三孔小凈距隧道群極限狀態(tài)下圍巖破壞特征研究

陳 鵬, 吳 賁, 楊小禮

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三孔小凈距隧道群極限狀態(tài)下圍巖破壞特征研究

陳 鵬, 吳 賁, 楊小禮

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙, 410075)

平行三孔大斷面小凈距隧道開挖時, 圍巖應(yīng)力場經(jīng)過多次擾動疊加發(fā)生重分布, 不再是單個隧道的簡單疊加. 利用強度儲備法求得極限狀態(tài)下的隧道圍巖各點的安全系數(shù), 繪出開挖斷面附近圍巖的點安全系數(shù)分布圖, 并對不同凈距與埋深對圍巖極限狀態(tài)的破壞特點進行研究. 結(jié)果表明: 隨著凈距的增大, 洞周達到強度極限的圍巖范圍增大, 圍巖自身穩(wěn)定性不斷提高; 埋深較小時, 邊洞的拱頂變形小于中洞, 而當(dāng)埋深大于25 m時, 三洞的沉降大致相等.

三孔小凈距隧道; 埋深; 點安全系數(shù); 極限狀態(tài); 圍巖穩(wěn)定性

目前對單孔隧道及雙孔隧道極限狀態(tài)下圍巖破壞的特征研究已較充分, 但對于三孔小凈距隧道的研究較少.

本文以韓府山隧道為依托工程, 研究三孔小凈距隧道群極限狀態(tài)下圍巖的破壞特征. 首先使用強度儲備法得到極限破壞狀態(tài)下隧道周邊的點安全系數(shù), 即圍巖內(nèi)某點極限剪切應(yīng)力強度與該點的實際剪切應(yīng)力的比值. 再來分析三孔隧道群在不同的凈距、不同的埋深下圍巖極限狀態(tài)的破壞特征, 從而為多孔隧道的設(shè)計與施工提供參考.

1 工程概括

韓府山隧道群位于南京市雨花區(qū)鐵心橋街道管轄區(qū)內(nèi), 是南京鐵路樞紐土建工程NJ-3標(biāo)段內(nèi)的控制性重點工程. 其一、二、三號隧道均為雙線隧道, 穿越韓府山, 隧道最大埋深約60 m, 淺埋偏壓地段較長.

韓府山一號隧道是京滬高速鐵路上的一座雙線隧道, 全長409 m; 韓府山二號隧道為滬漢蓉高速鐵路上的一座雙線隧道, 全長365 m; 韓府山三號隧道為寧安鐵路上的一座雙線隧道, 全長355 m. 隧道平面布置如圖1所示.

韓府山隧道群的一、二、三號隧道凈距很小, 約為6～10 m, 為小凈距隧道. 施工時, 先施工韓府山一號隧道及韓府山四號隧道, 再施工韓府山二號隧道. 韓府山二號隧道的掌子面與韓府山一號隧道的掌子面至少要相距50 m.最后施工韓府山三號隧道, 韓府山三號隧道的掌子面與韓府山二號隧道的掌子面至少要相距50 m.

由于隧道數(shù)目的增加, 使得平行三孔大斷面小凈距隧道不再是單個隧道情形的簡單疊加. 隨著隧道的開挖, 圍巖應(yīng)力場經(jīng)過多次擾動疊加和重分布后變得更復(fù)雜[1-6].

多孔小凈距隧道施工的關(guān)鍵是盡量避免或減小對相鄰隧道的擾動和影響, 在小凈距和大斷面的不利影響下, 隧道間施工相互影響更大, 隧道拱頂上方產(chǎn)生的松弛荷載與下沉變形比普通兩車道雙孔小凈距隧道更大, 更易出現(xiàn)拉伸破壞和塌方, 支護結(jié)構(gòu)體系的受力和破壞形態(tài)更加復(fù)雜, 整個隧道的穩(wěn)定性更差, 施工難度和風(fēng)險更大.

圖1 韓府山隧道群平面布置示意圖

2 隧道群凈距對極限破壞狀態(tài)特點的影響

首先, 求得不同隧道凈距情況下圍巖的剪切安全系數(shù), 再根據(jù)這些安全系數(shù)即可得到與之對應(yīng)的不同凈距情況下圍巖極限破壞狀態(tài). 對這些圍巖極限狀態(tài)進行相關(guān)研究, 了解凈距對圍巖極限破壞狀態(tài)特點的影響.

圖2為埋深= 25 m時, 多種圍巖極限破壞狀態(tài)下, 凈距= 6, 8, 10, 12, 14, 16 m時, 洞室周邊點安全系數(shù)圖. 當(dāng)= 6 m時, 如圖2(a)所示, 圍巖極限破壞狀態(tài)下洞室周邊發(fā)生臨界破壞(點安全系數(shù)小于1.02, 即認為該點達到極限破壞狀態(tài))的區(qū)域主要為: 洞室相鄰側(cè)拱腰處(中間巖柱)和邊洞外側(cè)拱肩處, 并且從圖2(a)可看出該發(fā)生破壞的區(qū)域較小, 大部分圍巖均未達到破壞狀態(tài)(未充分發(fā)揮其強度), 從而可知該凈距下圍巖穩(wěn)定性較差. 其它埋深情況下, 洞周破壞特點相關(guān)分析見表1.

表1 圍巖極限破壞狀態(tài)下洞周破壞特點分析(H = 25 m)

從表1可以看出, 凈距= 6～12 m時的破壞區(qū)域百分比增加速度要明顯大于凈距= 10～16 m時的增速. 從圖2可以發(fā)現(xiàn), 在凈距較小的情況下拱頂?shù)陌踩禂?shù)較大, 且中洞大于邊洞, 并且隨著凈距的增大該安全系數(shù)值不斷減小.

因此, 對于平行三孔小凈距隧道, 為了能夠更好地發(fā)揮出圍巖自身的強度及提高圍巖自身的穩(wěn)定性, 應(yīng)盡可能地增大隧道凈距.

以埋深= 25 m為例, 若各方面條件允許, 應(yīng)盡可能地增大隧道凈距, 并且應(yīng)盡量使之達到12 m, 因為在< 12 m的區(qū)域內(nèi), 圍巖自身穩(wěn)定性隨凈距增大而提高的速度尤為顯著.

圖2 極限破壞洞周點安全系數(shù)圖(H = 25 m)

3 隧道群埋深對極限破壞狀態(tài)特點的影響

首先, 求得不同隧道埋深情況下圍巖的剪切安全系數(shù), 再根據(jù)這些安全系數(shù)即可得到與之對應(yīng)的不同埋深情況下圍巖極限破壞狀態(tài). 對這些圍巖極限狀態(tài)進行相關(guān)研究, 了解埋深對圍巖極限破壞狀態(tài)特點的影響.

主要從以下2方面來研究埋深對圍巖極限破壞狀態(tài)特點: a. 確定洞周各點安全系數(shù), 從而判斷主要發(fā)生破壞區(qū)域(圖3); b. 確定圍巖位移矢量, 研究洞周各個位置的變形情況(圖4). 圖3及圖4分別為凈距= 6 m時, 圍巖極限破壞狀態(tài)下洞周點安全系數(shù)和洞周位移矢量示意圖.

圖3 極限破壞洞周點安全系數(shù)圖(W = 6)

從圖3發(fā)現(xiàn)洞室頂部的安全系數(shù)值比較大, 表明該處圍巖較穩(wěn)定. 從圖4可以看出, 在各種埋深情況下, 洞周變形主要發(fā)生在洞室拱頂及拱肩、洞室相鄰側(cè)拱腰. 洞室相鄰側(cè)拱腰及邊洞外側(cè)拱肩發(fā)生破壞并形成相應(yīng)的破壞面, 致使拱頂發(fā)生較大的整體位移, 這些位置雖產(chǎn)生較大位移, 但根據(jù)安全系數(shù)基本理論可知該位置處的點安全系數(shù)值不會因此而大幅度下降.

圖4 圍巖極限破壞位移示意圖(W = 6)

4 結(jié)論

在埋深較小的情況下, 中洞變形要明顯大于邊洞, 且在洞室頂部位置表現(xiàn)得尤為明顯; 隨著埋深的不斷增大, 邊洞變形的增加速度要明顯大于中洞, 且當(dāng)埋深> 25 m時, 邊洞拱頂沉降基本上與中洞拱頂沉降值相等.

[1] 陳鵬, 楊小禮, 黃阜．淺埋三孔隧道圍巖位移場解析解研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 8(1): 87-90.

[2] 王明年, 李志業(yè), 關(guān)寶樹. 三孔小間距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術(shù)研究[J]. 巖土力學(xué), 2002, 23(6): 821- 824.

[3] 胡元芳. 小線間距城市雙孔隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(9): 1335-1338.

[4] 楊小禮, 王作偉. 非線性破壞準(zhǔn)則下淺埋隧道圍巖壓力的極限分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2010, 41(1): 299-302.

[5] 楊小禮, 王作偉, 陳杰. 既有隧道擴建工程及襯砌穩(wěn)定性研究[J]. 交通科學(xué)與工程, 2010, 26(1): 49-52.

[6] 陳鵬, 吳賁, 楊小禮. 三孔小凈距隧道圍巖安全系數(shù)分析[J]. 湖南文理學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2011, 23(2): 55-58.

Failure property of surrounding rock for three tunnels with small interval

CHEN Peng, WU Ben, YANG Xiao-li

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China )

As the distribution of surrounding rock stress caused by disturbance and superposition, the field of the surrounding rock stress is no longer the simple sum of single tunnel when parallel tri-tunnel with large-span and small-distance is excavated. By obtaining the point safety coefficient of limit state by the strength reserve method, the figure of the point safety coefficient distribution near excavation section is drawn. What’s more, the damage characteristics of limit state of surrounding rock with different interval and buried depth is analyzed. The result shows that the area of the surrounding rock reaching the strength limit and the stability increases with different interval. The crown settlement of side tunnel is smaller than the middle one when the buried depth is small and that of the three tunnels is roughly equal when the depth is larger than 25 m.

three tunnels closely built; coverdepth; point safety coefficient; limit state; stability of the surrounding rock

U 451+.5

1672-6146(2012)01-0059-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.01.016

2011-11-17

中鐵四局集團有限公司資助項目(2260)

陳鵬(1986-), 男, 碩士, 研究方向為小凈距隧道工程. E-mail: chenpeng6891@126.com

(責(zé)任編校:江 河)