浅埋偏压岩溶隧道围岩应力特征分析.pdf

文章编号:():./.浅埋偏压岩溶隧道围岩应力特征分析邱飞洋覃 亮李国栋李昌龙(.中铁开发投资集团有限公司 昆明市.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳市)摘要:为研究溶洞对浅埋偏压隧道开挖围岩应力分布的影响以建新隧道浅埋偏压段为工程案例运用 软件建立二维数值分析模型对比分析不同施工阶段围岩应力分布及应力比值 分析结果表明:溶洞处于深埋侧拱腰方向时会导致围岩应力集中位置从拱肩向边墙脚处转移提高围岩整体偏压程度该现象在拱肩处最为显著 关键词:浅埋偏压隧道溶洞围岩应力数值模拟中图分类号:.文献标识码:引言西南地区岩溶发育地形起伏修建隧道时其洞口段往往会同时遭遇浅埋偏压、节理发育、围岩破碎、溶洞等多种不良地质构造 复合作用下若施工方法不当将对隧道围岩应力分布造成一定影响从而导致衬砌变形过大、开裂对工程安全造成严重影响 因此研究浅埋偏压隧道开挖的围岩应力分布对于保障工程质量安全具有重要意义 目前国内外学者已有大量相关研究卢光兆利用有限元软件对浅埋偏压隧道不同工法的施工过程进行围岩稳定性分析认为进洞施工宜采用中隔墙法和双侧壁导坑法可较好地保证隧道稳定性 袁海清和徐前卫等建立了浅埋偏压隧道洞口段的有限元分析模型结合实际工程案例得出在隧道左右两边墙处出现应力集中区并随着支护结构的闭合逐渐减小的结论 张顶立等以大跨隧道的复杂地质条件为研究背景采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方式对不同施工方法下围岩变形特征和结构稳定性进行了分析 代树林等通过数值模拟方法得到了不同地表倾角下隧道的受力情况 王茜等研究不同施工方案对小净距隧道围岩破坏机理及荷载特性的影响 以上研究重点分析了常规情况下浅埋偏压隧道的围岩应力特征但关于存在溶洞时围岩应力分布特征的研究较少鉴于此文章依托金仁桐建新隧道分析溶洞对于浅埋偏压隧道不同施工工序中围岩应力的分布特征的影响以期为类似工程提供参考 工程概况建新隧道位于遵义市桐梓县官仓镇建新村 左幅隧道里程桩号 长右幅隧道里程桩号 长 地貌类型为中低山溶蚀构造型山体整体横坡一般为 地面标高 相对高差 开挖进口右幅至桩号 里程时在掌子面右拱腰处有一直径约 的溶腔 该处掌子面前方上部以粘土及碎石为主下部基岩为强风化灰黑色中层灰岩岩层产状 岩质较坚硬岩体破碎溶蚀裂隙溶槽发育围岩稳定性较差 数值模型以建新隧道右幅 断面为研究对象分别考虑右侧溶洞与无溶洞的情况依据该断面原始地形及地质条件建立数值模型 如图 所示浅埋边高度取 深埋边高度取 地面坡角为覆盖层厚度为.模型宽度为 溶洞为隧道右侧直径为 溶洞与隧道边缘间距 模型侧面边界及底部采用法向约束顶部为自由边界该断面围岩等级为级计算参数见表 采用环形开挖预留核心土法将施工阶段划分为初始北方交通 年 第 期图 隧道几何模型与监测点(单位:)表 力学参数名称容重/()弹性模量/泊松比粘聚力/内摩擦角/()围岩.衬砌.地应力上导环形坑开挖并支护左边墙开挖并支护右边墙开挖并支护上部核心土开挖下台阶开挖并支护开挖采用 中的“”单元实现 每次开挖后围岩先释放部分应力根据经验取围岩应力释放率为 各阶段衬砌施作采用壳单元实现计算采用摩尔库伦模型 受力特征分析.应力特征分析从图 可以看出施工段一隧道开挖前深埋侧整体法向应力大于浅埋侧且当深埋侧存在溶洞时、及 处法向应力至少提升 此时 为法向应力最大处 施工段二开挖上部环形导坑后、及 处法向应力得到释放同时深埋侧、处及浅埋侧 处法向应力迅速提高 存在溶洞时 与 处法向应力相比无溶洞情况提升约 处则提升约 这是由于上部导坑开挖后承压土柱面积减小竖向载荷由两侧分担而溶洞的存在会进一步削减承压土柱面积导致法向应力提升此时 仍是法向应力最大处 施工段三开挖浅埋侧的左边墙后由于荷载较小除 处应力得到释放外其他位置应力变化不大 施工段四开挖右边墙后深埋侧应力得到释放无溶洞时法向应力最大点位于 处深埋侧存在溶洞时法向应力最大值位于 处 施工段四及施工段五开挖核心土与下台阶对围岩法向应力影响不大综上分析可知开挖上导坑、左边墙及右边墙图 各施工段监测点围岩法向应力 年 第 期 邱飞洋等:浅埋偏压岩溶隧道围岩应力特征分析后围岩法向应力会发生较大变化特别是在、及 处而溶洞会使得变化的幅度更大 除此之外深埋侧存在溶洞时与无溶洞情况相比开挖该侧边墙后围岩法向应力最大值位置可能变化至浅埋侧.偏压系数分析隧道偏压对围岩稳定和支护结构受力有较大影响 为了分析隧道不同位置的偏压程度引用工程中的不对称程度表达式以隧道左右两侧围岩应力差与两侧围岩应力均值之比定义偏压系数计算公式如式():深 浅深 浅()式()中深为隧道深埋侧测点围岩应力浅为隧道浅埋侧测点围岩应力 偏压系数范围在 偏压程度和偏压系数成正比根据法向应力分析选择施工段二、施工段三及施工段四进行偏压程度分析 从图 可以看出施工段二中/处偏压系数最大且存在溶洞时/、/、/及/处偏压程度均高于无溶洞时在/及/处较为明显施工段三中/及/处偏压系数最大存在溶洞时各点的偏压系数均略高于无溶洞情况在/处及/处最为明显 施工段四中无溶洞时/、/及/处偏压系数均较高而当存在溶洞时/及/处偏压系数均有大幅提升特别是/处相较于无溶洞情况偏压系数提升近 倍图 施工段二、施工段三及施工段四监测点偏压系数 综上所述施工段三和施工段四中围岩整体的偏压程度会有大幅提升而围岩的最大偏压位置通常在/处、/处以及拱肩附近 此外当深埋侧存在溶洞时往往会导致围岩整体的偏压程度提高特别是在/处及拱腰附近偏拱脚处溶洞对围岩偏压程度的影响最为明显 结论()在浅埋偏压隧道开挖中围岩应力分布会不断发生改变 采用环形开挖预留核心土法时在开挖深埋侧边墙时变化最大最大法向应力会从深埋侧拱肩位置向深埋侧墙脚位置变化但同时法向应力值也有所衰减而围岩的最大偏压位置也从拱顶附近转移到拱肩且围岩整体的偏压程度也在不断提高()当深埋侧存在溶洞时会导致围岩应力变化更为剧烈在拱肩及拱腰附近较为显著 同时在开挖深埋侧边墙时还会导致最大法向应力位置从深埋侧跳转到浅埋侧以及拱腰位置偏压程度大幅上升 因此隧道开挖过程中应注意拱腰处应力变化如发现浅埋侧应力大幅超过深埋侧时应当考虑深埋侧存在一定规模溶洞的可能性勘探后再决定下一步施工()文章仅考虑了深埋侧单个溶洞情况 事实上在建新隧道开挖过程中还揭露了各种溶隙、溶沟等岩溶构造与溶洞共同形成复杂的岩溶网络这种构造对浅埋偏压隧道围岩的应力、变形乃至破坏有待进一步研究参考文献 高爱民.隧道洞口段施工安全事故统计与风险因素分析.铁路节能环保与安全卫生():.卢光兆 周博 徐锋 等.浅埋偏压隧道进洞施工围岩稳定分析.山东大学学报(工学版)():.袁海清.浅埋偏压状态下软弱泥质页岩隧道洞室及围岩的稳定分析.中南公路工程():.北方交通 年 第 期 徐前卫 程盼盼 苏培森 等.浅埋偏压隧道进洞施工力学特性研究 .地 下 空 间 与 工 程 学 报 ():.张顶立 王梦恕 高军 等.复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究.岩石力学与工程学报():.代树林 万怡祯 张永春.偏压隧道的稳定性研究.探矿工程(岩土钻掘工程)():.王茜 凌同华 刘唐利 等.穿越断层破碎带隧道入口段施工数值模拟.交通科学与工程():.白伟姚红志胡晓勇.地形偏压隧道判定方法及设计施工措施.筑路机械与施工机械化():.(.).:.(上接第 页).:.年 第 期 邱飞洋等:浅埋偏压岩溶隧道围岩应力特征分析