摘 要:隨著中國(guó)西部地區(qū)隧道工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展,深埋、高應(yīng)力、高海拔隧道的軟巖大變形災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重,已經(jīng)成為隧道災(zāi)害控制領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。位于橫斷山脈的大亮山公路隧道因其埋深大、斷層多、突涌水、圍巖強(qiáng)度低、地應(yīng)力高等特點(diǎn),隧道圍巖大變形現(xiàn)象十分嚴(yán)重。為了探索這種類(lèi)型隧道圍巖大變形控制策略,提出了一種基于NPR材料的深埋隧道軟巖大變形開(kāi)挖補(bǔ)償控制對(duì)策,為了驗(yàn)證其可行性和科學(xué)性,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬進(jìn)行深入研究。結(jié)果表明:NPR錨索可承受的最大動(dòng)力沖擊荷載為284.811 kN,抗沖擊性能最高約為Q235錨桿的2倍,非線(xiàn)性吸能效果顯著;NPR錨索開(kāi)挖補(bǔ)償控制體系能夠有效調(diào)節(jié)圍巖應(yīng)力分布特征,及時(shí)為受開(kāi)挖擾動(dòng)的圍巖提供補(bǔ)償支護(hù)力,約束圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展并吸收圍巖釋放的變形能;在正常與超載條件下,分別將軟巖隧道圍巖變形量控制在3 mm與5.8 mm以?xún)?nèi),且無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域;NPR錨索開(kāi)挖補(bǔ)償支護(hù)體系可有效約束隧道圍巖位移,最大水平位移量控制在3.35 mm以?xún)?nèi),最大豎向位移量控制在15.21 mm以?xún)?nèi)。NPR錨索補(bǔ)償開(kāi)挖支護(hù)體系能夠有效控制深埋高應(yīng)力隧道軟巖大變形災(zāi)害。
關(guān)鍵詞:NPR錨索;軟巖隧道;大變形災(zāi)害;物理模型試驗(yàn)
中圖分類(lèi)號(hào):U 455""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672-9315(2025)01-0086-12
DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0108
Research on compensatory control of large deformation
excavation in soft rock of deep buried high stress tunnel
TAO Zhigang XU Chuang LI Yong2,3,WANG Xiang4,WANG Huan4
(1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;
2.State Key Laboratory for Tunnel Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;
3.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;
4.China Railway Siyuan Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)
Abstract:With the booming development of tunnel construction in the western region of China,the soft rock large deformation disaster of deep buried,high stress,high altitude tunnels has become increasingly serious,the focus of research and difficulty in the field of tunnel disaster control.Located in the Hengduan Mountain Range,Daliangshan Highway Tunnel has experienced large deformation" due to its complete burial depth,many faults,sudden water surges,low strength of the surrounding rock,and high geostress.In order to explore the control strategy of large deformation of surrounding rock in this type of tunnel,an excavation compensation control countermeasure for large deformation of soft rock in deep buried tunnels based on NPR materials is proposed.For a verification of its feasibility and scientificity,this paper carries out an in-depth study through on-site observation,indoor physical model test and numerical simulation analysis.The results show that the maximum dynamic impact load that NPR anchor cable can withstand is 284.811 kN,and the highest impact resistance is about two times of Q235 anchor,with significant nonlinear energy absorption effect.The NPR anchor cable excavation compensation control system is possible to effectively regulate the characteristics of the stress distribution of the surrounding rock,and to provide compensatory support for the surrounding rock perturbed by the excavation in a timely manner to restrain the expansion of the plastic zone of the surrounding rock,and to control the expansion of the plastic zone of the surrounding rock and the expansion of the plastic zone of the surrounding rock,as well as the expansion of the plastic zone of the surrounding rock and the expansion of the surrounding rock.The normal and overloading conditions,the deformation of the surrounding rock of soft-rock tunnels can be controlled by less than 3 mm and 5.8 mm respectively,and there is no obvious stress concentration area.The NPR anchor cable excavation compensation support system can effectively control the displacement of tunnel surrounding rock,the maximum horizontal displacement is controlled within 3.35 mm,and the maximum vertical displacement" within 15.21 mm.The NPR anchor cable compensation excavation support system can effectively control the large deformation disaster of soft rock in deep-buried high-stress tunnels.
Key words:NPR anchor cable;soft rock tunnel;large deformation hazard;physical modelling test
0 引 言
隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加速及交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展[1-5],軟巖隧道工程災(zāi)害日益增加,其防災(zāi)控制已經(jīng)成為巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而,由于中國(guó)軟巖地域性質(zhì)差異的復(fù)雜性和廣泛性,軟巖隧道災(zāi)變?yōu)楣こ贪踩珟?lái)了極大挑戰(zhàn)。軟巖隧道,特別是深埋軟巖隧道在施工過(guò)程中極易發(fā)生各種變形破壞,如果支護(hù)體系不能及時(shí)控制圍巖變形向深部演化,將給隧道帶來(lái)極大安全隱患。
從上世紀(jì)中期開(kāi)始,學(xué)術(shù)界與工程界一直致力于尋找有效支護(hù)方法控制軟巖隧道的大變形破壞,已經(jīng)形成了多種軟巖隧道大變形控制技術(shù)[6-7]。隨著隧道開(kāi)挖深度、跨度、應(yīng)力場(chǎng)等難度的增加,又建立了許多創(chuàng)新性的支護(hù)體系,研發(fā)了高強(qiáng)吸能的支護(hù)材料。例如,郭新新等提出一種可自進(jìn)式錨桿,可提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[8];汪波等通過(guò)拉拔試驗(yàn),研發(fā)了一種新型錨固系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的快速響應(yīng),有效減小軟巖隧道圍巖大變形[9];陶志剛等建立了一種NPR錨索支護(hù)體系,通過(guò)對(duì)多種圍巖大變形控制案例分析,該支護(hù)體系對(duì)圍巖大變形有較高適用性[10];趙金鵬等通過(guò)云屯堡隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)超前預(yù)支護(hù)可有效約束圍巖變形,且初期雙層支護(hù)等措施可有效解決初支失效的問(wèn)題[11];潘英東等通過(guò)一系列試驗(yàn)研究,總結(jié)了3類(lèi)主要軟巖隧道破壞模式,長(zhǎng)錨桿與短錨桿組合支護(hù)可有效控制軟巖變形[12];LI等認(rèn)為原位圍巖破壞主要由剪切破壞造成,通過(guò)多層支護(hù)體系可有效抵抗剪切破壞,控制圍巖變形[13];崔光耀等
對(duì)中義隧道圍巖擠壓變形控制進(jìn)行研究,提出阻力聯(lián)合釋放與強(qiáng)支護(hù)2種控制圍巖變形方案[14-15];陽(yáng)軍生等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究,驗(yàn)證了預(yù)加固地層支護(hù)可控制隧道圍巖變形[16];曹小平等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),提出了一種采用單層初支與雙層二次襯砌相結(jié)合的隧道圍巖變形控制方法[17];孫曉明等
通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn),對(duì)傾斜巖層隧道非對(duì)稱(chēng)變形破壞進(jìn)行研究,證明利用CRLD錨索進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)支護(hù),
可有效控制隧道非對(duì)稱(chēng)變形問(wèn)題[18];張博等通過(guò)對(duì)昌寧隧道大變形的物理模擬研究,得出深埋隧道采用NPR錨索支護(hù)體系可有效避免初支變形與二襯破壞的問(wèn)題[19]。
研究與實(shí)踐表明,理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與物理模型室內(nèi)試驗(yàn)已經(jīng)成為軟巖隧道大變形控制的主要手段。近年來(lái),隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道支護(hù)研究。鄧鵬海等采用FDEM方法揭示了軟巖隧道變形破壞機(jī)理[20];郭慶昊通過(guò)3DEC研究了軟硬互層隧道在高地應(yīng)力作用下的圍巖變形破壞機(jī)理,得出該類(lèi)隧道更適用于預(yù)留核心土法進(jìn)行施工[21];張金等通過(guò)離散元模擬斷層隧道大變形的不同支護(hù)措施效果,證明超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)方法可有效控制巖體變形[22];陶志剛等利用數(shù)值模擬對(duì)蘭海高速公路木寨嶺隧道不同支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化[23];李干等對(duì)深埋大斷面隧道錨索間排距、長(zhǎng)度以及預(yù)應(yīng)力等進(jìn)行模擬分析,揭示10 m長(zhǎng)錨索可有效調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度[24]。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道大變形控制中,如何調(diào)動(dòng)深部圍巖壓力、及時(shí)補(bǔ)償開(kāi)挖徑向應(yīng)力損失、遏制因補(bǔ)償不及時(shí)造成的切向應(yīng)力集中等研究較少。文中以云南橫斷山地區(qū)大亮山隧道軟巖大變形控制工程為背景,建立軟巖隧道主動(dòng)支護(hù)體系,通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合分析方法,對(duì)大亮山軟巖隧道大變形段進(jìn)行深入研究,揭示隧道開(kāi)挖過(guò)程中溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的演變規(guī)律,探索NPR錨索對(duì)大亮山軟巖隧道圍巖大變形支護(hù)控制效果,為類(lèi)似軟巖大變形隧道工程控制提供借鑒。
1 軟巖隧道區(qū)域工程地質(zhì)條件
1.1 隧道基本特征
大亮山隧道是云南省云縣至臨滄高速的組成部分,隧道整體結(jié)構(gòu)為雙洞分離式隧道,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道,設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。隧道左線(xiàn)長(zhǎng)10 235 m,右線(xiàn)長(zhǎng)10 210 m,兩線(xiàn)相距約28~40 m,最大埋深約1 200 m。
隧道所處區(qū)域歷史構(gòu)造發(fā)育,存在多處斷層,表現(xiàn)為:隧道起始端前發(fā)育有逆斷層,為南汀河活動(dòng)性斷裂,該斷層穿越隧道右線(xiàn)洞口右側(cè)埡口;隧道出口處發(fā)育有正斷層,為勐撒-曼崗山活動(dòng)性斷裂,與隧道出口端相距約100 m。
由于斷層帶的影響,隧道進(jìn)出口段巖體較為破碎且節(jié)理裂隙發(fā)育[19]。隧道圍巖主要分為3類(lèi),分別為中-強(qiáng)風(fēng)化片巖、花崗巖與礫巖(圖1)。
1.2 隧道圍巖變形模式及演化規(guī)律
大亮山隧道在原被動(dòng)鋼拱架支護(hù)條件下,軟巖大變形破壞現(xiàn)象十分嚴(yán)重[25],現(xiàn)場(chǎng)宏觀(guān)破壞特征如圖2所示。
1.2.1 宏觀(guān)破壞特征
初支變形破壞主要有兩側(cè)墻巖體明顯內(nèi)擠、拱頂嚴(yán)重下沉,圍巖變形量平均約60 cm?,F(xiàn)場(chǎng)宏觀(guān)觀(guān)測(cè)顯示,隧道初支噴射的混凝土出現(xiàn)裂縫且拱頂、拱腰出現(xiàn)混凝土層脫落現(xiàn)象,脫落寬度最大50 cm。鋼筋亦出現(xiàn)顯著彎曲變形,初支鋼拱架明顯彎折、扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)斷。隨著時(shí)間推移,圍巖裂縫開(kāi)始向環(huán)向、縱向及斜向擴(kuò)展延伸,裂縫處鋼筋混凝土保護(hù)層脫落,內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)明顯彎曲變形,甚至彎折現(xiàn)象。
1.2.2 變形量觀(guān)測(cè)分析
在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)典型開(kāi)挖斷面進(jìn)行變形量監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖3所示。初始階段,隧道拱頂及拱腰累計(jì)變形量逐漸增加,第一天拱腰及拱頂變形量均超過(guò)50 mm;伴隨著隧道開(kāi)挖,圍巖總變形量呈增加趨勢(shì),表現(xiàn)出隧道拱腰變形大于拱頂變形的規(guī)律;仰拱施工結(jié)束后,被動(dòng)支護(hù)環(huán)向閉合,隧道圍巖變形量增速顯著下降;自第20天開(kāi)始,圍巖變形量基本趨于穩(wěn)定,沒(méi)有明顯增加,最終拱腰累計(jì)收斂量為785 mm,拱頂累計(jì)沉降量為702 mm。
2 高應(yīng)力補(bǔ)償錨索動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)
2.1 開(kāi)挖補(bǔ)償原理
隨著隧道埋深的增加,軟巖隧道出現(xiàn)了各種各樣的變形破壞。為了探索能夠更加適應(yīng)于深部環(huán)境下軟巖隧道的支護(hù)策略,何滿(mǎn)潮院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出具有高強(qiáng)、高韌、抗剪等力學(xué)特性的NPR錨索[26],并且提出了基于新材料的隧道開(kāi)挖補(bǔ)償法(CEM)[27-28]?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該方法針對(duì)深部軟巖隧道的大變形控制具有顯著效果。該理論的核心思想是在隧道工程中,所有破壞都源于開(kāi)挖效應(yīng),在深埋隧道中這種影響更加明顯。在未進(jìn)行開(kāi)挖時(shí),圍巖處于應(yīng)力低于Mohr-Coulomb強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)的穩(wěn)定狀態(tài)(圖4)。隧道開(kāi)挖后,圍巖最小主應(yīng)力σ3瞬間降為零,隨著時(shí)間發(fā)展,最大主應(yīng)力σ1會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中并增大至2倍,超過(guò)圍巖強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn),導(dǎo)致隧道圍巖最終發(fā)生破壞。普氏法依賴(lài)于壓力拱自平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)支護(hù),屬于一種無(wú)應(yīng)力補(bǔ)償?shù)闹ёo(hù)方法;新奧法是一種中低應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)方法,雖充分發(fā)揮隧道圍巖自承能力,開(kāi)挖后對(duì)圍巖進(jìn)行了主動(dòng)支護(hù)、定期監(jiān)測(cè)隧道變形、不斷更新支護(hù)方案,但對(duì)于深埋隧道,因支護(hù)不及時(shí)而導(dǎo)致應(yīng)力集中,塑性圈擴(kuò)展,最終發(fā)生大變形破壞。
因此,對(duì)深埋隧道的及時(shí)支護(hù)是軟巖隧道大變形控制的核心,支護(hù)材料是否能夠第一時(shí)間承受?chē)鷰r大變形成為關(guān)鍵。為此,將NPR錨索新材料引入到大亮山隧道軟巖大變形的控制中,因NPR錨索材料的靜力學(xué)特性已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究,但是其抗沖擊動(dòng)力學(xué)特性研究尚少,是否能適應(yīng)于深埋隧道開(kāi)挖擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)需求,尚不明確。
2.2 NPR材料動(dòng)力沖擊特性試驗(yàn)
為了探索NPR錨索的抗沖擊動(dòng)力學(xué)特性,采用自主研發(fā)的動(dòng)力沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)(圖5),對(duì)相同尺寸的傳統(tǒng)錨桿制作材料Q235鋼和新型吸能錨桿材料NPR鋼進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn),目的是揭示2種材料在相同中等應(yīng)變率條件下的動(dòng)力學(xué)特性(圖6)。
2.2.1 20 mm沖擊高度力學(xué)特性
將錘體以20 mm高度向下沖擊時(shí),其沖擊力變化如圖6(a)所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為79.7 kN,沖擊力第2波峰峰值為75.1 kN,沖擊力第3個(gè)波峰峰值為65.4 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為2.41 s;NPR錨桿所承受最大沖擊力為66.9 kN,沖擊力第2波峰峰值為59.8 kN,沖擊力第3個(gè)波峰峰值為52.9 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為2.19 s。在20 mm的沖擊高度下,Q235錨桿所提供的沖擊阻力及沖擊時(shí)長(zhǎng)都要大于NPR錨桿,但較10 mm沖擊高度下兩者的差量明顯減小,NPR錨桿依然可在較短時(shí)間內(nèi)消散掉錘體沖擊所帶來(lái)的能量。
2.2.2 400 mm沖擊高度力學(xué)特性
將錘體以400 mm高度向下沖擊時(shí),其沖擊力變化如圖6(b)所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為174.543 kN,沖擊力第2波峰峰值為108.366 kN,沖擊力第3波峰峰值為93.76 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為2.7 s;NPR錨桿所承受最大沖擊力為236.328 kN,沖擊力第2波峰峰值為205.322 kN,沖擊力第3個(gè)波峰峰值為185.289 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為5.5 s。在400 mm的沖擊高度下,Q235錨桿所提供的沖擊阻力遠(yuǎn)小于NPR錨桿,Q235錨桿沖擊時(shí)長(zhǎng),沖擊峰值時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于NPR錨桿。
2.2.3 800 mm沖擊高度力學(xué)特性
將錘體以800 mm高度向下沖擊時(shí),其沖擊力變化如圖6(c)所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為227.718 kN,沖擊力第2波峰峰值為133.681 kN,第3個(gè)波峰峰值為118.347 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為3 s;NPR錨桿所承受最大沖擊力為276.906 kN,沖擊力第2波峰峰值為205.078 kN,沖擊力第3個(gè)波峰峰值為184.895 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為5.5 s。在800 mm的沖擊高度下,Q235錨桿所提供的沖擊阻力遠(yuǎn)小于NPR錨桿,Q235錨桿沖擊時(shí)長(zhǎng),沖擊峰值時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于NPR錨桿。
2.2.4 1 000 mm沖擊高度力學(xué)特性
將錘體以1 000 mm高度向下沖擊時(shí),其沖擊力變化如圖6(d)所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為239.255 kN,沖擊力第2波峰峰值為140.706 kN,沖擊力第3個(gè)波峰峰值為121.488 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為3.5 s;NPR錨桿所承受最大沖擊力為284.811 kN,沖擊力第2波峰峰值為210.345 kN,沖擊力第3個(gè)波峰峰值為188.737 kN,整個(gè)沖擊時(shí)長(zhǎng)為5.2 s。在1 000 mm的沖擊高度下,Q235錨桿所提供的沖擊阻力遠(yuǎn)小于NPR錨桿材料,Q235錨桿材料沖擊時(shí)長(zhǎng),沖擊峰值時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于NPR錨桿。
試驗(yàn)證明,NPR材料的力學(xué)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通Q235材料,具有超強(qiáng)吸能特性與抗沖擊能力,對(duì)實(shí)際工程具有重要理論和實(shí)踐意義。
3 軟巖隧道開(kāi)挖補(bǔ)償控制物理模擬
3.1 軟巖隧道開(kāi)挖補(bǔ)償設(shè)計(jì)
目前,大亮山隧道軟巖段在被動(dòng)鋼拱架支護(hù)體系下大變形現(xiàn)象嚴(yán)重,故文中利用NPR錨索主動(dòng)支護(hù)體系對(duì)其進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì),探究基于NPR錨索的開(kāi)挖補(bǔ)償支護(hù)體系對(duì)軟巖隧道大變形的控制效果。設(shè)計(jì)支護(hù)方案以長(zhǎng)、短N(yùn)PR錨索相結(jié)合方式對(duì)隧道圍巖進(jìn)行支護(hù)(圖7),其中長(zhǎng)錨索長(zhǎng)12.3 m,短錨索長(zhǎng)6.3 m,長(zhǎng)錨索與短錨索設(shè)計(jì)間排距分別為2 m×1.2 m與1 m×1.2 m。
3.2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證上述開(kāi)挖補(bǔ)償方案是否適應(yīng)大亮山隧道實(shí)際地質(zhì)特征和圍巖變形控制需求,擬開(kāi)展相似物理模型試驗(yàn)。
3.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)
物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)幾何尺寸為160 cm×40 cm×160 cm(長(zhǎng)×寬×高)。該試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)調(diào)控各點(diǎn)位加壓大小,如圖8(a)所示。在試驗(yàn)儀器上固定預(yù)制模板,將相似材料攪拌好倒入預(yù)支模板中,根據(jù)相似理論,模型相似比例為1∶50,結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖性,選取河砂、石膏、水泥灰、水為相似材料,攪拌配成現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度,配置好的材料如圖8(b)所示。模型現(xiàn)澆成型后涂抹散斑點(diǎn),為測(cè)量位移場(chǎng)做準(zhǔn)備,試驗(yàn)準(zhǔn)備步驟如圖8所示。
3.2.2 試驗(yàn)?zāi)P徒M成材料
相似比物理模型試驗(yàn)材料包含NPR錨索、W鋼帶、防護(hù)網(wǎng)、拱架。為了保證這些核心材料的幾何尺寸和強(qiáng)度參數(shù)能夠滿(mǎn)足相似比,拱架、NPR錨索、套筒、墊片等裝置全部由3D打印技術(shù)制成。柔性網(wǎng)采用鐵絲網(wǎng),W鋼帶采用不銹鋼條,如圖9(a)所示。根據(jù)具體開(kāi)挖補(bǔ)償方案,在隧道模型周?chē)膊贾?0個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),旨在監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的演變規(guī)律,監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖9(b)所示。另外,在隧道模型中擬布置5個(gè)錨索軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn),旨在監(jiān)測(cè)NPR錨索軸力演變規(guī)律,軸力監(jiān)測(cè)傳感器如圖9(c)所示。
分別采用散斑監(jiān)測(cè)儀與紅外攝像機(jī)對(duì)隧道模型的位移場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),如圖9(d)所示。
軟巖隧道大變形控制物理模型試驗(yàn)采用3臺(tái)階法開(kāi)挖隧道,加載方式設(shè)計(jì)如圖10所示。在初始階段,根據(jù)相似理論換算,施加應(yīng)力模擬隧道原巖應(yīng)力狀態(tài),隨后,再進(jìn)行隧道開(kāi)挖。在隧道開(kāi)挖結(jié)束后,對(duì)模型進(jìn)行超載試驗(yàn),旨在分析不同深度應(yīng)力水平下隧道周?chē)鷰r體由小變形到大變形,由穩(wěn)態(tài)到破壞的全過(guò)程變形特征。
3.3 物理模型試驗(yàn)結(jié)果
3.3.1 圍巖位移場(chǎng)的散斑分析
隧道開(kāi)挖過(guò)程位移場(chǎng)演變規(guī)律如圖11所示。在初始開(kāi)挖階段,開(kāi)挖面掘進(jìn)距離較淺,對(duì)圍巖整體穩(wěn)定性影響較小。從圖11(a)可以看出,隧道周?chē)鷰r體基本沒(méi)有位移產(chǎn)生,變形量均在0.05 mm以?xún)?nèi)。隨著開(kāi)挖逐漸深入,隧道周?chē)鷰r體逐漸出現(xiàn)變形,由于上臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)巖體穩(wěn)定的破壞,隧道拱頂周?chē)乳_(kāi)始出現(xiàn)位移,變形量超過(guò)2 mm(圖11(b))。在隧道上部可以看到出現(xiàn)較為明顯的局部位移,右側(cè)拱肩處位移量較大,超過(guò)2.3 mm。
當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)行到第5步(圖11(c)),隧道上部位移場(chǎng)擴(kuò)大,但位移量與前一階段相比變化較小,整體變形量有效控制在3 mm。右側(cè)拱肩處變形量也沒(méi)有明顯增加,隧道周?chē)捎贜PR錨索的限制,位移量沒(méi)有出現(xiàn)明顯增加,說(shuō)明NPR錨索可及時(shí)提供補(bǔ)償支護(hù),約束開(kāi)挖面周?chē)鷰r體變形。在隧道超載階段,可觀(guān)察到隧道周?chē)鷰r體受到作用力影響比較顯著,隧道周?chē)鷰r體變形量增加,出現(xiàn)明顯位移,最大變形量約5.8 mm。但是,隧道圍巖NPR錨索覆蓋范圍內(nèi),圍巖變形相比較小且位移較為均勻,沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,隧道圍巖結(jié)構(gòu)仍可保持穩(wěn)定,無(wú)明顯破壞。綜上說(shuō)明,NPR錨索支護(hù)在超載狀態(tài)下仍可以繼續(xù)維持補(bǔ)償效應(yīng),沒(méi)有發(fā)生破壞。
3.3.2 圍巖溫度場(chǎng)的紅外分析
如圖12所示,隧道開(kāi)挖過(guò)程中,開(kāi)挖斷面四周?chē)鷰r受到應(yīng)力作用發(fā)生變形,變形過(guò)程中伴隨能量的釋放導(dǎo)致開(kāi)挖區(qū)周?chē)鷰r體溫度升高。在初始開(kāi)挖階段(圖12(a)),圍巖整體受到開(kāi)挖擾動(dòng)影響較小,區(qū)域溫度變化不明顯,拱頂圍巖區(qū)域溫度略微升高,這是由于開(kāi)挖面兩側(cè)圍巖向中間擠壓,使得拱頂圍巖發(fā)生變形造成的。隨著開(kāi)挖進(jìn)行(圖12(b)、12(c)),相較于初始階段,開(kāi)挖斷面周?chē)鷰r體溫度均出現(xiàn)升高,隧道上部圍巖溫度與初始階段相比升高明顯,說(shuō)明隧道上部巖體變形量較大。通過(guò)圖12(c)與圖12(b)對(duì)比可觀(guān)察到,隧道頂部區(qū)域溫度場(chǎng)變化較小,證明NPR錨索可有效限制圍巖變形擴(kuò)展,且隧道頂部NPR錨索覆蓋區(qū)域圍巖溫度略有降低,說(shuō)明圍巖應(yīng)力得到較好釋放,隧道圍巖沒(méi)有發(fā)生破壞,圍巖釋放的應(yīng)力得到有效吸收,表現(xiàn)出NPR錨索良好的吸能特性。
隧道超載階段(圖12(d)),在對(duì)隧道進(jìn)行超載過(guò)程中,可以觀(guān)察到隧道頂部區(qū)域溫度有明顯升高,說(shuō)明頂部巖體變形量增加,但其余區(qū)域溫度相比圖12(c)變化較小,隧道四周巖體仍維持穩(wěn)定,沒(méi)有發(fā)生破壞。證明NPR錨索在超載情況下仍可以較好實(shí)現(xiàn)支護(hù)作用,約束覆蓋范圍內(nèi)巖體變形,較好的自適應(yīng)調(diào)節(jié)了圍巖內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。
3.3.3 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析
隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力變化特征如圖13所示。試驗(yàn)分別在開(kāi)挖斷面的拱腰、拱肩及拱頂,由淺至深布置4層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。前3個(gè)挖掘步驟應(yīng)力場(chǎng)變化較為微弱,因?yàn)殚_(kāi)挖面還未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面。第3步開(kāi)挖之后,挖掘到監(jiān)測(cè)斷面位置,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力逐漸增加。在第5步開(kāi)挖之后,各層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均顯著增加。
在隧道超載階段,各點(diǎn)圍巖應(yīng)力均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),但整體分布相對(duì)均勻,沒(méi)有出現(xiàn)突出的應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)監(jiān)測(cè)的4層圍巖應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析,距離開(kāi)挖面最近的第1層各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最高(圖13(a)),第2,3兩層測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力相差不大(圖13(b)和13(c)),但大于第4層測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力(圖13(d))。這說(shuō)明NPR錨索支護(hù)增加了錨固范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力,較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)圍巖的應(yīng)力補(bǔ)償。NPR錨索支護(hù)系統(tǒng)能夠有效地改善錨索覆蓋區(qū)域內(nèi)圍巖的受力特性,使得應(yīng)力更為均勻分布,有效減輕地下結(jié)構(gòu)面臨的局部應(yīng)力集中問(wèn)題。
3.3.4 NPR錨索的軸力分析
圖14為NPR錨索軸力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn),分別在拱腰、拱肩及拱頂布置5個(gè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。錨索軸力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)顯示在進(jìn)行開(kāi)挖后,各測(cè)點(diǎn)軸力均出現(xiàn)明顯突增現(xiàn)象,隨著掌子面開(kāi)挖,各測(cè)點(diǎn)軸力逐步穩(wěn)定在40~46 N。這一現(xiàn)象表明,受開(kāi)挖影響,隧道周?chē)鷰r體由于損失應(yīng)力而出現(xiàn)變形,NPR錨索支護(hù)系統(tǒng)快速為受開(kāi)挖影響的圍巖提供支護(hù)力,補(bǔ)償由于開(kāi)挖導(dǎo)致巖體損失的應(yīng)力。
在隧道超載階段,NPR錨索軸力出現(xiàn)一段明顯的應(yīng)力增加過(guò)程,但逐步趨于穩(wěn)定,且各點(diǎn)位軸力整體分布均勻,沒(méi)有出現(xiàn)較大波動(dòng),軸力值也均在設(shè)計(jì)恒阻值51 N左右穩(wěn)定波動(dòng)。在隧道開(kāi)挖階段,由于開(kāi)挖面圍巖應(yīng)力損失使得周?chē)鷰r體出現(xiàn)變形,NPR錨索軸力出現(xiàn)顯著增加,之后錨索軸力逐步趨于穩(wěn)定,說(shuō)明圍巖變形開(kāi)始逐漸減少并停止增加。在試驗(yàn)超載階段,NPR錨索軸力也只是短暫出現(xiàn)增加后便趨于穩(wěn)定。這表現(xiàn)了NPR錨索抗沖擊和超強(qiáng)吸能的特性,可以及時(shí)調(diào)節(jié)圍巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài),約束圍巖變形量,防止大變形破壞,在超載情況下可以保障隧道主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
4 隧道軟巖開(kāi)挖補(bǔ)償控制的數(shù)值模擬
為了證明開(kāi)挖補(bǔ)償控制的可行性,采用數(shù)值模擬方法,建立長(zhǎng)寬高分別為100 m×10 m×100 m的物理模型。錨索單元按照長(zhǎng)、短N(yùn)PR錨索設(shè)置,長(zhǎng)、短錨索的間排距分別為2 m×1.2 m和1 m×1.2 m,長(zhǎng)錨索長(zhǎng)為12.3 m,短錨索長(zhǎng)為6.3 m,錨索與隧道空間布設(shè)如圖15所示。
在NPR錨索支護(hù)條件下,軟巖隧道圍巖的位移模擬云圖如圖16所示。
圖16(a)(b)(c)為隧道豎向位移模擬云圖。由圖16(a)可知,在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖結(jié)束后,圍巖豎向位移變化明顯,圍巖拱頂區(qū)域位移變化量較大,最大值約11.6 mm,拱腰兩側(cè)圍巖位移最大變化量約9 mm。在中臺(tái)階開(kāi)挖結(jié)束后,如圖16(b)所示,相比于上臺(tái)階開(kāi)挖,圍巖豎向位移出現(xiàn)了明顯的增加,拱頂區(qū)域位移變化量較大,最大變形量約15.18 mm,相比于上臺(tái)階開(kāi)挖最大變形量增加了3.5 mm,拱腰兩側(cè)圍巖豎向位移最大變形量比上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)增加了3 mm,約12 mm。當(dāng)隧道3臺(tái)階全部開(kāi)挖結(jié)束后,如圖16(c)所示,隧道圍巖豎向位移基本沒(méi)有出現(xiàn)明顯增加,拱頂區(qū)域圍巖
豎向位移最大值相比于中臺(tái)階開(kāi)挖僅增加0.03 mm,約15.21 mm。拱腰兩側(cè)圍巖變形量仍然穩(wěn)定在12 mm。
圖16(d)(e)(f)為隧道水平位移模擬云圖。由圖16(d)可知,在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖后,隧道兩側(cè)圍巖水平位移變化較為明顯,隧道左側(cè)圍巖最大變形量約為3.04 mm,右側(cè)圍巖最大變形量約為3.02 mm。在中臺(tái)階開(kāi)挖結(jié)束后,如圖16(e)所示,隧道兩側(cè)圍巖沒(méi)有繼續(xù)發(fā)生過(guò)大變形,相較于上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),左側(cè)圍巖最大變形量增加0.3 mm,約3.34 mm,右側(cè)圍巖最大變形量增加0.33 mm,約3.35 mm,且變形主要位于開(kāi)挖斷面附近,隨著距離開(kāi)挖斷面距離的增加,位移整體呈減小趨勢(shì)。隧道3臺(tái)階開(kāi)挖結(jié)束后,如圖16(f)所示,相較于中臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),圍巖變形量最大增加約0.08 mm,整體變形量仍然穩(wěn)定在3.35 mm。
在NPR錨索的補(bǔ)償力學(xué)支護(hù)下,可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的開(kāi)挖應(yīng)力補(bǔ)償,將隧道圍巖變形區(qū)域控制在毗鄰較小范圍內(nèi),并及時(shí)吸收巖體釋放的變形能量,使巖體不會(huì)發(fā)生較大變形。同時(shí)NPR錨索能夠有效改善錨固范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力特性,具有通過(guò)調(diào)動(dòng)深層巖體來(lái)承受開(kāi)挖面應(yīng)力的補(bǔ)償支護(hù)特點(diǎn),這可以有效分散開(kāi)挖面周?chē)鷩鷰r應(yīng)力,不會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
5 結(jié) 論
1)NPR材料具有遠(yuǎn)超Q235鋼的動(dòng)力學(xué)性能,抗沖擊性能約為Q235鋼的2倍,非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)吸能特性顯著。
2)NPR錨索在正常支護(hù)條件下,可將隧道圍巖變形量有效控制在3 mm以?xún)?nèi),超載條件下可將隧道圍巖變形量有效控制在5.8 mm以?xún)?nèi),且隧道圍巖無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域。
3)基于NPR錨索的開(kāi)挖補(bǔ)償支護(hù)體系可有效調(diào)節(jié)圍巖應(yīng)力分布特征,改善錨索覆蓋區(qū)域內(nèi)圍巖的受力特性,及時(shí)為受開(kāi)挖擾動(dòng)影響的圍巖提供補(bǔ)償支護(hù)力,約束圍巖塑性區(qū)向深部擴(kuò)展產(chǎn)生大變形破壞。NPR錨索可吸收巖體釋放的變形能,在超載狀態(tài)下仍然保持穩(wěn)定。
4)在NPR錨索支護(hù)體系下,隧道圍巖位移可以得到有效約束。同時(shí)NPR錨索能有效改善錨固范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力特性,提升圍巖強(qiáng)度,利用深層巖體強(qiáng)度,消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。
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(責(zé)任編輯:劉潔)