基于离散元的浅埋偏压隧道施工细观机理研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:葛晨雨()男河北保定人工程师研究方向为道路桥梁工程(:.)通讯作者:刘 洋()男江苏徐州人博士教授研究方向为岩土力学(:.)基于离散元的浅埋偏压隧道施工细观机理研究葛晨雨 宿利平 王 林 徐 硕 刘 洋(.北京市政路桥股份有限公司 北京 .北京科技大学 土木与资源工程学院 北京)摘 要:浅埋偏压隧道受力性质复杂施工危险程度较高 以齐家庄隧道为研究对象采用离散单元法模拟了浅埋偏压隧道开挖过程分析了不同工况下围岩应力、位移的变化规律并着重从微细观角度研究了开挖引起的围岩内部的裂隙发展、接触力分布和强弱力链演化规律进而阐
2、释了锚杆支护的作用机理 结果显示:隧道开挖引起围岩应力转移使强力链产生了明显的拱效应而弱力链仍表现为各向同性系统锚杆的挤压加固作用促进了隧道附近拱效应的形成提高了隧道的稳定性拱效应引起隧道上部应力沿压力拱传递到隧道的拱腰和拱脚使其附近颗粒接触力增大主方向偏转现场监测数据与模拟结果规律一致且与有锚杆三台阶工况结果接近关键词:浅埋偏压隧道 稳定性分析 离散元 微细观分析 拱效应中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().().().().:土木工程与管理学报 年 随着我国基础设施建设的快速发展公路隧道工程越来越多我国山岭众多地质情况复杂大量的山区隧道进出洞位置常位于浅埋、偏压以及软弱围
3、岩等不良地段 浅埋偏压地形会引起支护结构不对称受力同时洞口段围岩往往较破碎地形地质条件复杂 因此深入研究不同支护方式下浅埋偏压隧道稳定性和分析围岩受力机理对保证浅埋偏压隧道洞口段施工安全具有重要意义模型试验和理论分析是研究浅埋偏压隧道稳定性的重要手段 等通过模型试验研究了不同偏压角情况下浅埋隧道围岩破裂机制得到了深、浅埋侧围岩压力随偏压角的变化规律并与规范中的计算方法进行了对比 腾俊洋等采用理论分析推导了考虑施工工序及地形坡度的浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算公式分析了不同偏压角和埋深情况下的围岩应力规律并与地表水平情况下的应力规律进行了对比随着计算机和数值仿真软件的快速发展数值方法逐渐成为分析
4、岩土工程问题的有效手段由于其可重复性强、能够模拟多种工况的优点得到了许多学者的青睐 国内外学者采用数值方法对浅埋偏压隧道进行开挖模拟得到了围岩应力、变形规律 也有学者在数值模拟中考虑了现场支护和加固条件在得到应力、变形规律的同时对现场施工和加固方法的效果进行了评估 如董朝阳通过数值模拟分析了隧道沉降变形对已有支护结构和反压加固措施效果进行了评估 除了对已有支护结构的效果进行评估数值模拟还可用于浅埋偏压隧道情况下的施工方法优选 如赵永国等采用 软件对入口段浅埋偏压施工方案进行仿真分析得到了符合设计规范且满足稳定性要求的施工方案 数值模拟还可用于揭示浅埋偏压隧道受力机理 等研究了浅埋不对称荷载隧洞
5、主支护破坏机理及处理措施现有的模拟多基于连续介质力学方法针对浅埋偏压隧道稳定性的细观机理研究较少 岩土材料作为典型的非连续介质采用离散元法从微细观角度进行浅埋偏压隧道开挖围岩稳定性分析更为合适 因此本文以齐家庄隧道段为工程背景采用离散元方法()研究了浅埋偏压段隧道开挖过程中不同支护方式下围岩应力、位移和地表变形的规律着重从微细观角度分析了隧道开挖引起的围岩内部的裂隙发展规律、接触力分布特征以及强弱力链演化规律并通过与现场实测数据的比较分析得到最优的隧道开挖方法与支护措施 工程概况齐家庄隧道位于北京市门头沟区齐家庄村左线起讫里程.长度.最大埋深 右线.长度.最大埋深 隧道进、出 洞 口 位 于
6、山 麓 斜 坡 部 位 左 线 进 口 、右 线 进 口 .段浅埋偏压坡面与水平面夹角约 隧道轴线与等高线基本正交自然斜坡基本稳定洞口上方出露基岩 洞身穿越段地表有 多株胸径大于 的柏树表层为厚约.的残坡积土以下为强风化安山岩破碎 偏压及岩土层分布情况如图 所示隧道纵断面如图 所示隧道进口段围岩强风化中风化节理裂隙发育岩体破碎山坡上覆薄层粉土及残积物如图 所示 根据 工程岩体分级标准工程围岩等级定义为 级 隧道进口段埋深浅受上部偏压作用存在小范围涌水岩体破碎稳定性差图 隧道 横断面/790770750730?/m(a)?(b)?790770750730?/mAK70+076.286AK70+0
7、76.286?/?(A1K70+115)?/?(A1K70+115)?2.5%598.591图 齐家庄隧道纵断面 第 期葛晨雨等:基于离散元的浅埋偏压隧道施工细观机理研究?图 地表及围岩地质特征现场采用三台阶法开挖从上到下各台阶高分别为:.长度为 为分析锚杆加固效果本文考虑无系统锚杆三台阶法与有系统锚杆三台阶法两种工况进行数值模拟 浅埋偏压隧道开挖离散元模拟.数值模型建立如图 所示取隧道 级围岩 断面(见图)建立离散元分析模型 模型宽 高.仰拱最低点距模型底面.初期支护厚度 模型左右两侧施加水平位移约束底部施加竖向位移约束顶部无位移约束 锚杆及注浆加固区等效为长.宽.的矩形加固区域图 计算模型
8、 采用“颗粒替换”()方法生成指定粒径范围的颗粒颗粒间接触模型采用适用于岩石等胶结材料的 模型 为提高计算效率隧道附近(黑线框范围)颗粒半径介于.之间其它颗粒半径介于.之间模型总颗粒数 个 由于围岩裂隙发育未直接设置结构面通过合理选取地层参数考虑 通过施加重力场 ./得到模型初始地应力平衡后测得底部中点竖向应力为.隧道开挖通过删除对应位置的颗粒实现开挖后立即赋予支护参数.模型参数选择隧道附近各地层的厚度如表 所示 围岩及表层土模型宏观参数根据齐家庄隧道设计说明、工程勘察报告和工程类比综合确定如表 所示表 隧道附近地层厚度地层残积土强风化岩中风化岩弱风化岩厚度表 围岩地层宏观参数材料类别变形模量
9、/泊松比内摩擦角/()粘聚力/容重/(/)残积土.强风化岩.中风化岩.弱风化岩.初期支护.注浆加固区.根据工程勘察报告提供的数据采用岩石双轴压缩数值试验不断调整优化细观参数使模拟得到的宏观力学参数与报告中的参数较为接近则认为该组参数是该层岩土材料的模型参数最终得到各层材料细观力学参数如表 所示 如图 给出了中风化岩的莫尔 库伦强度包线可以看出模拟得到的粘聚力和内摩擦角与工程勘察结果吻合很好表 数值模型细观材料参数材料类别密度/(/)摩擦系数 接触有效模量/接触刚度比 平行黏结有效模量/平行黏结刚度比平行黏结抗拉强度/平行黏结强度/平行黏结摩擦角/()残积土.强风化岩.中风化岩.弱风化岩.初期支
10、护.注浆加固区.土木工程与管理学报 年0510152025303540455008642/MPa0 25./MPa28 6.图 双轴压缩莫尔 库伦强度包线(中风化岩)初期支护的宏观参数基于等效计算方法确定 将初期支护中的钢拱架和钢筋网参数折算给邻近的喷射混凝土即()式中:分别为折算前、后的混凝土和钢材弹性模量()分别为混凝土和钢拱架截面积()锚杆注浆加固区通过提高围岩参数进行模拟 宏观结果分析.应力分析图 为开挖完成后隧道附近局部范围内的大、小主应力云图 从图 可以看出隧道开挖后拱顶和拱底产生应力释放拱脚部位出现应力集中 主要由偏压引起的应力分布不均和隧道开挖扰动引起 对比大主应力结果可以发现
11、有锚杆情况下隧道周边围岩受扰动相对较小且拱顶卸荷应力区仅存在于隧道周边未贯通至地表从小主应力分布图中可以看出有锚杆情况下隧道附近小主应力变化明显地表拉应力区域明显减小 综合大主应力、小主应力结果有锚杆情况40032024016080080-4003002001000100080060040020001050750450150150-?1?2?1?2(a)?(b)?图 隧道开挖完成后应力分布/应力值稍大工况 开挖完成后的 组最大水平应力位于右洞拱脚和右洞拱肩位置 分别为.和.最大竖向应力位于中岩墙和右洞右下方围岩处分别为.和.因此三台阶法开挖在拱脚、边墙和中岩墙位置易产生较大应力集中系统锚杆有助
12、于缓解隧道开挖引起的卸荷效应减小了地表拉应力区域范围但会造成更大应力集中 实际施工中应对重点位置加强支护同时对右洞重点监测以保证围岩的稳定从图 隧道开挖前后大主应力矢量分布中可以看出初始情况下大主应力主要为竖直方向隧道开挖后由于拱效应大主应力方向偏转上部岩土荷载通过力拱传递至拱脚造成中岩墙和隧道右下方围岩应力增大 此外工况 中隧道上部发生主应力偏转的围岩范围较大而工况 中上部应力偏转主要集中在衬砌附近84068961954248844339835230324920614784102484967554242833025720316813385(a)?(b)1?112385471954245837
13、730824119213970(c)2?图 隧道开挖前后大主应力矢量分布/第 期葛晨雨等:基于离散元的浅埋偏压隧道施工细观机理研究.位移分析图 为地表和围岩位移测点布设 三台阶法各开挖阶段竖向位移云图如图 所示 竖向变形结果如表 所示2.442.21.468.52.44?(?)(?)(?)(?)图 测点布设/(a)?1?2?/m1.021.008.006.004.002.0002.004.006.008.001.001.201010101010101010101010101.40101.60101.80102.00102.20102.3010-223333333322222222-?(b)?图
14、 三台阶法竖向位移云图表 不同工况隧道竖向变形工况拱顶(左洞)拱顶(右洞)左拱腰(左洞)右拱腰(左洞)左拱腰(右洞)右拱腰(右洞).从图 可以看出最大沉降发生在右洞拱顶位置左、右洞底部由于上部卸荷发生了较大的隆起 随着隧道各阶段的开挖拱顶沉降和拱底隆起值不断增大 由于地形偏压作用竖向位移呈不对称分布拱顶沉降偏向于浅埋侧 右洞上台阶和中台阶开挖阶段围岩竖向位移最大有、无锚杆情况下的竖向位移发展趋势基本一致但工况 由于采用了系统锚杆支护方式变形量明显小于无锚杆情况 同时有锚杆情况下竖向位移的非对称性减弱表明系统锚杆支护减弱了偏压作用对位移的影响选取进口段监控量测数据进行分析拱顶沉降模拟结果与实测结
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