徐 全,吳家耀,褚衛(wèi)江

(1.中國(guó)電建建團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州311122;2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司,杭州310000)

隨著中國(guó)工程建設(shè)的迅猛發(fā)展,地下洞室空間的建設(shè)和結(jié)構(gòu)使用要求越來(lái)越高,對(duì)超大規(guī)模(跨度超過(guò)50 m)的地下空間的需求開(kāi)始上升。我國(guó)地下工程跨度一般較小,對(duì)大跨度的勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)等方面還缺乏成套的技術(shù)。地下工程除要求滿足特定的使用功能外,還特別強(qiáng)調(diào)施工過(guò)程中的安全以及在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全穩(wěn)定。同時(shí),大跨度地下工程具有結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn),且受巖體質(zhì)量、結(jié)構(gòu)面特征、初始地應(yīng)力場(chǎng)等眾多因素影響,是一項(xiàng)非常復(fù)雜的地下工程活動(dòng)。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于大跨度洞室的研究較少,尤其對(duì)跨度大于50 m以上洞室的研究更少。例如,向欣[1]通過(guò)3DEC離散元軟件結(jié)合金沙江某水電站調(diào)壓井工程,對(duì)大跨度洞室(50 m筒徑)拱頂?shù)姆€(wěn)定性和支護(hù)措施進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,采用系統(tǒng)支護(hù)與混凝土置換加強(qiáng)支護(hù)可以有效控制頂拱錯(cuò)動(dòng)帶的變形;徐干成等[2]對(duì)60 m跨度的扁平地下洞室開(kāi)挖方案進(jìn)行了研究;Broch等[3]通過(guò)挪威大跨度地下洞室的工程案例,研究了61 m大跨度洞室的開(kāi)挖和支護(hù);Barton[4]通過(guò)離散元軟件UDEC對(duì)挪威62 m大跨度洞室的變形進(jìn)行預(yù)測(cè),并對(duì)實(shí)際變形值進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

洞室的設(shè)計(jì)中,矢跨比(洞室中矢高S與洞室跨度L之比S/L)的設(shè)計(jì)對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要,過(guò)小的矢跨比可能會(huì)造成頂拱無(wú)法形成應(yīng)力拱,無(wú)拱效應(yīng),導(dǎo)致洞室穩(wěn)定性差,而較大的矢跨比會(huì)有利于拱效應(yīng)的形成,能夠提高洞室的穩(wěn)定性,但較大的矢跨比同時(shí)會(huì)增加建造成本,如何設(shè)計(jì)大跨度洞室的矢跨比是大跨度設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。一般認(rèn)為巖體強(qiáng)度、埋深、地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面等因素對(duì)洞室穩(wěn)定有直接影響,在洞室矢跨比設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮。

能滿足洞室變形、穩(wěn)定等一系列條件下的最小矢跨比,稱為洞室最小矢跨比。在最小矢跨比研究中,洞室的變形標(biāo)準(zhǔn)是最為關(guān)鍵的,洞室的矢跨比、巖體強(qiáng)度、埋深等因素,究竟以什么標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷洞室穩(wěn)定是個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。Sakurai[5]提出了極限應(yīng)變的概念,即洞室變形小于或等于極限應(yīng)變時(shí),洞室無(wú)需特殊支護(hù)便能夠穩(wěn)定。在國(guó)內(nèi)規(guī)范中也都提及了一般洞室變形收斂的控制值,如,水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范和公路隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范等,但這些規(guī)范所針對(duì)的都是小跨度洞室,并不適用于跨度大于50 m的大跨度洞室。極限應(yīng)變已有較多研究,例如,Sakurai[5]、Barton[6]、Hoek[7-8]、Singh等[9]都對(duì)極限應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)大跨度洞室的最小矢跨比鮮有研究,而最小矢跨比的確定對(duì)大跨度洞室的設(shè)計(jì)有著重要的參考價(jià)值。筆者提出適用于大跨度洞室的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn),再采用能夠考慮巖體軟化、剪脹、體脹、密度變化等開(kāi)挖響應(yīng)特征的Cavehoek本構(gòu)模型[10],研究埋深、地應(yīng)力、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和結(jié)構(gòu)面對(duì)60 m大跨度洞室最小矢跨比的影響。

1 Cavehoek本構(gòu)模型理論

Cavehoek本構(gòu)模型是美國(guó)Itasca公司于2010年開(kāi)發(fā)的[10],主要應(yīng)用于煤礦長(zhǎng)壁開(kāi)采和采空區(qū)發(fā)展的三維計(jì)算[11-13]。Duplancic[14]通過(guò)波速法對(duì)帕克斯的礦區(qū)圍巖進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)煤層開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)主要可分為4個(gè)區(qū)域:垮落區(qū)、屈服區(qū)、微震區(qū)、彈性區(qū),如圖1所示。

圖1 開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的力學(xué)響應(yīng)示意Fig.1 Mechanical response diagram of surrounding rock during excavation

彈性區(qū):并未擾動(dòng)的區(qū)域,巖體仍處于彈性狀態(tài);微震區(qū):由于舊裂紋的滑動(dòng)或新裂紋的產(chǎn)生,微震行為在該區(qū)域的發(fā)育較為集中;屈服區(qū):該區(qū)域巖體的應(yīng)力狀態(tài)有著顯著的降低,且裂隙較為發(fā)育,破壞特征明顯。同時(shí),該區(qū)域巖體強(qiáng)度損失較多,僅能夠?yàn)樯细矌r體提供較小的支護(hù)壓力;垮落區(qū):由于開(kāi)挖導(dǎo)致巖體垮落的區(qū)域。

開(kāi)采過(guò)程計(jì)算分析的本構(gòu)需要能夠反映出巖體從無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)到崩塌的過(guò)程,而在大跨度洞室最小矢跨比計(jì)算中,圍巖的響應(yīng)與煤層開(kāi)采時(shí)上部圍巖的響應(yīng)機(jī)制基本一致:當(dāng)洞室矢跨比非常小時(shí),無(wú)法形成應(yīng)力拱,上部巖層垮塌,當(dāng)洞室矢跨比達(dá)到一定要求時(shí),上部巖層可以穩(wěn)定,在整個(gè)過(guò)程中,圍巖的響應(yīng)包括:圍巖變形和應(yīng)力的重分布;巖體破壞后,巖體強(qiáng)度由峰值強(qiáng)度降到殘余強(qiáng)度的水平;巖體的剪脹行為;巖體的體脹行為;變形參數(shù)的軟化、密度變化等圍巖響應(yīng)特征。

Cavehoek本構(gòu)主要包括:巖體密度、巖體質(zhì)量評(píng)分GSI、巖塊材料常數(shù)mi、巖塊單軸抗壓強(qiáng)度UCS、巖塊彈性模量E i、巖體殘余強(qiáng)度等參數(shù),若需要考慮結(jié)構(gòu)面,還需考慮結(jié)構(gòu)面的參數(shù):粘聚力、摩擦角、抗拉強(qiáng)度、剪脹角等。Cavehoek本構(gòu)遵循的是Hoek Brown準(zhǔn)則[15]:

式中:σ1為最大主應(yīng)力;σ3為最小主應(yīng)力;UCS為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度;mi為巖塊材料常數(shù);GSI為巖體質(zhì)量評(píng)分。

本構(gòu)模型中巖體的彈性模量主要根據(jù)Hoek和Diederichs[16]提出的等式進(jìn)行計(jì)算:

式中:E i為巖塊彈性模量;Erm為巖體彈性模量。

巖體的體積和密度的變化等,可根據(jù)巖體的膨脹系數(shù)來(lái)確定,膨脹系數(shù)定義為

式中:B為膨脹系數(shù);ΔV為體積變化量;V i為初始體積;n為孔隙率。

計(jì)算中,巖體的剪脹角是隨巖體塑性剪切應(yīng)變的變化而變化:

式中:ψγp為巖體當(dāng)前剪脹角;ψpeak為峰值強(qiáng)度時(shí)巖體剪脹角;φc為內(nèi)摩擦角;γp為塑性剪應(yīng)變;γp,*為實(shí)驗(yàn)室所得塑性剪切應(yīng)變實(shí)驗(yàn)值。

因此,Cavehoek本構(gòu)模型能夠考慮大跨度洞室開(kāi)挖中圍巖的種種響應(yīng)特征,文中采用Cavehoek模型計(jì)算大跨度洞室矢跨比由小到大的開(kāi)挖過(guò)程,求得滿足一定應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)時(shí),當(dāng)前矢跨比即為最小矢跨比。

2 極限應(yīng)變計(jì)算方法

極限應(yīng)變?chǔ)與r主要是指洞室在小于等于該應(yīng)變時(shí),洞室在無(wú)特殊支護(hù)下能夠穩(wěn)定,即洞室應(yīng)變小于等于該值,則洞室處于穩(wěn)定狀態(tài);若大于該值,則洞室穩(wěn)定存在一定的風(fēng)險(xiǎn),需要注意的是極限應(yīng)變總是小于破壞時(shí)的應(yīng)變。對(duì)于大跨度洞室的極限應(yīng)變?chǔ)與r的判斷標(biāo)準(zhǔn),目前沒(méi)有明確的規(guī)定,但國(guó)內(nèi)外對(duì)一般洞室的極限應(yīng)變均有研究和規(guī)定,如《水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范2004》和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,都對(duì)洞室的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。其中,明確說(shuō)明該規(guī)范主要是針對(duì)矢跨比在0.8～20 m的洞室。對(duì)于大跨度洞室的極限應(yīng)變求解方法,需要追溯到極限應(yīng)變的最初求解原理,文中將介紹幾種極限應(yīng)變的求解方法,提出適合于大跨度洞室的極限應(yīng)變計(jì)算方法。

2.1 Sukurai法[5]

較早時(shí)期Sakurai曾提出極限應(yīng)變的概念,計(jì)算思路為

式中:εci為巖塊的極限應(yīng)變;E i為巖體彈性模量;σci為巖體單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)。需要注意的是該公式求出來(lái)的極限應(yīng)變是巖塊的極限應(yīng)變?chǔ)與i,如何將巖塊計(jì)算出的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際尺度的洞室中呢?Sakurai認(rèn)為巖塊與實(shí)際的巖體相比,巖塊中不含結(jié)構(gòu)面、裂隙等,而巖體中包含結(jié)構(gòu)面和裂隙等。如果依據(jù)式(7)的思路,實(shí)際巖體的應(yīng)變可以表示為

式中:m和n分別為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度σci和彈性模量E i的折減系數(shù),;Er為巖體彈性模量;σcr為巖體單軸抗壓強(qiáng)度。其中m和n值的區(qū)間為0～1.0,對(duì)于土而言m和n的比值基本為1,因此,土體實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以直接應(yīng)用到工程實(shí)踐中。對(duì)于巖石,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)m和n的比值在1～3,證明了巖塊極限應(yīng)變與巖體的極限應(yīng)變?cè)谝粋€(gè)數(shù)量級(jí),其原因主要是因?yàn)閹r體中的裂隙等對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響是同時(shí)的,而并非只對(duì)某個(gè)值影響。巖塊的極限應(yīng)變?chǔ)與i是巖體的極限應(yīng)變的1～3倍,如果采用巖塊的極限應(yīng)變?chǔ)與i作為預(yù)警值,那么這個(gè)值已經(jīng)包括了一個(gè)安全系數(shù)1～3。

2.2 Singh法[9]

Singh[17]通過(guò)對(duì)洞室的反饋分析,得到:

式中:γ為巖體的密度,gm/cc;σcr為巖體的單軸抗壓強(qiáng)度;Q為巖體質(zhì)量的分值;JW是水對(duì)Q分值的折減系數(shù);σci為巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。

極限應(yīng)變可以通過(guò)巖塊的參數(shù)和Q值來(lái)得到:

式中:εci為巖塊的極限應(yīng)變;E i為巖體彈性模量;σci為巖體單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)。

Singh還基于Barton[6]提出的關(guān)系式對(duì)極限應(yīng)變進(jìn)行了研究,Barton建議:

式中:σci為巖體單軸抗壓強(qiáng)度;Er為巖體彈性模量;Q為巖體質(zhì)量的分值。

最終得到極限應(yīng)變?yōu)?/p>

2.3 Hoek法[6]

Hoek通過(guò)對(duì)眾多工程的統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn):

式中:εci為巖塊的極限應(yīng)變;σcr為巖體單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)。

3 計(jì)算方案

3.1 模擬工況

文中主要從GSI、埋深、側(cè)壓力系數(shù)K0、結(jié)構(gòu)面幾個(gè)方面進(jìn)行研究。對(duì)于大跨度洞室,成洞的前提條件對(duì)巖體質(zhì)量是有要求的,這一點(diǎn)從Q系統(tǒng)中也可以看出,對(duì)于跨度大于50～60 m的大跨度洞室,在無(wú)特殊支護(hù)下,GSI一般大于40。因此,GSI共考慮40、45、50...80共9種情況。埋深考慮100、200、300、400、500 m共5種情況。側(cè)壓力系數(shù)考慮0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7共6種情況,結(jié)構(gòu)面傾角考慮0°～90°,每10°為一種工況,共10種情況。具體計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況Table 1 Calculated condition

巖塊的參數(shù)按某實(shí)驗(yàn)中得到的弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r的上、中、下3種值來(lái)考慮,具體如表2所示。

表2 cavehoek本構(gòu)巖體計(jì)算參數(shù)Table 2 Parameters of cavehoek constitutive

結(jié)構(gòu)面的參數(shù)按膠結(jié)結(jié)構(gòu)面的參數(shù)來(lái)考慮,取一般膠結(jié)結(jié)構(gòu)面參數(shù)的上限值和下限值進(jìn)行計(jì)算,具體參數(shù)如表3所示。

表3 膠結(jié)結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of cementing structure surface

3.2 極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)

由分析可知,巖體的極限應(yīng)變?chǔ)與r一般可以根據(jù)圍巖巖體條件來(lái)獲得,例如,巖體的彈性模量,如果缺少實(shí)驗(yàn)資料,Q值同樣可以用來(lái)求解臨界應(yīng)變。對(duì)于洞室來(lái)說(shuō),洞室開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布,洞室的環(huán)向應(yīng)力會(huì)逐漸增大,接著達(dá)到巖體單軸抗壓強(qiáng)度,如果環(huán)向應(yīng)力再增大,環(huán)向巖體將會(huì)屈服破壞,洞室的穩(wěn)定取決于圍巖的應(yīng)力狀態(tài),因此,巖體的極限應(yīng)變?chǔ)與r被用來(lái)作為洞室的極限應(yīng)變,評(píng)估洞室的穩(wěn)定性。

在極限應(yīng)變求取中有Sakurai法 、Singh法、Hoek法,其中,Singh根據(jù)他自己以及Barton提出的巖體參數(shù)關(guān)系分別提出了2種極限應(yīng)變求取法,考慮了巖體質(zhì)量以及巖塊本身力學(xué)性質(zhì)。圖2～圖4為不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r通過(guò)以上4種方法計(jì)算出的在各GSI下的極限應(yīng)變值εcr。GSI與Q值得換算如式(15)所示。其中,Sakurai法由于按巖塊極限變形來(lái)考慮的,偏于保守。Singh提出的方法一與Hoek提出的方法在不同巖石強(qiáng)度下,所求得的巖體極限應(yīng)變?chǔ)與r值大于或小于前2種方法,而Singh基于Barton關(guān)系式提出的方法二在各條件下均小于前2種方法,考慮大跨度工程的安全問(wèn)題,文中采用Singh的方法二計(jì)算出的巖體極限應(yīng)變作為洞室變形的極限應(yīng)變?chǔ)與r,結(jié)果如圖5所示。

圖2 UCS=70 MPa,Ei=37.0 GPa時(shí)各GSI下的極限應(yīng)變Fig.2 When UCS=70 MPa,Ei=37.0 GPa,the limit strain under each GSI

圖3 UCS=90 MPa,Ei=47.0 GPa時(shí)各GSI下的極限應(yīng)變Fig.3 When UCS=90 MPa,Ei=47.0 GPa,the limit strain under each GSI

圖4 UCS=110 MPa,Ei=54.0 GPa時(shí)各GSI下的極限應(yīng)變Fig.4 When UCS=110 MPa,Ei=54.0 GPa,the limit strain under each GSI

圖5 各GSI下計(jì)算采用的極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)值Fig.5 The standard value of ultimate strain used under each GSI is calculated

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 GSI對(duì)最小矢跨比影響

圖6為不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r在不同GSI下60 m大跨度洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果,由圖可知,在不同巖石強(qiáng)度下,GSI對(duì)60 m大跨度洞室最小矢跨比的影響是不同的,巖石強(qiáng)度越低,GSI的影響越大,巖石強(qiáng)度越高,GSI的影響越小;GSI對(duì)60 m大跨度洞室最小矢跨比的影響主要在GSI取40～55之間,當(dāng)GSI大于或等于60時(shí),GSI的改變對(duì)最小矢跨比的影響較小;當(dāng)前巖體條件下,60 m大跨度洞室的矢跨比為

0.04～0.26。

圖6 不同強(qiáng)度晶屑凝灰?guī)r在不同GSI時(shí)的最小矢跨比Fig.6 The minimum sagittal span ratio of crystal tuff with different strength at different GSI

圖7給出了弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r下限值時(shí)不同GSI下洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果,由圖可知,雖然GSI大于或等于60時(shí),對(duì)60 m大跨度洞室的最小矢跨比的影響較小,但對(duì)洞室整體的變形仍然有影響,GSI越大,洞室變形越小。

圖7 弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r下限值時(shí)不同GSI下洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果Fig.7 The calculation results of the minimum sagittal span ratio of different GSI in the lower limit value of weakly weathered crystal tuff

4.2 埋深對(duì)矢跨比的影響

圖8為不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r在不同埋深下洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果,由圖可知,在100～500 m埋深內(nèi),埋深對(duì)60 m大跨度洞室的最小矢跨比的影響比GSI的影響小;不同巖石強(qiáng)度下,在埋深小于200 m時(shí),矢跨比隨埋深的增大呈增大趨勢(shì);對(duì)于巖石強(qiáng)度取下限值時(shí),當(dāng)埋深超過(guò)200 m時(shí),最小矢跨比有增大的趨勢(shì);對(duì)于巖石強(qiáng)度取上限值和中值時(shí),當(dāng)埋深超過(guò)200 m時(shí),最小矢跨比基本不變;在當(dāng)前巖體條件下,埋深從100～200 m,60 m大跨度洞室最小矢跨比分布范圍為0.04～0.11。

圖8 不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r在不同埋深時(shí)的最小矢跨比Fig.8 The minimum sagittal span ratio of slightly weathered crystal tuff with different strength at different burial depths

圖9給出了弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r下限值時(shí)不同埋深下洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果,由圖可知,雖然100～500 m埋深內(nèi),埋深對(duì)60 m大跨度洞室的最小矢跨比的影響較小,但對(duì)洞室整體的變形仍然是有影響的,埋深越大,洞室整體變形越大。

圖9 弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r下限值時(shí)不同埋深下洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation results of the minimum sagittal span ratio of the lower limit value of weakly weathered crystal tuff with different buried depths

4.3 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)矢跨比的影響

圖10為不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r在不同側(cè)壓力系數(shù)下60 m大跨度洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果,由圖可知,側(cè)壓力系數(shù)從0.7～1.7對(duì)60 m洞室最小矢跨比影響較小,巖石強(qiáng)度不同,最小矢跨比在不同側(cè)壓力系數(shù)下所表現(xiàn)出的規(guī)律也不一樣;在巖石強(qiáng)度為高值時(shí),最小矢跨比隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而減小;當(dāng)巖石強(qiáng)度為中值時(shí),最小矢跨比隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大先減小后增大;當(dāng)巖石強(qiáng)度取低值時(shí),最小矢跨比隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大表現(xiàn)為以增長(zhǎng)為主的趨勢(shì);對(duì)于當(dāng)下的埋深和巖石條件,側(cè)壓力系數(shù)為0.7～1.7時(shí),60 m大跨度洞室最小矢跨比的范圍為0.04～0.1。主要原因是不同巖石條件和不同應(yīng)力狀態(tài)下,所達(dá)到的拱效應(yīng)不一樣,側(cè)壓力系數(shù)越高,巖體條件越好,越有利于拱效應(yīng)的形成,但巖體條件越差,較高的側(cè)壓力系數(shù)反而不利于拱效應(yīng)的形成。

圖10 不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r在不同GSI時(shí)的最小矢跨比Fig.10 Minimum sagittal span ratio of slightly weathered crystal tuff with different strength at different GSI

圖11給出了弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r下限值時(shí)不同側(cè)壓力系數(shù)下洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果,由圖可知,側(cè)壓力系數(shù)從0.7～1.7時(shí),對(duì)60 m大跨度洞室的最小矢跨比的影響較小,但對(duì)洞室整體的變形仍然是有影響的,基本表現(xiàn)為側(cè)壓力系數(shù)越大,洞室整體變形越大。

圖11 弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r下限值時(shí)不同側(cè)壓力系數(shù)下洞室最小矢跨比計(jì)算結(jié)果Fig.11 Calculation results of the minimum sagittal span ratio of the cavity under different lateral pressure coefficients under the lower limit value of weakly weathered crystal tuff

4.4 巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)矢跨比的影響

在結(jié)構(gòu)面對(duì)矢跨比的影響分析中發(fā)現(xiàn),某些情況下即使應(yīng)變小于極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)值,但洞室整體變形范圍較大,即擾動(dòng)范圍較大,這種現(xiàn)象不利于大跨度洞室的穩(wěn)。如圖12所示,圖中幾種情況的應(yīng)變均未超過(guò)極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)值,但擾動(dòng)范圍大,這種情況是不能安全成拱的,因此在結(jié)構(gòu)面對(duì)最小矢跨比研究中,大跨度洞室的安全不能僅僅從極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)來(lái),還應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷是否是結(jié)構(gòu)面主導(dǎo)的問(wèn)題。

根據(jù)上述原則,對(duì)兩種強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)面在不同傾角下的60 m大跨度洞室最小矢跨比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖中紅色圓圈標(biāo)記表示不能成拱),如圖14和圖15所示。從圖中可知,結(jié)構(gòu)面參數(shù)取低值時(shí),結(jié)構(gòu)面的傾角對(duì)大跨度洞室成拱起關(guān)鍵作用,傾角為0°～30°時(shí),雖然應(yīng)變滿足條件,但仍然安全裕度較低,不能成拱;結(jié)構(gòu)面參數(shù)取高值時(shí),結(jié)構(gòu)面的影響相對(duì)減小,在巖石強(qiáng)度較小時(shí),緩傾結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室穩(wěn)定性影響較大;緩傾結(jié)構(gòu)面對(duì)大跨度洞室穩(wěn)定影響非常大,結(jié)構(gòu)面的傾角越大,越有利于大跨度洞室的穩(wěn)定,最小矢跨比隨著傾角的增大呈減小趨勢(shì)。

圖12 應(yīng)變滿足要求但變形范圍較大的情況Fig.12 When the strain meets the requirement but the deformation range is large

圖13 不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r在不同傾角結(jié)構(gòu)面時(shí)的最小矢跨比(結(jié)構(gòu)面參數(shù)取低值)Fig.13 Minimum Sagittal span Ratio of slightly weathered crystal tuff with Different Strength at different Dip Angle structural Planes(structural plane parameters are taken as low values)

圖14 不同強(qiáng)度弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r在不同傾角結(jié)構(gòu)面時(shí)的最小矢跨比(結(jié)構(gòu)面參數(shù)取高值)Fig.14 Minimum sagittal span Ratio of crystal tuff with different strength and weak weathering at different dip Angle structural Planes(structural plane parameters are taken as high values)

5 結(jié) 論

基于能反應(yīng)巖體開(kāi)挖多種響應(yīng)特征的Cavehoek本構(gòu),對(duì)60m大跨度洞室的最小矢跨比進(jìn)行了研究,主要得到以下結(jié)論:

1)GSI對(duì)60 m大跨度洞室最小矢跨比影響較大,GSI值越高,最小矢跨比越小,其中GSI在40～55間對(duì)最小矢跨比影響最大;

2)埋深對(duì)60 m大跨度洞室最小矢跨比的影響相對(duì)GSI的影響來(lái)說(shuō),埋深的影響較小,最小矢跨比與埋深的關(guān)系并非為線性關(guān)系;

3)側(cè)壓力系數(shù)對(duì)60 m大跨度洞室最小矢跨比的影響相對(duì)GSI的影響來(lái)說(shuō),側(cè)壓力系數(shù)的影響較小,同時(shí)不同巖石強(qiáng)度下,所表現(xiàn)出的規(guī)律也是不同的;

4)結(jié)構(gòu)面對(duì)60 m大跨度洞室的影響非常復(fù)雜,結(jié)構(gòu)面的傾角對(duì)大跨度洞室能否安全成拱起關(guān)鍵性作用,緩傾結(jié)構(gòu)面不利于大跨度洞室的成拱,結(jié)構(gòu)面的傾角越大,越有利于大跨度洞室的穩(wěn)定,最小矢跨比隨著傾角的增大呈減小趨勢(shì)。

另外,研究中未能考慮埋深對(duì)極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)值的影響,同時(shí)跨度的變化對(duì)最小矢跨比的影響也未能進(jìn)行分析,在后續(xù)工作中將針對(duì)這兩點(diǎn)進(jìn)行研究。