快速掘進條件下深埋隧道圍巖穩(wěn)定性研究★

張家鳴 陳 龍 信長昊

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

我國公路隧道及城市軌道交通工程發(fā)展迅速，隧道工程的施工進度要求越來越高，而深埋隧道的快速施工安全性及圍巖穩(wěn)定所蘊含的科學(xué)問題將更加突出[1，2]。在分析隧道穩(wěn)定性和施工技術(shù)方面，姜波等[3]為確定合理的隧道圍巖應(yīng)力場和參數(shù)，采用位移反分析法進行研究。Carranza等[4]建立巖石峰后本構(gòu)模型，基于收斂—約束法分析隧道縱剖面變形曲線及圍巖特征曲線的相互關(guān)系；李樹忱等[5]根據(jù)彈性理論，基于摩爾—庫侖和德魯克—普拉格強度準(zhǔn)則的單元安全系數(shù)法分析隧道圍巖穩(wěn)定性；易富等[6]研究了隧道不同埋深、不同開挖半徑下施工對公路路面的沉降影響；馬亢等[7]采用關(guān)鍵塊體理論確定圍巖主要的失穩(wěn)破壞模式；劉建友等[8]通過分析不同結(jié)構(gòu)圍巖的變形機制提出隧道變形的尺寸效應(yīng)。孫闖等[9]通過分析圍巖的峰后強度特性，構(gòu)建隧道軟弱圍巖力學(xué)模型，并分析了圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系。

本文通過對巖石試樣進行三軸壓縮試驗，獲得更加符合工程實際的隧道圍巖峰后本構(gòu)模型，采用FLAC3D建立隧道三維數(shù)值模型，計算三種開挖進尺條件下的圍巖變形特征，并優(yōu)化隧道圍巖的支護設(shè)計，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并驗證本文提出的隧道圍巖力學(xué)模型及快速掘進施工支護設(shè)計方法的合理性。

1 隧道圍巖力學(xué)特性

1.1 巖石三軸壓縮試驗

巖石試樣選取自崔家隧道開挖工作面，并將巖塊加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱型試樣，利用電液伺服剛性三軸試驗機獲得巖石的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線。隧道圍巖巖樣的單軸抗壓強度σc，以及峰值抗剪強度指標(biāo)和峰后殘余抗剪強度指標(biāo)如表1所示，其中巖石的彈性模量E=3.3 GPa，泊松比v=0.25,是通過室內(nèi)試驗獲得巖石峰值強度參數(shù)及殘余強度參數(shù)。

表1 隧道圍巖強度參數(shù)

1.2 隧道圍巖應(yīng)變軟化力學(xué)模型

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則可表示為:

f(σθ,σr,η)=σθ-Kφ(η)σr-σc

(1)

其中，σθ為最大主應(yīng)力；σr為最小主應(yīng)力；η為巖石由峰值到殘余強度的軟化參數(shù)；其中：

(2)

(3)

在Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化模型中，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨η值呈線性衰減趨勢，關(guān)系式為：

(4)

其中，ωp為巖石峰值強度參數(shù)；ωr為巖石殘余強度參數(shù)；ω可以代替Mohr-Coulomb模型中的粘聚力c及摩擦角φ。

在有限差分方法計算中，塑性力學(xué)參數(shù)η*可通過最大主塑性應(yīng)變與最小主塑性應(yīng)變的差值計算得到[11]，即:

(5)

(6)

(7)

2 隧道快速掘進圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模型及支護參數(shù)

崔家隧道位于山東省，隧道全長為2 653 m，隧道的最大埋深為440 m，隧道的斷面半徑為6.9 m，隧道深埋段地層為三級～四級圍巖，圍巖主要為砂巖，隧道斷面開挖形式采用全斷面方法，由于施工工期緊張，現(xiàn)場擬將原循環(huán)開挖進尺2 m逐漸提高至2.5 m和3.2 m大進尺快速掘進。本文采用 Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化模型，基于FLAC3D有限差分軟件建立隧道三維模型，采用三種不同循環(huán)進尺方案分別進行計算：方案一為每循環(huán)開挖進尺2.0 m；方案二為每循環(huán)開挖進尺2.5 m；方案三為每循環(huán)開挖進尺3.2 m，數(shù)值模型及斷面尺寸如圖1所示。隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道圍巖開挖進尺2 m的支護設(shè)計采用長度2.5 m、間排距1.1 m×1.1 m的系統(tǒng)錨桿，棚距1.5 m的金屬格柵支架，并噴射厚度為0.10 m的混凝土，根據(jù)Oreste P.P等[10]提出的計算方法可計算得到支護特征參數(shù)，如表2所示，其中Ps為支護結(jié)構(gòu)的極限承載值。

2.2 隧道快速掘進施工支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

如圖2所示為在不同開挖進尺條件下隧道圍巖變形特征，當(dāng)掘進尺寸為2.0 m時，計算獲得的隧道拱頂下沉量較小，變形最大值為1.02 cm；當(dāng)掘進尺寸為2.5 m時，隧道拱頂下沉量最大值為1.82 cm時趨于穩(wěn)定；當(dāng)掘進尺寸為3.2 m時，隧道拱頂下沉量最大值為2.45 cm時趨于穩(wěn)定。

表2 支護結(jié)構(gòu)特征曲線參數(shù)

通過對計算結(jié)果的分析可知，當(dāng)采用大掘進尺寸進行施工時，會導(dǎo)致隧道圍巖的變形量增大，同時也增加了圍巖與支護結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)概率。所以，當(dāng)提高循環(huán)掘進尺寸時，應(yīng)對隧道初期支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，保證隧道圍巖在快速掘進過程中的安全穩(wěn)定性。根據(jù)計算結(jié)果，將初始支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，其中系統(tǒng)錨桿改為間排距1.0 m×1.0 m，鋼格柵的棚距改為1.0 m，噴射混凝土的厚度增加至12 cm。

為了優(yōu)化隧道設(shè)計方案的安全性問題，隧道采用的支護形式為聯(lián)合支護方案：錨桿設(shè)置在距離工作面2 m處，然后在后方架設(shè)金屬格柵并噴射混凝土。通過分析圖3中圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用曲線可知，從支護結(jié)構(gòu)開始施作到圍巖與支護結(jié)構(gòu)達到平衡狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)計后的支護結(jié)構(gòu)特征曲線與圍巖特征曲線在彈性位置交匯，說明支護結(jié)構(gòu)能夠滿足快速施工圍巖穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)語

1)本文采用應(yīng)變軟化模型計算隧道圍巖變形特征，通過計算可知，提高隧道掘進循環(huán)進尺來加快隧道的掘進速度，會造成隧道圍巖變形量增大，所以需要提高支護結(jié)構(gòu)的強度才能保證圍巖的安全穩(wěn)定性。

2)采用數(shù)值計算方法對支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過現(xiàn)場監(jiān)測隧道拱頂下沉和支護結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力可知，采用優(yōu)化支護方案能夠保證隧道快速施工的安全穩(wěn)定性，隧道拱頂?shù)淖冃闻c支護結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果基本一致。

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