隧道圍巖變形及其襯砌內(nèi)力特征研究

戚長(zhǎng)軍,佘芳濤,邵兵廠

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710043;2.西安理工大學(xué)巖土工程研究所,陜西西安 710048)

隧道圍巖變形及其襯砌內(nèi)力特征研究

戚長(zhǎng)軍1,佘芳濤2,邵兵廠1

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710043;2.西安理工大學(xué)巖土工程研究所,陜西西安 710048)

位于土層和巖層交界地層中的隧洞,其力學(xué)特性和水文地質(zhì)條件均發(fā)生顯著的變化,從而導(dǎo)致塌方或者圍巖變形過(guò)大等。利用數(shù)值計(jì)算方法,建立二維有限元模型,對(duì)某工程隧洞土、巖接觸地層中隧道開挖圍巖變形和襯砌受力特性進(jìn)行分析,并采用不同施工方法進(jìn)行比較。結(jié)果表明,土、巖接觸地層中隧道開挖圍巖沉降位移場(chǎng)是非對(duì)稱的,沉降位移最大位置在拱頂30°處,正是需要加強(qiáng)支護(hù)的位置;先墻后拱開挖在隧道三種施工方式中圍巖最大沉降位移最小,正臺(tái)階開挖方法圍巖沉降位移最大,留核心土開挖方法介于二者中間。合理的支護(hù)方式和開挖方式是土、巖層交界地層中隧洞周邊巖體穩(wěn)定的基本條件。

隧道;圍巖;襯砌內(nèi)力;開挖方式

0 引 言

土、巖交界地層是淺埋破碎圍巖中常出現(xiàn)的一種地層條件,如圖1所示,如神延鐵路羊馬河隧道、甘肅省隴西縣新松樹灣隧道等地方都出現(xiàn)土、巖接觸地層。這一地質(zhì)特征使得隧道圍巖在土、巖交界處不僅發(fā)生了力學(xué)特性的顯著變化,而且水文地質(zhì)條件發(fā)生顯著的變化,導(dǎo)致交界處含水率明顯增大。在過(guò)去的實(shí)踐中,土、巖交界地層并沒(méi)有引起人們的廣泛注意,從而導(dǎo)致了塌方以及圍巖變形過(guò)大的事故[1]。在山西離軍高速公路隧道的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)[2],隧道在土、巖交界層中開挖時(shí)發(fā)生塌方,而在寶天高速公路黑嶺隧道的工程[3]中發(fā)現(xiàn),土、巖交界面段圍巖的最大變形達(dá)到35 cm左右。隧道之所以出現(xiàn)塌方和圍巖變形過(guò)大,原因在于沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)土、巖交界地層條件下,圍巖的變形規(guī)律和開挖后圍巖應(yīng)力的轉(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致按常規(guī)設(shè)計(jì)方法提供的支護(hù)措施與圍巖壓力不相匹配。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[4,5],工程巖體的變形破壞一般受結(jié)構(gòu)面控制,結(jié)構(gòu)面的分布、特征及組合關(guān)系是巖體穩(wěn)定的內(nèi)在因素,它決定巖體的穩(wěn)定程度、可能變形破壞的邊界條件、方式、規(guī)模及特征等。鑒于此,本文分析土、巖接觸地層條件對(duì)圍巖變形規(guī)律和破壞方式以及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,最終達(dá)到指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工的目的。

圖1 土巖接觸地層

1 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

1.1 建立有限元模型

在二維有限元模型中,隧洞采用馬蹄形,洞徑10 m,模擬分步開挖和支護(hù)。分析埋深為40 m,土、巖傾角為45°時(shí) 3種不同開挖方式(分別為正臺(tái)階開挖、留核心土開挖和先墻后拱開挖。),隧道的圍巖變形和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化。下圖中的一條長(zhǎng)斜線表示土、巖接觸面,上面為土體,下面為巖體。模型邊界為:隧洞中心距左右兩邊為45 m,距下面為35m,埋深為40 m。建立的模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

1.2 計(jì)算方法與參數(shù)選取

如前面所述,建立計(jì)算模型后,首先計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng),然后導(dǎo)入初始應(yīng)力,進(jìn)行應(yīng)力釋放,開挖和支護(hù),從而得到各項(xiàng)分析結(jié)果。計(jì)算初始應(yīng)力時(shí),采用線彈性模型,得到初始應(yīng)力場(chǎng)之后,導(dǎo)入初始應(yīng)力。模擬開挖過(guò)程中分為五步開挖。在材料參數(shù)里面計(jì)算模型為彈塑性模型,采用的材料參數(shù)如表1和表2所示。當(dāng)這些設(shè)置完成之后進(jìn)行開挖和支護(hù)模擬。本文采用3種不同的開挖方式,分別為正臺(tái)階開挖、留核心土開挖和先墻后拱開挖。

表1 土體和巖體計(jì)算參數(shù)

表2 襯砌計(jì)算參數(shù)

2 計(jì)算成果分析

2.1 土、巖接觸地層隧道圍巖變形規(guī)律和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化特征

隧道圍巖土體最大沉降位移dymax=-0.15895 m,發(fā)生在拱頂偏左30°處,如圖3所示。圍巖最大水平位移dxmax=0.06648 m,發(fā)生在隧洞左側(cè)水平方向,如圖4所示。則圍巖最大總位移dxymax=-d2x+d2y=-0.15896 m。土、巖接觸隧道圍巖與土層或巖層隧道圍巖土體變形相比特點(diǎn)在于最大位移不在拱頂位置,而在距拱頂位置偏向土層一側(cè)30°左右,并且圍巖最大沉降位移比較大。這是由于土、巖接觸特別地層力學(xué)性質(zhì)決定的,由于剛度的差異引起隧道開挖應(yīng)力釋放不均勻所導(dǎo)致的,而且在土、巖接觸面上有相對(duì)滑移跡象。

圖3 圍巖豎向位移場(chǎng)

圖4 圍巖水平位移場(chǎng)

圖5、圖6表明土、巖交界面地層,隧道開挖過(guò)程中土體沉降位移大于巖體沉降位移,致使地面和襯砌變形不均勻,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力也會(huì)引起一定的變化。(分析總位移變化時(shí),選取了隧洞周圍上半圓連續(xù)的17個(gè)節(jié)點(diǎn),圖5中的橫坐標(biāo)為從左側(cè)拱腰開始上半圓各節(jié)點(diǎn)之間的弧長(zhǎng),縱坐標(biāo)為垂直位移。在后面的分析比較總位移、襯砌軸力和彎矩變化規(guī)律時(shí),橫坐標(biāo)取值均一樣)。在圖7、圖8襯砌軸力和彎矩隨洞周節(jié)點(diǎn)分布規(guī)律可以看出,在土體一側(cè)襯砌軸力和彎矩較巖體一側(cè)小,巖體一側(cè)襯砌承受的內(nèi)力較大。均質(zhì)土體中隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力是沿洞軸線對(duì)稱分布,土、巖接觸地層中隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力是非對(duì)稱分布的。

圖5 圍巖各點(diǎn)總位移變化規(guī)律

圖6 地表沉降位移變化規(guī)律

圖7 襯砌軸力變化規(guī)律

圖8 襯砌彎矩變化規(guī)律

2.2 土、巖接觸面的不同開挖方式對(duì)圍巖變形規(guī)律和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化特征的影響

開挖方式分別為正臺(tái)階開挖、留核心土開挖以及先墻后拱開挖。以下分析不同開挖方式對(duì)圍巖變形規(guī)律和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化特征的影響:

(1)如圖9所示,正臺(tái)階開挖方式圍巖最大沉降位置在距拱頂45°左右,留核心土開挖方式圍巖最大沉降位置在距拱頂30°左右,先墻后拱開挖方式圍巖最大沉降位置在距拱頂10°左右,這是由于隧道開挖方式的不同引起的應(yīng)力釋放先后順序的不同導(dǎo)致土、巖接觸地層圍巖應(yīng)力分布的不同。從表3中得出結(jié)論,正臺(tái)階開挖方式圍巖最大沉降量最大,先墻后拱開挖方式圍巖最大沉降量最小。圖10、圖11和圖12發(fā)現(xiàn)隧道圍巖最大沉降位置偏離拱頂越大,圍巖最大沉降量也越大。隧道洞周各節(jié)點(diǎn)位移和地表沉降位移均是先墻后拱開挖方式最小,正臺(tái)階開挖方式最大。

圖9不同開挖方式的圍巖位移場(chǎng)

圖10 3種開挖方式的總位移

表3 3種開挖方式之間的最大沉降位移

圖11 3種開挖方式的地表沉降

圖12 3種開挖方式的拱頂之地表的沉降

(2)從圖13和圖14可以看出,3種開挖方式中,先墻后拱開挖方式襯砌最大軸力最小,留核心土開挖方式襯砌最大軸力最大;從襯砌最大彎矩來(lái)說(shuō),先墻后拱開挖方式最大,正臺(tái)階開挖方式最小。

圖13 3種開挖方式的襯砌各點(diǎn)軸力變化

圖14 3種開挖方式的襯砌各點(diǎn)彎矩變化

3 結(jié) 論

(1)土、巖接觸隧道圍巖與土層或巖層隧道圍巖土體變形相比特點(diǎn)在于最大位移不在拱頂位置,而在距拱頂位置偏向土層一側(cè)30°左右,并且圍巖最大沉降位移比較大。

(2)均質(zhì)土體中隧道圍巖位移場(chǎng)和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力是對(duì)稱分布的,而土、巖接觸地層中隧道圍巖位移場(chǎng)和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力是非對(duì)稱分布的。在土體一側(cè)襯砌軸力和彎矩較巖體一側(cè)小,巖體一側(cè)襯砌承受的內(nèi)力較大。

(3)先墻后拱開挖在隧道3種施工方式中圍巖最大沉降位移最小,襯砌內(nèi)力最大;正臺(tái)階開挖方法圍巖沉降位移最大,襯砌內(nèi)力最小;留核心土開挖方法介于二者中間。

[1]蔣建平,章楊松,羅國(guó)煜.基于土體中結(jié)構(gòu)面的巖土工程問(wèn)題探討[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2002,10(2):160-165.

[2]蔣建平,章楊松,羅國(guó)煜.土體宏觀結(jié)構(gòu)面及其對(duì)土體破壞的影響[J].巖土力學(xué),2002,23(4):482-485.

[3]蔣建平,章楊松,高廣運(yùn),等.土體中第四紀(jì)斷層結(jié)構(gòu)面特征及其地震和巖土工程意義[J].西北地震學(xué)報(bào),2002,24(3):215-219.

[4]杜時(shí)貴.巖體結(jié)構(gòu)面的工程性質(zhì)[M].北京:地震出版社,1999.

[5]何滿潮,競(jìng)海河,孫小明.軟巖工程力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

Research on Characteristics of Deformation of Surrounding Rocks and Internal Force in Lining Structures of Tunnel in Loess

QI Chang-jun1,SHE Fang-tao2,SHAO Bing-chang1
(1.Survey andDesign Institute of Machinery Industry,Xi'an,Shaanxi710043,China;2.Institute of Geotechnical Engineering,Xi'an University of Technology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

The mechanical properties and geohydrological conditions of the tunnel in contacting stratum of soil and rock would vary remarkably so as to cause the callapse and the variation of surrounding rocks.Here,through the2D finite elementmodel established by the numerical calculation method,the deformation characteristics of surrounding rocks and the stressing properties of lining in the contacting stratum of a certain tunnel are analyzed and compared by using different construction methods.The results show that the settling displacement fields of the surrounding rocks in excavation of the tunnel are asymmetric,and the maximum displacement is at 30°of the arch crown,needing to be strengthened by supporting.And in three construction ways,the settling displacement of the surrounding rocks is smallest when using the excavation method with wall being first and arch being late,it is biggest when using the positive step excavation method,and it is between the both methods when using the excavation method with kern soil left.

tunnel;surrounding rock;internal force in lining;excavation method

U452.12

A

1672—1144(2010)02—0094—03

2009-12-03

2010-01-15

戚長(zhǎng)軍(1979—),男(漢族),山東膠州人,工程師,碩士,主要從事巖土工程與地下工程勘察與設(shè)計(jì)。