青岛地铁浅埋隧道动力增载位移响应比围岩稳定性分析.pdf
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1、 第4 4卷第4期V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3青 岛 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 青岛地铁浅埋隧道动力增载位移响应比围岩稳定性分析孟凡迪,贺可强*,杨文祥(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 2 6 6 5 2 5)摘 要:为防止地表沉降引起隧道事故的发生,以青岛地铁4号线福州路车站为研究对象,运用现场施工的监测数据与M I D A S/G T S N X模拟软件,对青岛地铁浅埋隧道施工沉降规律及围岩稳定性进行了系统研究。在分析地质勘
2、察资料、众多沉降数据和超前地质预报的基础上,分别建立了不同水位环境下的渗流-应力耦合模型,分析了其在地表和拱顶的沉降规律,确定了最大沉降位置即最不利位置。最后,运用动力增载位移响应比对隧道开挖引起的围岩稳定性进行了评价,为今后该类地下工程设计与施工提供了借鉴。关键词:地表沉降;渗流-应力耦合;动力增载位移响应比;浅埋隧道;数值模拟中图分类号:U 4 5 5 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-4 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 5 7-0 7收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 7基金项目:山东省自然科学基金重点项目(Z R 2 0 2 0 K E 0 0 4);自然资源部滨
3、海城市地下空间地质安全重点实验室开放基金项目(B HK F 2 0 2 1 Y 0 5);三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)开放基金项目(2 0 1 7 K D Z 0 3)作者简介:孟凡迪(1 9 9 7-),女,山东东营人。硕士,研究方向为隧道开挖及岩质边坡。E-m a i l:3 7 8 5 3 8 7 8 5 q q.c o m。*通信作者:贺可强(1 9 6 0-),男,山东烟台人。博士,教授,博士生导师,主要从事边坡预警防治方面的研究。E-m a i l:k e q i a n g h e 1 6 3.c o m。D y n a m i c l o a d i n c r
4、 e a s i n g d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e r a t i o a n a l y s i s o f s u r r o u n d i n g r o c k s t a b i l i t yo f s h a l l o w b u r i e d t u n n e l i n Q i n g d a o M e t r oME N G F a n d i,H E K e q i a n g*,Y A N G W e n x i a n g(S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r
5、 i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,Q i n g d a o 2 6 6 5 2 5,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o p r e v e n t t u n n e l a c c i d e n t s c a u s e d b y s u r f a c e s e t t l e m e n t,t h i s s t u d y t a k e s F u z h o u R o a d S t a t i o n o f Q i n
6、 g d a o M e t r o 4 a s t h e r e s e a r c h o b j e c t a n d s y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i-g a t e s t h e c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n t l a w a n d s u r r o u n d i n g r o c k s t a b i l i t y o f Q i n g d a o M e t r o s h a l-l o w b u r i e d t u n n e l b y u s
7、 i n g t h e o n-s i t e c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g d a t a a n d M I D A S/G T S N X s i m u l a t i o n s o f t w a r e.B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n d a t a,s e t t l e m e n t d a t a a n d a d v a n c e d g e o l o g i c a l p
8、 r e d i c t i o n,t h e s e e p a g e s t r e s s c o u p l i n g m o d e l s u n d e r d i f f e r e n t w a t e r l e v e l s a r e e s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l y,t h e s e t t l e m e n t l a w o f t h e s u r f a c e a n d v a u l t i s a n a l y z e d,a n d t h e m a x i m u m s
9、 e t t l e m e n t p o s i t i o n(t h e m o s t u n f a v o r a b l e p o s i t i o n)i s d e t e r m i n e d.F i n a l-l y,t h e s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k c a u s e d b y t u n n e l e x c a v a t i o n i s e v a l u a t e d b y u s i n g t h e d y n a m i c l o a d i n g
10、 d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e r a t i o,w h i c h p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f t h i s k i n d o f u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g i n t h e f u t u r e.K e y w o r d s:s u r f a c e s u b s i d e n c e;s e e p a
11、 g e s t r e s s c o u p l i n g;d y n a m i c l o a d i n c r e a s e d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e r a t i o;s h a l l o w t u n n e l;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷近年来,由于地面交通拥堵的现象日益严重,地铁得到了快速的发展。地铁不仅极大地缓解了交通压力,还减少尾气保护了环境,最主要的是极大地促进了公共交通领域的快速发展1。在地铁建设过程中,地表沉降的数
12、据通常作为隧道安全施工的重要参数,其沉降值的大小与隧道事故密切相关2。众多学者对地表沉降做了大量研究。其中,通过数值模拟可以分析围岩的变形特征、应力分布和塑性区的发展规律,其目的主要有2个,第一是对开挖情况进行预判,找出应力集中或沉降过大区域,并通过修改施工工法或掘进参数来改善隧道施工。第二是通过模拟和实测数据的对比,来分析沉降或变形过大的原因,也可以验证隧道的安全性及工法的优越性。例如周前等3研究了超前支护对地表沉降的影响,通过对超前支护进行理论分析和实验控制,并运用模拟软件等辅助工具与实际施工过程进行对比,得出软弱围岩中隧道施工过程中掌子面周围土体的支撑力绝大部分由超前支护构成;S HAH
13、 I N等4通过有限元分析软件对隧道施工阶段进行二维模型分析,研究建筑物荷载对地表沉降和围岩压力的影响,并列出了影响距离与大小的对照表;李志辉5、赵欢6研究了大量城市的浅埋地铁隧道,并将它们施工阶段造成的地表沉降类型进行分类研究,从土体预加固、支护种类和开挖工艺3个方面提出沉降控制和工法优化方案。而在流固耦合方面,B UHA N等7、许金华等8在渗流存在的作用下建立了隧道模型,对浅埋隧道的稳定性进行了系统的分析;李宗利等9通过二维渗流模型对不同开挖步骤造成的渗流特征进行了分析,为隧道加固工程和防排水工程提供了设计依据;C HA N G等1 0在B i o t理论的基础上,将一般的渗流方程结合应
14、力形成了流固耦合理论,促进了该理论的发展。结合众多学者的研究成果,无论是数值模拟还是理论分析法都对地表沉降做了大量的研究,但在国内外隧道的研究中,特别是在上软下硬的复合地层条件下,对渗流-耦合作用下的浅埋暗挖车站研究的还较少,以及在施工优化时很少考虑时间因素。本文以青岛地铁4号线福州路车站为研究对象,在数值模拟时考虑时间因素以及渗流-应力耦合条件,将数值模拟与实测数据进行对比,分别从位移和应力区两个方面进行地表沉降和拱顶沉降分析,确定最大沉降位置即最不利位置,并进行围岩稳定性分析,为实际地下工程建设提供了合理的设计与施工依据。1 工程概况青岛地铁4号线全长约3 0.6 6 k m,整条线路均在
15、地下,共设2 5座车站。其中福州路站是第1 0座车站,车站整体沿辽阳西路东西向布置。站址东北侧为百安居停车场,西北方向为大洋涂料厂经营部(现已拆迁),南侧为康储山庄。辽阳西路现状道路宽约3 0 m,车流量较大。车站全长2 0 3 m,车站计算站台中心线处轨顶面绝对标高为8.9 m,车站顶板上部覆岩厚度约9 1 5 m,基底埋深约3 3 m。车站采用双层初支拱盖法施工,全包防水设计,车站东、西两端均为T B M进洞。2 数值模型建立采用大型有限元模拟软件M I D A S/G T S N X进行模拟,该模型宽度(X轴方向)约为1 2 0 m,高度(Z轴方向)约为1 0 0 m,地层采用弹塑性本构
16、模型符合M o h r-C o u l o m b准则。本模型为了更加与实际施工相贴近,均设置了初支、二衬、锚杆和内支撑。由于隧道埋置深度较浅,初始应力场只需考虑岩土体自重应力。同时设置了3种工况来模拟车站施工过程中在水位变化下的沉降规律。工况一,水位一位于地表以下6.5 m处,这也是本车站的实际水位;工况二,水位二位于地表以下2 3 m处,此处在车站中间偏下的位置;工况三,水位三位于地表以下3 4 m处,此处在车站底板下方位置(此工况仅在考虑降低地下水对施工的影响时设置)。地层及支护结构计算参数见表1。3 计算结果分析3.1 不同工况环境下车站地表沉降对比分析根据3种不同工况条件下渗流-应力
17、耦合模型中全断面打通时的模型云图,进行地表沉降分析。全断面打通模拟云图如图1所示。图2为不同工况环境下地表沉降对比曲线。85第4期 孟凡迪,等:青岛地铁浅埋隧道动力增载位移响应比围岩稳定性分析表1 地层及支护结构计算参数土层类别弹性模量E/M P a泊松比容重/(k Nm-3)黏聚力c/M P a摩擦角/()渗透系数k/(md-1)素填土50.3 31 6.51.283 0.0 0粉质黏土1 10.2 01 9.53 1.01 50.0 1强风化岩1 3 50.4 52 0.01 4.04 50.2 0中风化岩1 1 0 00.2 22 0.31 8.05 00.1 0微风化岩3 3 8 8
18、00.1 92 3.02 2.06 50.0 5初期支护2 8 0 0 00.2 02 5.0二衬3 8 5 0 00.2 02 5.0锚杆2 1 0 0 0 00.2 07 8.0内支撑2 1 0 0 0 00.3 07 7.095青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷图1 不同工况环境下沉降云图由图1及图2可知,当地下工况及开挖步骤发生变化时,地表沉降量也随之变化,但地表最大沉降量均位于车站正上方。其中在工况一时,地表最大沉降量达到2 3.0 6 mm且与实际工程沉降趋势最符合;在工况二时,地表最大沉降量达到1 2.0 8 mm;在工况三时,地表最大沉降量达到1 0.2 3 mm。可见,
19、在工况一环境下地表沉降量最大,工况三环境下地表沉降量最小且地下水作用效果较小,表明在此类地质条件下施工时,不可忽视地下水的作用。3.2 不同工况环境下车站拱顶沉降对比分析通过图1可以直观地发现,在车站整个开挖过程中,不同工况环境下拱顶沉降量最大的位置均位于车站拱顶右上方。在全断面打通时工况一环境下拱顶最大沉降量达到3 7.8 3 mm;在工况二时,拱顶最大沉降量达到3 0.1 1 mm;在工况三时,拱顶最大沉降量达到2 8.2 6 mm。为了总结拱顶沉降规律,提取拱顶沉降量最大的位置即最不利位置的沉降数据,绘制不同工况环境下拱顶沉降对比曲线,如图3所示。由图3可知,在不同工况环境下拱顶沉降量随
20、着车站施工不断增大。产生拱顶沉降是由于车站开挖在其上方形成漏斗状区域,其孔隙水压力降低造成固结沉降,且右上方处于薄弱土层,因此在车站施工时造成拱顶右上方出现沉降最大位置。在工况一环境下,拱顶沉降量最大值为3 7.8 3 mm。但在1 2 4步左06第4期 孟凡迪,等:青岛地铁浅埋隧道动力增载位移响应比围岩稳定性分析右时,三条曲线均出现了不同幅度的下降,其原因是在内支撑拆除与二衬施加之前有一段时间的间隔。在此期间地层应力释放,衬砌结构的自重以及支护结构难以完全发挥支撑效果,导致拱顶沉降量急剧增大。但当二衬施加完毕之后,地层应力变化最终达到平衡,则拱顶沉降也趋于稳定值。综上可知,拱顶沉降也与地下水
21、密切相关,因此在研究拱顶沉降时不可忽视地下水的作用。同时为了减小拱顶沉降,在施工中要及时对最大沉降位置采取注浆加固,在内支撑拆除过程中要合理安排拆除顺序和及时进行二衬施加等减小拱顶沉降的措施。4 基于动力增载位移响应比的围岩稳定性分析1 9 8 7年尹祥础1 1第一次提出了全新的加卸载响应比理论,将其应用在地震领域并取得了良好的效果。贺可强等1 2在此基础上,结合大量边坡预警数据,将其应用于边坡的预警预报领域,取得了卓越的成果。田野,包放歌等1 3-1 4分别在堆积层滑坡和深凹矿山边坡方面建立了动力增载位移响应比模型,验证了其参数与稳定性系数之间良好的对应关系。而在隧道开挖的过程中,地层中的原
22、始应力平衡状态被打破造成应力重分布现象,此时围岩由弹性状态转化为弹塑性状态,期间围岩发生塑性变形和破坏,导致围岩形成塑性区。由此隧道周围围岩的稳定性降低,具有塌方风险。综上所述,隧道开挖会导致应力场和应变场随着位移不断变化,因此将动力增载响应比评价模型应用到隧道开挖领域在理论上是行之有效的。4.1 动力增载位移响应比评价模型结合福州路车站开挖过程,定义单位动力增量变化所引起的车站拱顶位移响应的变化量为动力增量位移响应率1 5,即Xi=RiPi(1)式中:Ri为加载响应增量;Pi为动力加载增量。则动力增量位移响应比为=XiX0=Ri/PiR0/P0(2)式中:Xi和X0分别为同一点在i和初始时刻
23、的动力增量位移响应率;Ri和R0分别为第i和初始时刻的加载响应增量;Pi和P0分别为第i和初始时刻的动力加载增量。根据动力增量位移响应比参数特点,当i1时,系统处于稳定;当i1时,系统处于不稳定;当i 时,系统失稳。建立隧道拱顶竖向应力-竖向位移动力增载位移响应比评价模型,其定义如下:将隧道开挖过程中拱顶竖向应力变化值Pi看作加载增量,其对应的竖向位移变化值Ri看作响应参数,建立的动力增载位移响应比评价模型1 6如下:=XiX0=Ri/PiR0/P0=Si/iS0/0(3)式中:i,0分别为第i和初始开挖步骤下的竖向应力增载量;Si,S0分别为第i和初始开挖步骤下的竖向位移响应量;i=1,2,
24、n。4.2 动力增载位移响应比判据准则岩土体的弹性模量E,作为岩土体损伤破坏机制的重要指标,即E=(4)同时,用表示动力增载位移响应比,它的倒数为,即1 7=1=t/00=EtE0(5)根据式(5)可知,在=1时表明弹性模量没有发生变化,即岩土体未发生损伤。相反当=0时,表明岩土体发生完全损伤。而在(0,1)区间内变化时,表明岩土体发生部分损伤。隧道围岩的坍塌失稳过程16青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷实际是岩土体的损伤变化过程,根据损伤力学原理,结合式(5),可以用下列公式表示1 7:Dt=1-EtE0=1-t(6)由式(6)可知,在t=0=0,Dt=1时表明岩土体发生完全损伤;t=
25、0=1,Dt=0时表明岩土体未发生损伤。因此,可用动力增载响应比倒数表示岩土体的损伤变量,同时也证明了该参数可以用来评价围岩稳定性。联立式(5)(6)可以得到动力增载位移响应比和损伤变量之间的内在关系,即t=11-Dt(7)由式(7)可以得出,在Dt=1,t=时围岩发生完全损伤,隧道周围围岩有坍塌风险。相反在Dt=0,t=1时围岩未发生损伤,隧道周围围岩处于稳定状态。张道兵等1 8将安全系数K用极限损伤变量和容许的最大损伤变量之比表示,其中Dl i m=1时,即K=Dl i mDc r=1Dc r(8)在整个隧道开挖过程中,围岩不断发生损伤,损伤变量Dt逐渐趋近于容许最大损伤变量Dc r。因此
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