師亞龍,陳禮偉,裴濤濤,李春林
(1.中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,四川成都 611731)
隨著我國交通網(wǎng)的不斷完善,涌現(xiàn)出大量的隧道工程。而一些隧道處于高地應(yīng)力、高地溫及高孔隙水壓的“三高”復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境,從而易導(dǎo)致硬巖巖爆,軟巖大變形、塌方、底鼓等災(zāi)害的發(fā)生。而對于軟巖高應(yīng)力隧道,其底部常由襯砌水壓力、膨脹壓力、高地應(yīng)力以及開挖方法、支護(hù)形式等使其產(chǎn)生擠壓變形隆起、破裂。目前國內(nèi)外對于底鼓產(chǎn)生機(jī)理研究具有代表性的主要有:Jl.M.秦巴列維奇[1]通過松散土體在兩個壓模作用下被擠出的現(xiàn)象揭示了底鼓的本質(zhì),并通過土體的極限平衡理論計算分析了底鼓巷道支架所受的壓力??缀愕龋?]在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,全面地分析了隧底隆起的成因、分類與控制技術(shù)途徑。汪洋等[3]通過分析隧道底鼓的形式和發(fā)展過程,推導(dǎo)出由底板壓曲引起的隧道底鼓的表達(dá)式并提出了相應(yīng)的治理措施。王明年等[4]利用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬,分析了隧道仰拱力學(xué)行為。施成華等[5-6]分別通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場測試對鐵路隧道鋪底結(jié)構(gòu)的受力、變形狀態(tài)進(jìn)行分析,得出鋪底結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了拉—壓—拉—壓的反復(fù)變化過程。隧道鋪底的破壞主要是由于其受彎拉應(yīng)力作用而造成的,并提出隧道鋪底病害整治時,應(yīng)大力提高鋪底的抗彎能力。賀建清等[7]通過彈塑性力學(xué)滑移線理論計算了巷道底板巖層因受到擠壓應(yīng)力而產(chǎn)生的最大塑性區(qū)深度,并根據(jù)最大塑性區(qū)深度,確定了防治巷道底鼓的錨桿長度取值。但迄今為止,對于不同種類圍巖條件下所引起的底鼓量估算方式相對較少。
基于此,本文在分析產(chǎn)生隧道底鼓各個因素的基礎(chǔ)上,給出相應(yīng)的隧道底鼓理論計算公式。并根據(jù)不同圍巖性質(zhì),在計算隧道底鼓量時采用不同的底鼓量組合公式。
1)圍巖性態(tài):圍巖的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)對隧道底鼓起著決定性的作用。底板巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(碎裂結(jié)構(gòu)、薄層狀結(jié)構(gòu)、厚層狀結(jié)構(gòu))決定著底鼓的類型,而底板巖層的軟弱程度決定著底鼓量的大小。
2)巖體應(yīng)力:巖體應(yīng)力作為底鼓產(chǎn)生的必要條件,只有巖層應(yīng)力滿足一定的條件時才會產(chǎn)生底鼓,并且其應(yīng)力越大,所產(chǎn)生的底鼓就越嚴(yán)重。
3)水理作用:水作為隧道病害的“罪魁禍?zhǔn)住?,幾乎大部分的隧道病害均有水的作用。在隧道底鼓中水的作用主要?①弱化圍巖強(qiáng)度;②對一些膨脹性巖層,巖石吸水后體積會迅速膨脹,產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,從而產(chǎn)生膨脹性底鼓;③使節(jié)理性巖體易崩解、碎裂,其強(qiáng)度大幅度降低。
4)支護(hù)形式:對膨脹性隆起,若想完全依靠支護(hù)剛度來控制隆起既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí),即使采取剛度大的支護(hù)且仰拱厚度達(dá)2 m,仍不能有效控制膨脹性隆起變形[2]。國內(nèi)外工程實(shí)踐均表明,柔性支護(hù)是控制膨脹巖隆起的有效方法。
5)隧道斷面形狀:通過有限元分析,在所有條件相同的情況下,直墻半圓拱的底鼓量要比圓形隧道的底鼓量大1/3以上[8]。且施作仰拱的隧道要比不施作仰拱的所產(chǎn)生的底鼓量小。因此在隧道圍巖性質(zhì)和支護(hù)狀況基本上相同的條件下,僅僅是隧道頂?shù)仔螤钌系牟町?,便可使底鼓量相差許多。
1)隧道底板巖層彈性變形
由彈性理論可得底板中心相對于較遠(yuǎn)范圍的圍巖的垂直位移為
式中:u0為垂直位移,m;E為圍巖變形模量;μ為泊松比;y0為底板中心距x軸的距離,m;yd為計算相對位移的深度,m;σx,σy分別為底板中心線豎軸上的應(yīng)力分量,MPa。
2)塑性應(yīng)變
當(dāng)圍巖應(yīng)力超過其彈性極限,圍巖變形便由彈性轉(zhuǎn)向塑性,對于彈塑性變形引起的底鼓量可以把隧道看作圓形隧道來分析。根據(jù)彈塑性理論[9],雙向等壓情況下,塑性區(qū)的位移可用周邊位移的計算公式求取
式中:u'0為隧道周邊位移,m;r0為隧道半徑,m;φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力,N;P0為原巖應(yīng)力;Pi為支護(hù)力,N。
由式(1)和式(2)可得由彈塑性引起的底鼓量為
由巖石峰前擴(kuò)容和峰后剪脹引起的底鼓量主要和底板巖層的松動范圍、巖層應(yīng)力的大小和巖石膨脹系數(shù)有關(guān),可用式(4)來估算擴(kuò)容所引起的底鼓量[10]
式中:u2為擴(kuò)容引起底鼓量;ξ為巖石的碎脹系數(shù)(一般取0.05~0.5);Lp為底板巖層的松動范圍;Ra為底板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度。
仰拱在施工中通常是以隧道中線為界,兩側(cè)先后施作,中線接茬處是施工的薄弱環(huán)節(jié)。因此,底板的壓曲破壞通常發(fā)生在中部,根據(jù)這一現(xiàn)象,用如圖1所示的圖形來預(yù)計仰拱底鼓量u3
圖1 底板彎曲示意
式中:u3為隧道底板壓曲位移,m;uh為拱腳處襯砌水平收斂位移,m;l為隧道斷面寬度。
對于膨脹巖而言,由于富含親水性物質(zhì),如蒙脫石、伊利石等,當(dāng)濕度發(fā)生變化時,便會引起較大的體積變化。因此對于一些底板巖層是由膨脹巖組成的,遇水時便引起膨脹。由于兩邊的約束作用,便向隧道內(nèi)空面發(fā)展,進(jìn)而引起底板巖層破裂、隆起。
膨脹巖親水后當(dāng)膨脹受到約束時便會產(chǎn)生有壓膨脹,其膨脹應(yīng)變量為[11]
式中:ε4為膨脹應(yīng)變;Ks為自由膨脹率;σs為膨脹力,Pa;σ0為最大膨脹壓力,Pa。
隧道開挖后底板巖層遇水膨脹產(chǎn)生的底鼓量為
式中:α為系數(shù);B為隧道寬度,m;pa為實(shí)際支護(hù)阻力,N;p0為完全阻止膨脹性底鼓所需要的最大支護(hù)阻力,N;u4為膨脹位移,m。
上述理論屬于一維膨脹理論范疇,僅考慮軸向應(yīng)力對膨脹的影響,并未考慮徑向力和剪切力,與某些實(shí)際情況有時并不符,只能在特定條件下采用。由于巖體具有明顯的各向異性,故巖層在垂直層理方向的膨脹遠(yuǎn)比沿層理方向的膨脹劇烈。軸向膨脹率比側(cè)向膨脹率大得多,此時,側(cè)向力的大小對巖石膨脹影響不大,控制膨脹大小的主要是軸向力,故可采用一維膨脹理論預(yù)測巷道底板的膨脹位移。
由于軟巖隧道底鼓量隨時間的加長而不斷增加,因而流變引起的底鼓量是隧道底鼓量中一個非常重要的組成部分。為了說明軟巖隧道底板位移與時間的關(guān)系,這里分析黏彈性圍巖圓形隧道的應(yīng)力和位移,流變模型采用改進(jìn)的凱爾文模型??梢缘玫絿鷰r位移的表達(dá)式為
式中:u5為圍巖徑向位移,m;r0為隧道半徑,m;G為巖層的長期剪切模量,MPa;η為牛頓黏性系數(shù);G,η值通過試驗(yàn)測出,可以探討u5與t,u5與r的關(guān)系。
由前面的分析可知,隧道產(chǎn)生底鼓所處的圍巖環(huán)境,均為軟巖。通過隧道所處的圍巖性態(tài),根據(jù)我國軟巖的工程分類,將底鼓隧道劃分為如下4類:①膨脹性軟巖底鼓;②高應(yīng)力軟巖底鼓;③節(jié)理化軟巖底鼓;④復(fù)合型軟巖底鼓。而對于復(fù)合型軟巖隧道底鼓,可根據(jù)前三種軟巖類型,進(jìn)行疊加而得。下面僅對膨脹性軟巖底鼓、高應(yīng)力軟巖底鼓、節(jié)理化軟巖底鼓進(jìn)行機(jī)理分析。
1)巖石特性。由巖石的全應(yīng)力應(yīng)變曲線可知,巖石在達(dá)到屈服強(qiáng)度之后,進(jìn)入塑性區(qū),產(chǎn)生體積明顯膨脹的現(xiàn)象,且已有研究結(jié)果表明[12]擴(kuò)容是引起隧道位移的主要因素。因此在隧道產(chǎn)生底鼓破壞時,擴(kuò)容所產(chǎn)生的底鼓量是不容忽視的。而軟巖的流變性又促使隧道底鼓隨著時間的增長而不斷地加劇,因此該因素亦不可忽略。
2)變形特征。由于其變形的共性,均產(chǎn)生塑性擠入,隧道邊墻產(chǎn)生收斂位移,而且底鼓的產(chǎn)生過程均是先有底板的壓曲變形,斷裂鼓出。因此在存在邊墻收斂時,均應(yīng)考慮彎曲變形,且該量值相對還比較大。
3)變形因素。原則上說,所有的材料變形破壞均會存在一定量的彈塑性變形。對于圍巖應(yīng)力不是很高的隧道,其影響深度不是很大。當(dāng)產(chǎn)生底鼓病害時,由于影響深度小,其量值相對于其他幾種因素產(chǎn)生的量值較小。因此對于不是處于高應(yīng)力軟巖的隧道底鼓,均不考慮彈塑性變形所產(chǎn)生的量值。
對于膨脹性底鼓,毫無疑問膨脹所引起的底鼓量是占主要部分的。因此對于存在膨脹巖的隧道底鼓均應(yīng)考慮膨脹引起的底鼓量。
由此可得隧道底鼓量估算公式,如表1所示。
表1 隧道底鼓量計算組合方法
在深入分析引起隧道底鼓因素的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了各種因素作用下隧道底鼓量的計算公式。并通過隧道所處的圍巖形態(tài),根據(jù)軟巖的工程分類,將軟巖底鼓隧道分為膨脹性軟巖底鼓、高應(yīng)力軟巖底鼓、節(jié)理化軟巖底鼓和復(fù)合型軟巖底鼓。并對不同種類的軟巖底鼓隧道,給出了不同的底鼓量計算組合公式,以便更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。
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