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        軟弱圍巖掌子面擠出變形影響因素分析

        2018-09-26 11:11:22楊柳劉陽
        山東工業(yè)技術(shù) 2018年16期

        楊柳 劉陽

        摘 要:通過工程實(shí)踐表明,在軟弱圍巖隧道施工過程中,掌子面擠出變形非常明顯,最新的研究結(jié)果顯示,掌子面擠出變形對隧道的穩(wěn)定性有很大影響。本文以臺階法為例,考慮Ⅴ、Ⅵ級軟弱圍巖,對影響掌子面擠出變形量的主要因素,包括圍巖級別、埋深、地應(yīng)力組合狀態(tài)等進(jìn)行有限元計算分析,從而對現(xiàn)場施工提供一定的參考。

        關(guān)鍵詞:軟弱圍巖;臺階法;掌子面;擠出變形

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.076

        0 引言

        隨著我國高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展,為了克服客運(yùn)專線上高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行所引起的空氣動力學(xué)問題,客運(yùn)專線上的隧道基本采用雙線鐵路隧道通過,這些隧道軌面以上的凈空面積為100 m2以上,開挖斷面積都在150 m2以上[1]。

        掌子面及其前方圍巖,對隧道的穩(wěn)定性有很大的影響,因此維護(hù)掌子面的穩(wěn)定至關(guān)重要,但是由于隧道掌子面是施工最集中的地方,通常會受到很多的擾動,由于人們對掌子面的擠出變形不夠重視,引起了很多安全問題。許多隧道在開挖后施工施做支護(hù)之前,出現(xiàn)了掌子面塌方,而在初期支護(hù)完成后,圍巖又出現(xiàn)大變形,變形持量不收斂,表現(xiàn)為初期支護(hù)混凝土破裂、鋼拱架扭曲[2]。

        1 工況及計算條件

        利用大型有限元計算軟件ANSYS,參照時速200 km/h客貨共線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸,采用數(shù)值模擬的方法分別對單線和雙線隧道,施工方法采用目前現(xiàn)場應(yīng)用比較廣泛的臺階法,計算中臺階長度上臺階和下臺階都為8m。地質(zhì)條件為Ⅴ、Ⅵ圍巖兩種情況,埋深300 m。計算模型如圖1所示。

        在軟弱圍巖中,經(jīng)過實(shí)踐表明,導(dǎo)致掌子面發(fā)生擠出變形的主要影響因素是:相對較高地應(yīng)力和較差的地質(zhì)條件。而地應(yīng)力與埋深關(guān)系比較大,并且在具體施工中,掌子面的開挖尺寸也是對掌子面擠出變形影響較大的一個重要因素。因此,在分析中要全面考慮這些影響因素的作用。綜上所述,具體分析工況如下:

        (1)圍巖級別影響效應(yīng)。軟弱圍巖從圍巖級別上大多屬于Ⅴ、Ⅵ級圍巖,這類圍巖強(qiáng)度低,變形持續(xù)時間長,尤其是工程擾動對它的影響極其明顯。在掌子面范圍內(nèi),不能形成明顯的承載拱,塑性區(qū)使圍巖松動范圍較大,從而引起較大的掌子面擠出變形。當(dāng)然對部分大斷面隧道工程,由于開外尺寸的影響,Ⅳ級圍巖也有可能會產(chǎn)生這些問題。

        綜上所述,在數(shù)值模擬計算中,我們考慮了Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三個圍巖級別的不同工況,為了排除其他因素的影響,埋深統(tǒng)一按300m計算,地應(yīng)力水平考慮重力場。

        (2)埋深影響效應(yīng)。較大的隧道埋深往往會引起圍巖壓力的增加,同時也會對初始應(yīng)力場產(chǎn)生很大影響。這些都會引起較大的掌子面擠出變形,從而對隧道的穩(wěn)定性很不利,因此埋深也是我們要考慮的主要因素之一。

        為了排除其他因素的影響,我們在計算中只考慮Ⅴ級圍巖隧道,為了區(qū)別不同的開挖尺寸,單、雙線隧道分別進(jìn)行研究,按100 m、300 m、500 m三種埋深計算。

        (3)不同地應(yīng)力組合狀態(tài)影響效應(yīng)。工程實(shí)踐表明,水平地應(yīng)力水平也是掌子面穩(wěn)定性的影響因素之一。在計算模型中,豎直應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力場,而水平地應(yīng)力系數(shù)組合工況如表1所示(表中λ1為橫向水平地應(yīng)力系數(shù),λ2為縱向水平地應(yīng)力系數(shù)),為了排除其他因素的影響,圍巖級別我們只考慮按Ⅴ、Ⅵ級圍巖,而埋深統(tǒng)一確定為300m,并且只考慮雙線隧道。

        2 計算結(jié)果分析

        2.1 圍巖級別影響效應(yīng)

        只考慮圍巖級別時,單雙線隧道,臺階法施工中不同圍巖級別隧道掌子面擠出變形最終變形量的數(shù)值計算結(jié)果如表2所示。此時隧道的埋深都是統(tǒng)一的300m。

        通過計算結(jié)果我們可以得出,當(dāng)圍巖較穩(wěn)定時,無論單線還是雙線,掌子面擠出最終變形量不明顯。而圍巖較軟弱時,例如Ⅴ、Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形增長較快,尤其是開挖尺寸較大時,更為明顯。

        2.2 埋深影響效應(yīng)

        當(dāng)圍巖級別相同時,我們只考慮不同埋深下,不同開挖尺寸隧道掌子面最終擠出變形量。計算結(jié)果如表3所示。

        從數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出,當(dāng)臺階法施工時,上下臺階的掌子面擠出變形與埋深均成正比增長關(guān)系,隧道埋深對掌子面穩(wěn)定性的影響要若于圍巖級別,這說明地質(zhì)條件對掌子面是很重要的,這在不同開挖尺寸時都有體現(xiàn),相對來說,埋深的影響雙線隧道要更明顯一些。

        2.3 地應(yīng)力組合形態(tài)影響效應(yīng)

        在分析地應(yīng)力組合形態(tài)影響效應(yīng)時,為了減小工作量,我們只考慮雙線隧道,各工況計算結(jié)果見表4。

        不同的工況組合,代表不同的水平和軸向地應(yīng)力水平,具體工況見表1。通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果的分析表明,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件和隧道的埋深都一致時,掌子面最終的擠出變形量與水平地應(yīng)力水平成正比。但是,分別分析橫向和縱向可以看出,當(dāng)橫向地應(yīng)力變化時,對掌子面擠出影響不明顯,而軸向地應(yīng)力則不同。

        3 小結(jié)

        (1)圍巖級別越高,掌子面擠出變形的數(shù)值越大,兩者成正比例關(guān)系。相對來說,Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形并不明顯,還處于安全范圍,而Ⅴ、Ⅵ級圍巖掌子面擠出變形數(shù)值較大,需要引起足夠重視,否則可能引起掌子面失穩(wěn)等災(zāi)害。

        (2)埋深對掌子面擠出變形的影響也很明顯,其影響程度僅次于圍巖級別,這在單線和雙線隧道中情況是類似的。在臺階法施工時,上下兩個臺階受埋深影響都很大,尤其是上臺階尤其要注意埋深的影響。對于不同的開挖尺寸來說,雙線隧道要比單線隧道更明顯一些。所以開挖尺寸越大,越要加強(qiáng)這方面的監(jiān)測。

        (3)當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件和埋深都相同時,水平地應(yīng)力的影響也很明顯,擠出變形和水平地應(yīng)力水平呈正比例關(guān)系。計算表明,在不同地應(yīng)力組合狀態(tài)下,擠出變形的數(shù)值也有一定區(qū)別,橫向地應(yīng)力和縱向地應(yīng)力組合出不同工況,可以得到隧道掌子面擠出變形受軸向地應(yīng)力水平影響較大,而受橫向地應(yīng)力影響較小。

        (4)綜上所述,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,可以得到各因素對于掌子面擠出最終變形量值的影響程度,由大到小可以依次為:圍巖級別、水平地應(yīng)力、埋深。

        參考文獻(xiàn):

        [1]趙東平,王明年.客運(yùn)專線超大斷面隧道施工過程三維力學(xué)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2005,17(04):20-24.

        [2]卿三惠,黃潤秋.烏鞘嶺特長隧道軟弱圍巖大變形特性研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2005,17(04):85-88.

        作者簡介:楊柳(1982-),女,河南鄲城人,本科,講師,研究方向:建筑工程技術(shù)。

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