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        隧道開(kāi)挖進(jìn)入大型溶腔圍巖的變形規(guī)律研究

        2019-01-04 03:13:52中交路橋建設(shè)有限公司李海港武艷勤王軍威陳爾良
        中國(guó)公路 2018年22期
        關(guān)鍵詞:溶腔掌子面拱頂

        文/中交路橋建設(shè)有限公司 李海港 武艷勤 王軍威 陳爾良

        以陸家寨巖溶隧道為依托,利用有限差分軟件FLAC3D建立三維模型,探究隧道開(kāi)挖接近并進(jìn)入前方大型溶洞的過(guò)程中,各個(gè)斷面圍巖的位移變化過(guò)程,結(jié)果表明:以大型溶腔周?chē)鷩鷰r塑性區(qū)界面為界,在界面以外的斷面其總變形量緩慢增大,有較快的先期變形,受溶腔影響程度逐漸增大;處于界面處的斷面總變形量明顯增加,且具有較快的先期變形速率;處于界面內(nèi)部的斷面后期變形減弱,總變形量較正常值小。

        為更加深入探索隧道周?chē)涨粚?duì)隧道開(kāi)挖、支護(hù)穩(wěn)定所造成的影響,趙明階等運(yùn)用了模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法研究了隧道頂、側(cè)、底部不同尺寸大小的溶洞與隧道開(kāi)挖的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,但是這項(xiàng)研究是在考慮隧道周?chē)碾[伏溶腔對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響,對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)入大型巖溶缺乏一定的認(rèn)識(shí),研究隧道開(kāi)挖接近前方大型溶腔過(guò)程中圍巖的變形規(guī)律很有必要。

        數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

        模型及相關(guān)參數(shù)

        在FLAC3D中建立隧道穿越大型正方形洞室模型,如圖1、圖2所示。

        圖1 模型圖

        圖2 溶腔示意圖

        隧道寬度為11.8m,高度為9.8m。溶腔為邊長(zhǎng)20m的正方形洞室,位于模型中央,整體模型尺寸為邊長(zhǎng)160m的正方體。在模型上表面施加垂直面力,使隧道埋深從80m增加到150m。

        根據(jù)陸家寨巖溶隧道的地質(zhì)勘查資料,確定該隧道開(kāi)挖段圍巖屬I(mǎi)Vb級(jí)圍巖,根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中圍巖物理參數(shù)表,四級(jí)圍巖相關(guān)參數(shù)如表1所示。

        開(kāi)挖及監(jiān)測(cè)

        采取全斷面開(kāi)挖的方式模擬開(kāi)挖過(guò)程,對(duì)臨近溶腔的8個(gè)斷面洞周、掌子面的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),各斷面不同位置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)號(hào)與溶腔的距離關(guān)系如表2所示。

        數(shù)據(jù)分析

        拱頂下沉位移分析

        選取臨近溶腔14m范圍內(nèi)的斷面拱頂沉降值進(jìn)行分析,并繪制各個(gè)斷面的位移時(shí)空變形曲線(xiàn),如圖3和圖4所示。

        由圖3可知,與正常開(kāi)挖瞬時(shí)釋放位移值2mm相比,從距離溶腔14m的位置處斷面拱頂開(kāi)挖瞬時(shí)釋放位移開(kāi)始有明顯增大的趨勢(shì),到距離溶腔8m位置處增大到最大值約2.3mm,而后開(kāi)始回降直到隧道與溶腔連通,最后一次開(kāi)挖,拱頂處隧道側(cè)的點(diǎn)瞬時(shí)沉降值為1.35mm,而靠溶腔一側(cè)的點(diǎn)沉降值為2mm。

        由圖4可知,隧道開(kāi)挖至距離溶腔6m的過(guò)程中,斷面拱頂下沉總值呈均勻增加趨勢(shì),從6.3mm增加到6.9mm。最后三個(gè)斷面的拱頂位移總值不斷減小,總值分別為6.2mm、5.2mm、4.2mm。距離溶腔6m內(nèi)的斷面拱頂下沉位移總量比正常值小,而6m以外的斷面位移總量均比正常值稍大。

        表1 模型參數(shù)的相關(guān)取值

        表2 不同位置處斷面的對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)

        圖3 臨近溶腔斷面拱頂下沉單次位移值

        圖4 臨近溶腔斷面拱頂下沉累計(jì)值

        拱腳處水平位移分析

        根據(jù)圖5至圖6,將距離溶腔8m位置處看作變形空間曲線(xiàn)變化點(diǎn),將側(cè)墻水平位移單次位移記錄圖分為8m外水平位移增加段和8m內(nèi)水平位移減小段。增加段內(nèi)各個(gè)斷面的同期位移的增加量與斷面和溶腔的距離成正比,直到開(kāi)挖至距離溶腔8m位置處,其開(kāi)挖瞬時(shí)水平釋放位移出現(xiàn)一個(gè)突增。8m范圍內(nèi)的斷面水平瞬時(shí)釋放位移不斷減小。

        水平總位移量受溶腔影響的斷面主要位于距離溶腔6m范圍以?xún)?nèi),6m以外的斷面其水平位移總值與正常值(2.14mm)會(huì)有所增加,從距離溶腔6m位置開(kāi)始,水平位移總量逐漸減小。最后一個(gè)斷面的側(cè)墻水平位移總量只有0.89mm。

        圖5 臨近溶腔斷面拱腳水平單次位移值

        圖6 臨近溶腔斷面拱腳水平位移累計(jì)值

        掌子面擠出位移分析

        將隧道開(kāi)挖接近并突破溶腔的過(guò)程中掌子面關(guān)鍵點(diǎn)位移圖分為兩個(gè)階段。第一階段如圖7所示,掌子面的變形與正常曲線(xiàn)相比差別不大,主要區(qū)別為開(kāi)挖瞬時(shí)擠出變形,第一階段范圍的斷面開(kāi)挖引起下個(gè)斷面掌子面擠出變形量隨著溶腔的不斷接近呈現(xiàn)均勻增加的趨勢(shì),到分界線(xiàn)處出現(xiàn)一個(gè)突增。正常斷面的開(kāi)挖瞬時(shí)擠出位移為1.2mm,分界線(xiàn)處的擠出位移為2mm。第二階段如圖8所示,掌子面的變形開(kāi)始向溶腔內(nèi)部發(fā)展,進(jìn)入分界線(xiàn)的第一個(gè)斷面掌子面的前期位移開(kāi)始明顯指向溶腔,而開(kāi)挖瞬時(shí)擠出變形也開(kāi)始減小,到第二個(gè)斷面這種趨勢(shì)更加顯著。距離溶腔4m范圍內(nèi)的斷面變形幾乎完全指向溶腔內(nèi)部,最大瞬時(shí)變形位移值約為1mm。

        圖7 向隧道擠出的斷面掌子面變形

        圖8 向溶腔擠入的斷面掌子面變形

        將臨近溶腔一側(cè)的、變形曲線(xiàn)有明顯變化的斷面的變形曲線(xiàn)繪制在一個(gè)圖中,形成如圖9的曲線(xiàn):

        圖9 隧道進(jìn)入大型溶腔圍巖變形規(guī)律

        可認(rèn)為斷面內(nèi)的變形主要受切向應(yīng)力的控制,而切向應(yīng)力從洞室出發(fā),隨著洞室的遠(yuǎn)離,表現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律,最大的應(yīng)力是應(yīng)力集中區(qū)域,處于彈塑性分界處。

        結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖接近并進(jìn)入大型溶腔的過(guò)程設(shè)計(jì)數(shù)值模擬,將溶腔周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)分為塑性區(qū)、彈塑性交界區(qū)、彈性區(qū),隧道在這三個(gè)區(qū)域的開(kāi)挖變形特性均有所不同,通過(guò)分析總結(jié),結(jié)論如下。

        隧道在彈性區(qū)開(kāi)挖,隧道的開(kāi)挖變形量隨著溶腔的接近有增大的趨勢(shì),且拱頂下沉量、掌子面擠出變形量變形增大的速度大于拱腳的水平位移增速。在該階段,掌子面擠出位移將達(dá)到最大值。

        隧道在彈塑性交界處開(kāi)挖,隧道的變形量增加到最大,變形增大主要發(fā)生在拱頂、拱腰處,變形主要由先期變形和開(kāi)挖瞬時(shí)變形,掌子面擠出變形開(kāi)始減小。

        隧道在塑性區(qū)開(kāi)挖,圍巖的變形減小,主要原因是由于塑性區(qū)地應(yīng)力較小,隧道的開(kāi)挖引起的應(yīng)力釋放較小。掌子面擠出變形繼續(xù)減小,最后向溶腔方向產(chǎn)生變形。

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