基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:谭潘成()男山西运城人高级工程师主要从事隧道工程施工技术管理及安全管理方面的工作:.引文格式:谭潘成.基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究.铁道建筑技术():.基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究谭潘成(中铁十二局集团有限公司 山西太原)摘 要:在隧道施工和运营过程中围岩变形始终是制约隧道安全稳定的重要问题其中隧道围岩松动圈大小和形状对隧道稳定性和安全性具有重要影响 本文以张吉怀高速铁路邓家坡隧道为工程背景对隧道围岩松动圈进行现场声波测试建立松动圈弹塑性模型并推导炭质页岩圆形隧道松动圈半径计算方程 基于该理论通过数值分析软件采用离散元模拟松动区域的松散岩体其余岩体采用有限元单元模拟组成离散粒子与连续体接触并相互作用的耦合模型 对比分析结果显示隧道变形理论预测值与实际监测值在变形趋势和数值方面高度吻合理论模型实用性和可靠性得到验证关键词:炭质页岩 隧道变形 松动圈 声波探测 解析公式 离散元中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言软岩隧道大变形问题是困扰隧道建设的重要难题国内外学者对此开展了大量研究仍未形成完善的体系 炭质页岩是一种有大量炭化有机质的页岩具有强度低、易崩解、易膨胀、易扰动的特性其物理化学性质和力学特性随成分、地质年代、风化程度的变化而差异较大 隧道围岩松动圈大小和形状与地质条件、隧道尺寸、施工方法等因素密切相关对隧道稳定性和安全性具有重要影响 围岩松动圈的判别是评价隧道整体稳定性和制定隧道工程支护参数的重要依据 邹红英基于现场声波资料在统计分析的基础上给出洞室松动圈判别的数学模型提出主级松动、松动扩展百分比等新概念 赵海滨采用声波法对某大型地下厂房上游边墙松动圈进行了测试分析绘制开挖深度、岩体波速、时间、空间位置与松动圈的相互关系曲线分析得出松动圈变化分布规律 黄锋采用声波探测法对隧道围岩松动圈进行现场实测基于弹塑性理论和损伤理论分别推导松动圈的解析公式并将实测结果与理论计算结果进行对比分析本文依托张吉怀铁路工程邓家坡隧道段研究炭质页岩隧道变形机理通过对隧道围岩松动圈的现场铁道建筑技术 ()谭潘成:基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究测试和分析推导出炭质页岩隧道松动圈的理论公式基于 软件采用离散元模拟松动范围内的松散岩体组成离散粒子与连续体接触并相互作用的耦合模型 将计算结果与实测值进行对比两者结果较为吻合说明理论推导的炭质页岩松动圈分布范围和变化规律具有一定可靠性 炭质页岩隧道围岩松动圈现场测试.声波测试原理对炭质页岩隧道围岩松动圈进行声波测试声波发射换能器受电脉冲信号激发会产生瞬态的振动信号该振动信号在岩体中传播并携带岩体内部信息被接收换能器接收经声波仪处理即可获得超声波穿越岩体的波速和声时等参数 根据弹性理论和弹性波的波动方程可得超声波横波、纵波波速和介质弹性参数的关系()()()()()()式中:为纵波波速为横波波速 为弹性模量为泊松比 为密度.测试仪器及测试方案对隧道大变形段小里程端测试断面采用声波法进行松动圈测试仪器选用 型非金属声波仪 发射换能器 发射的声波通过折线 和到达接收换能器 和 这样 段岩体的波速为:()式中:为两个接收器间的距离、为两个接收器接收到滑行波的时间通过设置测孔测试孔内不同深度岩体的纵波波速根据波速变化情况获取隧道围岩的松动圈厚度.声波测试结果分析()声波法测试结果取围岩声波波速大幅增加时的起始点与终点的中值作为判别点 由图 可知:边墙两侧测孔 和 测试深度分别为 和.孔围岩最大测试波速为./波速测试结果偏小说明围岩软弱破碎拱肩两侧测孔 和 的测试深度分别为.和.孔最大测试波速为./在 的深度范围内有明显上升拱顶两侧测孔 和 的测试深度分别为.和 孔最大测试波速为 /测试深度为.图 波速 孔深曲线铁道建筑技术 ()谭潘成:基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究 ()声波法测试分析根据测试结果绘制邓家坡隧道大变形段 断面围岩松动圈范围如图 所示图 松动圈范围测试结果由图 分析可知邓家坡隧道大变形段围岩松动效应明显拱肩和拱顶位置松动圈最大厚度为 最小厚度为 且右侧围岩松动圈厚度大于左侧 若取松动圈厚度为 则松动圈半径为 是隧道开挖半径(约 )的.倍 炭质页岩隧道围岩松动圈理论研究通过对炭质页岩现场松动圈的测试结合炭质页岩的岩体力学参数和隧道的几何参数对围岩松动圈范围进行弹塑性分析推导炭质页岩圆形隧道松动圈半径公式.基本方程对圆形隧洞进行弹塑性应力分析时按平面应变问题考虑 力学模型基本假设:岩体连续均匀且各向同性当围岩应力小于岩体强度时围岩为弹性体当围岩应力大于岩体强度时围岩为弹塑性体隧道简化为圆形侧压力系数 为 使初始地应力在各方向均等设隧道开挖半径为 塑性区半径为 松动圈半径为 隧道的弹塑性分析视为轴对称问题不计体力时平衡微分方程为:()式中:为径向应力为切向应力.塑性区分析若塑性区应力的强度准则采用 准则:t ()则塑性区内主应力:()()()此时 代入式()可得:()()()式中:、为塑性区切向应力和塑性区径向应力将式()代入式()消去 得:()()()求解得:()代入边界条件()得:()将()代入式()再结合式()可求得围岩塑性区应力场分布:()()()().弹性区分析在弹性区内由应力边界条件和位移单值条件得到弹性区应力分布为:()()式中:、为弹性区径向应力、切向应力为弹塑性分界处的径向应力可以发现弹性区内应力有如下关系:().松动圈半径求解在弹性区和塑性区的分界面即 时有 故可得:()将式()代入式()得:()()将式()代入式()解得塑性区半径:()()()根据松动圈的定义松动圈边界的切向应力为初始应力即 可由式()得松动圈半径:()基于松动圈理论的隧道变形分析通过现场取样分析炭质页岩的组成成分以及对隧道变形受力特征与变形机理的研究初步认为邓家铁道建筑技术 ()谭潘成:基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究坡隧道发生软岩变形的主要原因为重力机制为主的应力扩容型变形 本文采用 离散单元方法并基于准静态分析方法进行计算以此探明炭质页岩的破碎性对隧道结构受力及变形的影响.模型建立建立隧道上台阶开挖工况模型松动范围厚度由理论计算获得先由等价圆方法获得当量半径再将岩体力学参数和隧道几何参数代入式()和式()计算获得松动范围厚度如图 所示图 有限元模型模型尺寸为 初期支护结构以及松动范围外的围岩连续性较好使用有限单元连续介质进行模拟拱脚以上部分松动区内岩体连续性差松散破碎作用在初期支护结构上的压力主要由拱脚以上部分的松动圈岩体产生 因此离散单元模拟范围为初期支护拱脚以上松动范围的松散岩体拱脚以上松动圈内岩体模型的单元类型为离散元隧道初期支护结构及其他岩体模型的单元类型为 有限元单元部分岩体物理力学参数根据地勘报告取值见表 表 岩体力学参数取值内摩擦角/()黏聚力/弹性模/泊松比 密度/(/).建立离散元粒子时通过自编译代码生成 文件离散元粒子与围岩表面及初期支护表面和离散元粒子之间的接触均使用通用接触()法向接触特性为硬接触切向为摩擦接触摩擦系数按泥质页岩取值为.如图 所示离散元 粒子由红色线框所示表面(粒子生成器表面)生成后填充进松动圈区域形成如图 所示的离散粒子及下部初期支护结构和连续体围岩接触并相互作用的耦合模型图 粒子生成表面与填充.工况设置在初期支护变形计算中将开挖过程分为 个工况依据开挖顺序各开挖工况松动区厚度及计算工况如表 所示表 各工况等效圆半径和松动圈半径计算值工况开挖面积/等效圆半径/松动圈半径/松动圈厚度/上台阶开挖.中台阶左侧开挖.中台阶右侧开挖.下台阶左侧开挖.下台阶右侧开挖.初期支护仰拱闭合.计算结果和分析.拱脚塑性区变形结果各工况的拱脚塑性区如图 所示 由计算结果可以看出除了“初期支护仰供闭合”工况其他工况在初期支护的拱脚下方均有明显且集中的塑性区这说明在初期支护仰供闭合前拱脚下岩体不足以提供所需要的承载力而产生较大的塑性应变 提取各工况计算结果见表 铁道建筑技术 ()谭潘成:基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究图 各工况等效塑性应变云图表 各工况最大塑性应变工况左侧拱脚最大等效塑性应变左侧拱脚最大塑性应变右侧拱脚最大等效塑性应变右侧拱脚最大塑性应变上台阶开挖.中台阶左侧开挖.中台阶右侧开挖.下台阶左侧开挖.下台阶右侧开挖.初期支护仰拱闭合.结合各工况的等效塑性应变云图也可以看出除了“初期支护仰拱闭合”工况其余工况的塑性区都集中在拱脚下这表明拱脚下的岩体不能承受初期支护结构的巨大压力而发生塑性变形是拱脚下沉的主要原因 而“上台阶开挖”工况塑性应变不大的原因是松动范围不够厚“初期支护仰拱闭合”塑性应变不大的原因是初期支护仰拱分散了初期支护结构压力使得塑性区不集中在拱脚下塑性应变也有所改善.拱脚沉降变形结果各工况下结构竖向位移云图如图 所示铁道建筑技术 ()谭潘成:基于围岩松动圈理论的炭质页岩隧道变形机理研究图 各工况下结构竖向位移云图 初期支护结构发生整体沉降是因为拱脚部位出现了沉降 提取每个计算工况的拱脚沉降进行分析再整理出两侧拱脚的累计沉降值绘制出开挖过程初期支护沉降变形图如图 所示图 开挖过程初期支护沉降变形.与现场实测沉降变形结果对比取与现场变形监测相同位置的 个点提取计算沉降值见图 数值模拟结果与现场监测结果二者曲线趋势基本一致最大差异值约为 结合拱脚塑性区计算结果进一步分析可知由于初期支护仰拱闭合后塑性应变大幅减少且塑性区不再集中于拱脚下方大幅改善了初期支护仰拱闭合后拱脚的沉降这与实测变形数据在仰拱闭合后沉降速率大幅减缓特征相吻合(下转第 页)铁道建筑技术 ()姚胜泉:基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演 朱伯芳.关于混凝土徐变理论的几个问题.水利学报():.姜海君.铁路大跨度连续刚构收缩徐变计算分析.铁道建筑技术():.:.():.徐合忠温帅.形渡槽原型试验应力应变监测分析.人民黄河 ():.冯光伟贾少燕赵廷华等.大型薄壁预应力 形槽原型充水试验分析.人民长江 ():.:.曾庆响.大跨度预应力混凝土箱梁桥收缩徐变及温度效应的数值试验研究.广州:华南理工大学.朱伯芳.有限单元法原理与应用.北京:中国水利水电出版社.(上接第 页)图 计算沉降变形量与实测沉降变形量对比 结论本文依托张吉怀铁路工程邓家坡隧道研究炭质页岩隧道变形机理主要得到以下结论:()邓家坡隧道发生软岩变形的主要原因为重力机制为主的应力扩容型变形具体表现为开挖扰动导致围岩松动范围持续扩展松动范围内松散破碎的岩体压力作用于初期支护结构之上初期支护的拱脚和锁脚措施不能提供足够的承载力从而发生较大沉降变形()基于炭质页岩松动圈理论采用 离散元模拟松动区分析炭质页岩隧道变形机理计算结果与实测值吻合良好说明理论推导出的炭质页岩松动圈分布范围具有一定可靠性()结合拱脚塑性区计算结果进行进一步分析初期支护仰拱闭合后塑性应变大幅减少且塑性区不再集中可大幅改善初期支护仰拱闭合后拱脚沉降幅度这与实测变形数据在仰拱闭合后沉降速率大幅减缓特征相吻合参考文献 李建军.破碎炭质板岩隧道掌子面预加固参数优化研究.铁道建筑技术():.尹建勋.软弱炭质板岩隧道大变形特征及应对措施研究.铁道建筑技术():.赵旭 代志杰 黎若寒 等.考虑围岩松动圈的隧道抗减震措施.北京工业大学学报 ():.靖洪文 孟庆彬 朱俊福 等.深部巷道围岩松动圈稳定控制理论与技术进展.采矿与安全工程学报 ():.邹红英 肖明.地下洞室开挖松动圈评估方法研究.岩石力学与工程学报 ():.赵海斌 付建军 周江平.高地应力区大型地下洞室边墙松动圈动态分析研究.长江科学院院报 ():.黄锋 朱合华 李秋实 等.隧道围岩松动圈的现场测试与理论分析.岩土力学 ():.刘刚 肖勇卓 朱俊福 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