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1、黄土隧道围岩变形的长期观测 及其稳定性的分析,赵学勐 1，3 倪玉 山 2 1 西 安 公 路 研 究 所2 复 旦 大 学 应 用 力 学 与 工 程 科 学 系3 珠 海 市 环 太 建 设 科 学 研 究 所,计 算 围 岩 压 力 的 两 种 学 说,1为 围 岩 松 动 压 力 说 （ 太 沙 基1943， 普 罗 托 基 雅 科诺夫 1955） ， 认 为 由于土体塌 落 而引 起 地 层 压力。2 为 土 体 变 形 压 力 说 （1981） 主 张 围 岩压 力 是 由 开 挖 卸 荷， 土 体 变 形， 挤 压 衬 砌 而 引 起。 孰 是 孰 非？工 程 经 验 总 结 两
2、 项1衬 砌 晚 做， 以 让 土 体 及 初 期 支 护 产 生 有 限 的 安 全 变 形， 释 放 一 定 的 应 力；2。 随 挖 随 砌， 及 时 回 填， 如 衬 砌 设 置 较早， 则有 可 能 使 洞 周 土 体 塑 性 区 大 大 减 小， 甚 至 不 出 现。 何 者 为 宜？,可 应 用 的 研 究 方 法,1. 调 查 统 计 法， 铁 路 部 门 调 查 了127座 隧 道 的417个 塌 方 资 料（ 其 中包 括 黄 土 隧 道 的 部 分） ； 建 筑 部 门 实 测 了 16个 黄 土 土 洞 衬 砌 地 层 压 力； 公路 部 门 对 民 间 大 跨 径 黄
3、 土 洞 的 稳 定 情 况 做 了 调 查； 2. 弹 塑 性 数 值 分 析， 绘 出 洞 周 土 体 主 应 力 等 值 线， 塑 性 区 范 围； 3. 土 工 离 心 模 型 实 验， 揭 示 其 内 在 规 律； 4. 现 场 足 尺 结 构 实 验， 真 实， 可 靠， 但 周 期 长。,观 测 结 果,洞 宽4米， 洞 高4.7米， 埋 深5695米， 穿 越 黄 土Q1， 其 上 复 盖 有 黄 土 Q3。 土 性 指 标：Q1，厚 度26米， 湿 容 重20KN M3，C90KPA， 30 ； Q3， 厚 度 69 M， 湿 容 重15 KN M3，C37 KPA，2640
4、 。,图1 南崩坍段逐步发展图（1:50）,图2 北崩坍段逐步发展图（1:50）,图3 在隧道外边进行荷载试验的衬砌结构图(单位：cm),图4 衬砌结构试验得到的荷载与变形的关系曲线,围 岩 整 体 稳 定 性 分 析,取 土 洞 横 截 面 的 一 半 来 看， 其 临 空 面 与 土 坡 表 面 相 似， 所 以 可 将 土 坡 稳 定 性 分 析 理 论 移 植 于 此 加 以 应 用。 此 时， 其 围 岩 上 部 土 体 自 重 所 产 生 的 剪 切 滑 动 力 与 土 体 强 度 所 提 供 的 承 载 力 之 间 的 平 衡 关 系 即 是 其 稳 定 性 大 小 的 反 映。
5、 按B。B。 索 科 洛 夫 斯 基 的 松 散介 质 极 限 平 衡 理 论， 绘 制 土 洞 围 岩 的 剪 切 滑 动 网 络 如 图5 所 示。,图5 滑动网络图,图 5中，01 02 03为 主 动 应 力 状 态 区，01 03 04为 过 渡 应 力 状 态 区，01 04 05为 被 动 应 力 状 态 区。 此 滑 动 网 络 所 示 的 范 围 就 是 半 个 土 拱 的 剖 面。 在 无 偏 压 情 况 下， 作 用 于 对 称 平 面01 02上 的 滑 动 力 与 承 载 力 皆 呈 水 平 向 分 布。 水 平 承 载 力 为 P0P1， 其 中，P0由 土 的 抗
6、 剪 强 度 产 生， 均 匀 分 布 于01 02竖 直 面 上； P1由 滑 动 网 内 的 体 积 力 产 生， 为 三 角 形 分 布， 是 拉力。 此水 平 承 载 力 仅 仅与 土 的 抗 剪 强 度， 土 的 容 重，洞 横 截 面 高 度 及 宽 度 等有关 ， 而 与 洞 的 埋 置深 度毫 无 关 系。 水 平 推 力 按 图 6计 算 得 到， 其 关 键 的 位 置 是 点 O 7， 此 系 通 过O 2点 的 水 平 线 与 过O6点 的 倾 斜 角 为 45 2 的 斜 线 所 相 会 的 交 点。 对O7 O2 O1 O6所 示 的 土 体 取 力 系 平 衡 即
7、 得 水 平 推 力。 此 水 平 推 力 不 仅与 土 洞 所 穿 越 土 层 的 抗 剪 强 度 ， 土 的 容 重， 洞 的 横 截 面 高 度 及 宽 度 等 有 关， 而 且 也 与 土 洞 的 埋 深 和 初 始 应 力 状 态 有 关。,图6 推力计算示意图,Q1黄 土 层 中 的 深 埋 隧 道 的 计 算 结 果 为：水 平 推 力：633T（ 埋 深 95 M时） ； 391 T（ 埋 深56M 时） ；承 载 力 349 T，这 表 明 此 试 验 隧 洞 围 岩 不 稳 定， 发 生 坍 落 是 必 然 的。 Q2黄 土 中 的 浅 埋 隧 洞， 埋 深24M ， 土性
8、 指 标C 64KPA， 30 ， 湿 容 重 20KN M3， 洞 宽5。4 M， 洞 高5。6M， 水 平 推 力 180T， 小 于 承 载 力199 T。 当Q2 黄 土 受 水 浸 湿 后，C值 降 低， 则围 岩 变 为 不 稳 定， 及 时 对 其加 以 衬 砌 是 必 要 的 .,结 论,1. 此 项 研 究 揭 示 了 隧 洞土 拱 作 用 的 机 理 和 其 形 状， 据 此 提 出 了 一 种 评 价 黄 土 隧 洞 围 岩 整 体 稳 定 性 的 方法。 2. 通 过 围 岩 稳 定 性 分 析 就可 以 对 两 种 计 算 地 层 压 力 的 学 说 和 两 类 施 工 经 验 的 适 用 范 围 有 所 了 解。3. 试 验 隧 道 的 长 期 观 测 表 明， 应 用 那 既 有 预 防 土 体 风 化 的 功 能， 也 可 适 应 一 定 变 形， 又 具 有 一 定 承 载 能 力 的 较 薄 衬 砌， 与 随 挖 随 砌 的 施 工 工 艺 相 配 合， 确 能 足 够 保 证 工 程 施 工 和 运 营 期 间 的 安 全， 其 经 济 效 益 也 会 是 可 观 的。,
