隧道围岩变形及其衬砌内力特征研究

戚长军,佘芳涛,邵兵厂

(1.机械工业勘察设计研究院,陕西 西安 710043;2.西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安 710048)

隧道围岩变形及其衬砌内力特征研究

戚长军1,佘芳涛2,邵兵厂1

(1.机械工业勘察设计研究院,陕西 西安 710043;2.西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安 710048)

位于土层和岩层交界地层中的隧洞,其力学特性和水文地质条件均发生显著的变化,从而导致塌方或者围岩变形过大等。利用数值计算方法,建立二维有限元模型,对某工程隧洞土、岩接触地层中隧道开挖围岩变形和衬砌受力特性进行分析,并采用不同施工方法进行比较。结果表明,土、岩接触地层中隧道开挖围岩沉降位移场是非对称的,沉降位移最大位置在拱顶30°处,正是需要加强支护的位置;先墙后拱开挖在隧道三种施工方式中围岩最大沉降位移最小,正台阶开挖方法围岩沉降位移最大,留核心土开挖方法介于二者中间。合理的支护方式和开挖方式是土、岩层交界地层中隧洞周边岩体稳定的基本条件。

隧道;围岩;衬砌内力;开挖方式

0 引 言

土、岩交界地层是浅埋破碎围岩中常出现的一种地层条件,如图1所示,如神延铁路羊马河隧道、甘肃省陇西县新松树湾隧道等地方都出现土、岩接触地层。这一地质特征使得隧道围岩在土、岩交界处不仅发生了力学特性的显著变化,而且水文地质条件发生显著的变化,导致交界处含水率明显增大。在过去的实践中,土、岩交界地层并没有引起人们的广泛注意,从而导致了塌方以及围岩变形过大的事故[1]。在山西离军高速公路隧道的实践中发现[2],隧道在土、岩交界层中开挖时发生塌方,而在宝天高速公路黑岭隧道的工程[3]中发现,土、岩交界面段围岩的最大变形达到35 cm左右。隧道之所以出现塌方和围岩变形过大,原因在于没有正确的认识土、岩交界地层条件下,围岩的变形规律和开挖后围岩应力的转移,从而导致按常规设计方法提供的支护措施与围岩压力不相匹配。工程实践经验表明[4,5],工程岩体的变形破坏一般受结构面控制,结构面的分布、特征及组合关系是岩体稳定的内在因素,它决定岩体的稳定程度、可能变形破坏的边界条件、方式、规模及特征等。鉴于此,本文分析土、岩接触地层条件对围岩变形规律和破坏方式以及衬砌结构内力的影响,最终达到指导设计和施工的目的。

图1 土岩接触地层

1 数值模型与计算参数

1.1 建立有限元模型

在二维有限元模型中,隧洞采用马蹄形,洞径10 m,模拟分步开挖和支护。分析埋深为40 m,土、岩倾角为45°时 3种不同开挖方式(分别为正台阶开挖、留核心土开挖和先墙后拱开挖。),隧道的围岩变形和衬砌结构内力变化。下图中的一条长斜线表示土、岩接触面,上面为土体,下面为岩体。模型边界为:隧洞中心距左右两边为45 m,距下面为35m,埋深为40 m。建立的模型如图2所示。

图2 计算模型

1.2 计算方法与参数选取

如前面所述,建立计算模型后,首先计算初始应力场,然后导入初始应力,进行应力释放,开挖和支护,从而得到各项分析结果。计算初始应力时,采用线弹性模型,得到初始应力场之后,导入初始应力。模拟开挖过程中分为五步开挖。在材料参数里面计算模型为弹塑性模型,采用的材料参数如表1和表2所示。当这些设置完成之后进行开挖和支护模拟。本文采用3种不同的开挖方式,分别为正台阶开挖、留核心土开挖和先墙后拱开挖。

表1 土体和岩体计算参数

表2 衬砌计算参数

2 计算成果分析

2.1 土、岩接触地层隧道围岩变形规律和衬砌结构内力变化特征

隧道围岩土体最大沉降位移dymax=-0.15895 m,发生在拱顶偏左30°处,如图3所示。围岩最大水平位移dxmax=0.06648 m,发生在隧洞左侧水平方向,如图4所示。则围岩最大总位移dxymax=-d2x+d2y=-0.15896 m。土、岩接触隧道围岩与土层或岩层隧道围岩土体变形相比特点在于最大位移不在拱顶位置,而在距拱顶位置偏向土层一侧30°左右,并且围岩最大沉降位移比较大。这是由于土、岩接触特别地层力学性质决定的,由于刚度的差异引起隧道开挖应力释放不均匀所导致的,而且在土、岩接触面上有相对滑移迹象。

图3 围岩竖向位移场

图4 围岩水平位移场

图5、图6表明土、岩交界面地层,隧道开挖过程中土体沉降位移大于岩体沉降位移,致使地面和衬砌变形不均匀,衬砌结构内力也会引起一定的变化。(分析总位移变化时,选取了隧洞周围上半圆连续的17个节点,图5中的横坐标为从左侧拱腰开始上半圆各节点之间的弧长,纵坐标为垂直位移。在后面的分析比较总位移、衬砌轴力和弯矩变化规律时,横坐标取值均一样)。在图7、图8衬砌轴力和弯矩随洞周节点分布规律可以看出,在土体一侧衬砌轴力和弯矩较岩体一侧小,岩体一侧衬砌承受的内力较大。均质土体中隧道衬砌结构内力是沿洞轴线对称分布,土、岩接触地层中隧道衬砌结构内力是非对称分布的。

图5 围岩各点总位移变化规律

图6 地表沉降位移变化规律

图7 衬砌轴力变化规律

图8 衬砌弯矩变化规律

2.2 土、岩接触面的不同开挖方式对围岩变形规律和衬砌结构内力变化特征的影响

开挖方式分别为正台阶开挖、留核心土开挖以及先墙后拱开挖。以下分析不同开挖方式对围岩变形规律和衬砌结构内力变化特征的影响:

(1)如图9所示,正台阶开挖方式围岩最大沉降位置在距拱顶45°左右,留核心土开挖方式围岩最大沉降位置在距拱顶30°左右,先墙后拱开挖方式围岩最大沉降位置在距拱顶10°左右,这是由于隧道开挖方式的不同引起的应力释放先后顺序的不同导致土、岩接触地层围岩应力分布的不同。从表3中得出结论,正台阶开挖方式围岩最大沉降量最大,先墙后拱开挖方式围岩最大沉降量最小。图10、图11和图12发现隧道围岩最大沉降位置偏离拱顶越大,围岩最大沉降量也越大。隧道洞周各节点位移和地表沉降位移均是先墙后拱开挖方式最小,正台阶开挖方式最大。

图9不同开挖方式的围岩位移场

图10 3种开挖方式的总位移

表3 3种开挖方式之间的最大沉降位移

图11 3种开挖方式的地表沉降

图12 3种开挖方式的拱顶之地表的沉降

(2)从图13和图14可以看出,3种开挖方式中,先墙后拱开挖方式衬砌最大轴力最小,留核心土开挖方式衬砌最大轴力最大;从衬砌最大弯矩来说,先墙后拱开挖方式最大,正台阶开挖方式最小。

图13 3种开挖方式的衬砌各点轴力变化

图14 3种开挖方式的衬砌各点弯矩变化

3 结 论

(1)土、岩接触隧道围岩与土层或岩层隧道围岩土体变形相比特点在于最大位移不在拱顶位置,而在距拱顶位置偏向土层一侧30°左右,并且围岩最大沉降位移比较大。

(2)均质土体中隧道围岩位移场和衬砌结构内力是对称分布的,而土、岩接触地层中隧道围岩位移场和衬砌结构内力是非对称分布的。在土体一侧衬砌轴力和弯矩较岩体一侧小,岩体一侧衬砌承受的内力较大。

(3)先墙后拱开挖在隧道3种施工方式中围岩最大沉降位移最小,衬砌内力最大;正台阶开挖方法围岩沉降位移最大,衬砌内力最小;留核心土开挖方法介于二者中间。

[1]蒋建平,章杨松,罗国煜.基于土体中结构面的岩土工程问题探讨[J].工程地质学报,2002,10(2):160-165.

[2]蒋建平,章杨松,罗国煜.土体宏观结构面及其对土体破坏的影响[J].岩土力学,2002,23(4):482-485.

[3]蒋建平,章杨松,高广运,等.土体中第四纪断层结构面特征及其地震和岩土工程意义[J].西北地震学报,2002,24(3):215-219.

[4]杜时贵.岩体结构面的工程性质[M].北京:地震出版社,1999.

[5]何满潮,竞海河,孙小明.软岩工程力学[M].北京:科学出版社,2002.

Research on Characteristics of Deformation of Surrounding Rocks and Internal Force in Lining Structures of Tunnel in Loess

QI Chang-jun1,SHE Fang-tao2,SHAO Bing-chang1
(1.Survey andDesign Institute of Machinery Industry,Xi'an,Shaanxi710043,China;2.Institute of Geotechnical Engineering,Xi'an University of Technology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

The mechanical properties and geohydrological conditions of the tunnel in contacting stratum of soil and rock would vary remarkably so as to cause the callapse and the variation of surrounding rocks.Here,through the2D finite elementmodel established by the numerical calculation method,the deformation characteristics of surrounding rocks and the stressing properties of lining in the contacting stratum of a certain tunnel are analyzed and compared by using different construction methods.The results show that the settling displacement fields of the surrounding rocks in excavation of the tunnel are asymmetric,and the maximum displacement is at 30°of the arch crown,needing to be strengthened by supporting.And in three construction ways,the settling displacement of the surrounding rocks is smallest when using the excavation method with wall being first and arch being late,it is biggest when using the positive step excavation method,and it is between the both methods when using the excavation method with kern soil left.

tunnel;surrounding rock;internal force in lining;excavation method

U452.12

A

1672—1144(2010)02—0094—03

2009-12-03

2010-01-15

戚长军(1979—),男(汉族),山东胶州人,工程师,硕士,主要从事岩土工程与地下工程勘察与设计。