隧道圍巖變形及其襯砌內力特征研究

戚長軍,佘芳濤,邵兵廠

(1.機械工業勘察設計研究院,陜西 西安 710043;2.西安理工大學巖土工程研究所,陜西西安 710048)

隧道圍巖變形及其襯砌內力特征研究

戚長軍1,佘芳濤2,邵兵廠1

(1.機械工業勘察設計研究院,陜西 西安 710043;2.西安理工大學巖土工程研究所,陜西西安 710048)

位于土層和巖層交界地層中的隧洞,其力學特性和水文地質條件均發生顯著的變化,從而導致塌方或者圍巖變形過大等。利用數值計算方法,建立二維有限元模型,對某工程隧洞土、巖接觸地層中隧道開挖圍巖變形和襯砌受力特性進行分析,并采用不同施工方法進行比較。結果表明,土、巖接觸地層中隧道開挖圍巖沉降位移場是非對稱的,沉降位移最大位置在拱頂30°處,正是需要加強支護的位置;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。合理的支護方式和開挖方式是土、巖層交界地層中隧洞周邊巖體穩定的基本條件。

隧道;圍巖;襯砌內力;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土、巖接觸地層。這一地質特征使得隧道圍巖在土、巖交界處不僅發生了力學特性的顯著變化,而且水文地質條件發生顯著的變化,導致交界處含水率明顯增大。在過去的實踐中,土、巖交界地層并沒有引起人們的廣泛注意,從而導致了塌方以及圍巖變形過大的事故[1]。在山西離軍高速公路隧道的實踐中發現[2],隧道在土、巖交界層中開挖時發生塌方,而在寶天高速公路黑嶺隧道的工程[3]中發現,土、巖交界面段圍巖的最大變形達到35 cm左右。隧道之所以出現塌方和圍巖變形過大,原因在于沒有正確的認識土、巖交界地層條件下,圍巖的變形規律和開挖后圍巖應力的轉移,從而導致按常規設計方法提供的支護措施與圍巖壓力不相匹配。工程實踐經驗表明[4,5],工程巖體的變形破壞一般受結構面控制,結構面的分布、特征及組合關系是巖體穩定的內在因素,它決定巖體的穩定程度、可能變形破壞的邊界條件、方式、規模及特征等。鑒于此,本文分析土、巖接觸地層條件對圍巖變形規律和破壞方式以及襯砌結構內力的影響,最終達到指導設計和施工的目的。

圖1 土巖接觸地層

1 數值模型與計算參數

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。分析埋深為40 m,土、巖傾角為45°時 3種不同開挖方式(分別為正臺階開挖、留核心土開挖和先墻后拱開挖。),隧道的圍巖變形和襯砌結構內力變化。下圖中的一條長斜線表示土、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 計算模型

1.2 計算方法與參數選取

如前面所述,建立計算模型后,首先計算初始應力場,然后導入初始應力,進行應力釋放,開挖和支護,從而得到各項分析結果。計算初始應力時,采用線彈性模型,得到初始應力場之后,導入初始應力。模擬開挖過程中分為五步開挖。在材料參數里面計算模型為彈塑性模型,采用的材料參數如表1和表2所示。當這些設置完成之后進行開挖和支護模擬。本文采用3種不同的開挖方式,分別為正臺階開挖、留核心土開挖和先墻后拱開挖。

表1 土體和巖體計算參數

表2 襯砌計算參數

2 計算成果分析

2.1 土、巖接觸地層隧道圍巖變形規律和襯砌結構內力變化特征

隧道圍巖土體最大沉降位移dymax=-0.15895 m,發生在拱頂偏左30°處,如圖3所示。圍巖最大水平位移dxmax=0.06648 m,發生在隧洞左側水平方向,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性質決定的,由于剛度的差異引起隧道開挖應力釋放不均勻所導致的,而且在土、巖接觸面上有相對滑移跡象。

圖3 圍巖豎向位移場

圖4 圍巖水平位移場

圖5、圖6表明土、巖交界面地層,隧道開挖過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,襯砌結構內力也會引起一定的變化。(分析總位移變化時,選取了隧洞周圍上半圓連續的17個節點,圖5中的橫坐標為從左側拱腰開始上半圓各節點之間的弧長,縱坐標為垂直位移。在后面的分析比較總位移、襯砌軸力和彎矩變化規律時,橫坐標取值均一樣)。在圖7、圖8襯砌軸力和彎矩隨洞周節點分布規律可以看出,在土體一側襯砌軸力和彎矩較巖體一側小,巖體一側襯砌承受的內力較大。均質土體中隧道襯砌結構內力是沿洞軸線對稱分布,土、巖接觸地層中隧道襯砌結構內力是非對稱分布的。

圖5 圍巖各點總位移變化規律

圖6 地表沉降位移變化規律

圖7 襯砌軸力變化規律

圖8 襯砌彎矩變化規律

2.2 土、巖接觸面的不同開挖方式對圍巖變形規律和襯砌結構內力變化特征的影響

開挖方式分別為正臺階開挖、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圍巖變形規律和襯砌結構內力變化特征的影響:

(1)如圖9所示,正臺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力釋放先后順序的不同導致土、巖接觸地層圍巖應力分布的不同。從表3中得出結論,正臺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發現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。隧道洞周各節點位移和地表沉降位移均是先墻后拱開挖方式最小,正臺階開挖方式最大。

圖9不同開挖方式的圍巖位移場

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;從襯砌最大彎矩來說,先墻后拱開挖方式最大,正臺階開挖方式最小。

圖13 3種開挖方式的襯砌各點軸力變化

圖14 3種開挖方式的襯砌各點彎矩變化

3 結 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30°左右,并且圍巖最大沉降位移比較大。

(2)均質土體中隧道圍巖位移場和襯砌結構內力是對稱分布的,而土、巖接觸地層中隧道圍巖位移場和襯砌結構內力是非對稱分布的。在土體一側襯砌軸力和彎矩較巖體一側小,巖體一側襯砌承受的內力較大。

(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,襯砌內力最大;正臺階開挖方法圍巖沉降位移最大,襯砌內力最小;留核心土開挖方法介于二者中間。

[1]蔣建平,章楊松,羅國煜.基于土體中結構面的巖土工程問題探討[J].工程地質學報,2002,10(2):160-165.

[2]蔣建平,章楊松,羅國煜.土體宏觀結構面及其對土體破壞的影響[J].巖土力學,2002,23(4):482-485.

[3]蔣建平,章楊松,高廣運,等.土體中第四紀斷層結構面特征及其地震和巖土工程意義[J].西北地震學報,2002,24(3):215-219.

[4]杜時貴.巖體結構面的工程性質[M].北京:地震出版社,1999.

[5]何滿潮,競海河,孫小明.軟巖工程力學[M].北京:科學出版社,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計。