
5、墙混凝 土的力学参数以及锚杆的物理力学参数 2 1 地勘成果分析 地勘报告提供 的围岩力学指标建议值 弹性模 量为 1 0 5 3 2 G P a 饱和抗压强度为 3 0 7 4 7 4 9 5 MP a 由此可见 试验结果在此范围之 内 初勘测 试资料灰岩 K 值 0 3 O 0 5 7 反映出岩体较破碎 根据地勘报告和工程现场综合分析 K 取 0 3 0 2 2 岩石力学试验 单轴压缩试验是测定岩石材料强度和变形特征 的最简单和常用方法 是岩石力学学科 中最基础 的 内容之一 试验采用 MTS 一8 1 5型全数控液压伺 服刚性岩石力学试验系统 灰岩试样取 自隧道现场 经钻样 切割和端面磨
6、平后加T成直径为 5 0 mm 高 度为 1 0 0 ram 的标 准 圆柱形样 本 岩样 的加 工按 工程岩体试验方法标准 5 和国际岩石力学学会建 议的方法进行 灰岩试样单轴抗压 试验结果见 表 1 根据地勘成果和岩石力学试验 围岩的弹性模 量取 E一1 4 1 6 0 3 0 4 2 5 GP a 其 它参数根 据 公路隧道设计规范 i 选取 如表 2所示 王高波 等连拱隧道穿越大型溶槽动态施工力学分析 3 计算模型建立 在外力作用下 一般认为岩土材料具有弹塑性 按照弹塑性理论来研究 考虑到缺乏试验资料 并 为了使 问题得到一定简化 围岩材料采用理想 弹塑 性本构关系 混凝土材料则按照线
7、弹性本构关 系处 理 模拟计算 中采用 Mo h r C o u l o m 准则 该准则 是一直线型破坏准则 适用于岩土材料受压状态 没 有考虑 中间主应力的影响 具有简单易用的特点 在 目前岩土工程分析中使用最广 为尽量减少模型中边界条件对计算结果产生的 不利影响 取边界尺寸为 1 0 0 m 横向 X 7 0 m 竖向 4 5 m 纵 向 隧道分 1 5 个施工步开挖 溶槽位于 右隧道模型中部 根据对溶槽的勘察资料进行分析 把溶槽简化为椭圆柱 其有限元模型如图 1 所示 按以下几种工况计算 中导洞开挖及中导洞喷 锚支护 中隔墙砌筑 右隧道上下台阶开挖及右隧道 喷锚支护 左隧道上下台阶开挖
8、及左隧道喷锚支护 图 1 有 限元模型 图 4 数值模 拟结果及分 析 考虑到计算的主要 目的是为了研究 目前施工方 案下溶槽对新建隧道 的围岩变形及稳定性影响 特 别是溶槽对隧道开挖 的影 响范 围 因此选取 了如图 2 所示 6 个监测断面 每个监测断面取 a b C 三个 特征点即拱顶 边墙 拱底位移进行分析 同时取 a c 两个特征点 即拱顶 和拱底最 大主应力进行分析 特征点布置如图 3所示 4 1 拱顶沉降 通过计算分析得出的结果如图 4所示 从 曲线 的整体变化规律来看 6个监测 断面拱顶沉降趋 势 都 比较相 似 其最终 沉 降值 也相 当接近 都 在 2 6 mmT 右 从
9、A B E和 F监测断面曲线可以分 析出 开挖掌子面距离监测断面大于 6 m时 拱顶沉 降值增加缓慢 随着掌子面的逐渐推进 当距离小于 6 m 时 拱顶沉降值快速增大 当隧道开挖掌子面通 过监测断面 6 m后 监测断面拱顶沉降值趋于稳定 5 公路 隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4 期 测断猫B 监测断蕊c 盎测断面 D 盛渊断藤 E 监测断面F 监测断霹 图 2 监测断面布置图 图 3 特征点布置 图 从 C D监 测断面 曲线 图可 以看 出 由于溶槽 的存 在 C断面拱顶沉 降值从监测 断面前 7 5 m 处开始 快速增大 过监测断面后 3 m 处趋于稳定 D断面拱 顶沉降值从
10、监测断面前 3 m处开始快速增大 过监 测断面后 7 5 m处趋于稳定 A 般测断断的 离 6 3 0 3 6 9 2 I 8 2l 别 2 7 0 m 蚧测 断 A 临测断ih fB 雌测断 c 监测断 h i D 监测斯J觚 l 监测断新F 图 4各监测断 面拱顶沉降变化 曲线 由以上分析知 溶槽 的存在对隧道拱顶最终沉 降值影响不大 但在溶槽所在部位前后 7 5 m 范围 内 拱顶沉降值变化较大 为溶槽纵 向影响区域 4 2 边墙水平收敛值 通过计算分析得出的结果如图 5 所示 当开挖 到溶槽部位 A B断 面边墙 水平 收敛值基本 无影 响 由 C D断面数据 曲线看 出 监测 断面前
11、 1 0 m 的边墙水平收敛值受溶槽 的影响较大 先呈现波动 变化后变为急剧增大 对于 E F断面 当隧道开挖 到溶槽部位时 边墙水平收敛值开始增大 从最终 边墙水平收敛值来看 C D断面的收敛值最大 为 1 3 8 3 mm 6 由以上分析知 溶槽的存在使溶槽部位的边墙 水平收敛值增大 超出其它断面收敛值大约 7 l i r a 断 8 断埘 断If i D 断 J i E 断 I新F 图 5 各监测 断面边墙水平收敛变化 曲线 4 3 拱顶上扬位移 通过计算分 析得 出的结果 如 图 6所示 C D 断面的拱底上扬位移最大 为 3 1 2 mm 超 出其它断 面拱底上扬位移大约 5 8 9
12、 6 从拱顶位移 边墙水平位移 拱底上扬位移曲线 图可以看出 溶槽 的存在对拱底上扬位移和边墙水 平位移影响较大 对拱顶位移影响最小 图 6 各监测断面拱底位 移变化 曲线 4 4 拱顶最大主应力 由图 7可 以看 出 A 断 面 拱 顶 最 大 应 力 为 0 7 4 3 MP a 最小应力为 0 2 2 2 MP a B断面拱顶最 大应力为 0 7 3 8 MP a 最小应力为 0 2 3 4 MP a C断 面 拱 顶 最 大 应 力 为 0 9 7 0 MP a 最 小 应 力 为 0 6 O 2 MP a D断面拱顶最大应力 为 0 9 4 1 MP a 最 小应 力 为 0 5 3
13、 0 MP a E断 面 拱 顶 最 大 应 力 为 0 7 8 1 MP a 最小应力为 0 2 0 7 MP a F断 面拱顶最 大应力为 0 7 8 5 MP a 最小应力为 0 2 5 4 MP a 图 7 各监测断面拱顶最大主应力变化 曲线 王高波 等连拱隧道穿越大型溶槽动态施工力学分析 由以上分析可知 岩溶区域拱顶最大主应力 比 其他断面拱顶最大主应力增大 2 7 4 5 拱底最大主应力 由图 8可 以 看 出 A 断 面 拱 底 最 大 应 力 为 1 9 4 5 MP a 最小应 力为 1 0 1 2 MP a B断面拱底 最 大应力为 1 9 1 3 MP a 最小应力为 1
14、 O 0 5 MP a C断 面拱 底 最 大 应 力 为 3 4 4 3 MP a 最 小 应 力 为 3 0 6 3 MP a D断面拱底最 大应力为 3 4 5 7 MP a 最 小 应力 为 2 8 4 8 MP a E断 面 拱 底 最 大 应 力 为 1 9 4 4 MP a 最 小应力 为 1 0 4 7 MP a F断面拱底最 大 应力为 1 6 9 5 MP a 最小应力为 1 0 1 9 MP a 由以上分析可知 岩溶 区域拱底最大主应力 比 其他 断面拱底最大主应力增大 8 4 图 8 各监测断面拱底最大主应 力变化 曲线 图 9 围岩 有效 塑性应变等值面 图 4 6
15、围岩塑性区 围岩有效塑性应变 P E可以直观地反 映塑性应 变的大小与分布范围 是判定围岩稳定性的一个很 直观的参数值 经数值模拟最后施工步 围岩有效 塑性分布只出现在 C D断面之间 塑性区主要分布 在拱顶和拱底围岩与溶槽交叉部位 以及拱脚部位 如图 9所示 其他部位都未出现塑性应变 5 结 论 1 溶槽 区域间 即 C D断面之间 隧道的开挖 为最危险区域 2 隧道断面最大主应力出现在拱顶和拱底 溶 槽区域拱顶最大主应力比其他区域增大 2 7 拱底 最大主应力 比其他区域增大 8 4 3 溶槽所在部位前后 0 6 D范围内 拱顶沉 降 值变化较大 为溶槽纵 向影响区域 施工中应在该区 段
16、内作重点监测 4 溶槽部位边墙水平 收敛值及拱顶隆起位移 比其他部位分别增大 7 和 5 8 9 6 其纵向影响区域 为溶槽部位前后 O 8 D范围 参考文献 1 李苍松 岩溶地质分形预报方法 的应用研究 E D 成 都 西南交通大学 2 0 0 6 E 2 3 赵国祝 岩溶隧道施工期结构稳定性评价的位移法探 讨I J 科技创新导报 2 0 0 8 E 3 3 莫阳春 周晓军 侧部岩溶隧道围岩变形特征数值模拟 分析 J 水文地质工程工程地质 2 0 0 8 E 4 3 郭伟 侧部水压充填型岩溶隧道施工力学特征研究 J 湖南交通科技 2 0 0 8 E 5 3 中华人民共和国建设部 工程岩体试验方法标准 G B T5 0 2 6 6 9 9 s 北京 建筑工业出版社 1 9 9 9 E 6 3 重庆交通科研设计院 公路隧道设计规范 J T G D 7 O 一 2 0 0 4 s 北京 人民交通出版社 2 0 0 4 7 3 潘昌实 隧道力学数值方法 E M 北京 中国铁道出版 社 1 9 9 5 7
