考慮流變特性的隧道圍巖變形效應(yīng)分析

王 強

(中鐵十一局集團第二工程有限公司，湖北十堰 442000)

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考慮流變特性的隧道圍巖變形效應(yīng)分析

王 強

(中鐵十一局集團第二工程有限公司，湖北十堰 442000)

為了探討考慮流變效應(yīng)情況下隧道圍巖和襯砌的變形情況，從而進(jìn)一步確定隧道的合理襯砌時機。首先，分析圍巖的流變特性對隧道變形和襯砌抗力的影響，通過理論推導(dǎo)得到了同時考慮黏彈塑性的隧道圍巖變形計算公式，該公式包含時間參數(shù)，可確定達(dá)到不同襯砌位移及圍巖位移所需要的時間。然后，以南龍鐵路隧道工程為背景，針對隧道拱頂下沉、周邊收斂、圍巖壓力和初襯內(nèi)力，開展隧道二襯合理支護時機的監(jiān)測分析，得到圍巖變形計算公式中的待定系數(shù)，并確定隧道襯砌的合理支護時機。將得到的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者得到的二襯支護時機基本相同，從而驗證計算結(jié)果的正確性。

隧道；流變；襯砌；圍巖

隨著我國鐵路隧道建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，新奧法建設(shè)山嶺隧道的理念已經(jīng)越來越被隧道設(shè)計和施工技術(shù)人員所接受。新奧法強調(diào)通過現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)控及時反饋圍巖情況，確定襯砌加固時機，達(dá)到動態(tài)及時支護的效果。及時支護的優(yōu)點在于能充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力，防止圍巖由于支護過晚而產(chǎn)生的松脫壓力，增加二次襯砌的負(fù)荷，甚至發(fā)生塌方等安全施工引起隧道破壞?？梢?，為了有效發(fā)揮圍巖自身承載能力確保隧道的穩(wěn)定性，需對二次襯砌的合理加固時機進(jìn)行確定。許多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)研究[1-5]，如辛全山等[3]利用二次耦合加固理論和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，提出監(jiān)測結(jié)果的變形轉(zhuǎn)折點即為二襯加固的合理時間；榮耀[2]根據(jù)巖體應(yīng)變能釋放時間，給出了二襯的大致時間；張鵬等[4]利用芬納公式和圓孔擴張理論，根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果確定二次襯砌的合理加固時機。盡管以上這些研究給出了二襯襯砌加固時機的確定方法，但未考慮巖體的流變性，而巖體的流變特性是其重要的力學(xué)性質(zhì)，隧道的變形可以認(rèn)為是巖體流變特性參數(shù)和圍巖應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)[6-9]，并且?guī)r體的流變控制著工程的變形和問題，對圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有著強烈的影響[10]。

本文以南龍鐵路隧道開挖和支護為工程背景，圍巖較為破碎，存在一斷層，圍巖級別為Ⅴ級，圍巖的流變現(xiàn)象較為明顯，此時若僅采用傳統(tǒng)的彈塑性分析方法，則無法反映由于圍巖流變特性而導(dǎo)致的圍巖和襯砌的變形。因此，本文探討了考慮流變效應(yīng)情況下，隧道圍巖和襯砌的變形情況，并將結(jié)果與監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證計算結(jié)果的正確性。

1 工程概況與監(jiān)測分析

1.1 工程概況

以南龍鐵路隧道為工程背景，隧道圍巖主要由砂巖和白云質(zhì)灰?guī)r組成，巖石較為破碎，存在一斷層，圍巖級別為Ⅴ級。該隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護為錨噴支護，二襯為模注混凝土曲墻式，橫斷面如圖1所示，隧道支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 隧道橫斷面(單位：cm)

名稱彈模/GPa重度/(kN·m-3)截面積/mm2慣性矩/m4系統(tǒng)錨桿210.077.6380-初襯24.822.61000-二襯28.324.530000.00223

1.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

選取隧道的拱頂、拱腰等位置作為特征點(圖2)，分析相應(yīng)的圍巖和支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

圖2 圍巖隧道變形監(jiān)測測點布置(單位：mm)

圖3 隧道監(jiān)測時程曲線

圖3為隧道斷面監(jiān)測項目時程圖，從圖3(a)看出，拱頂下沉在開始階段受上下臺階開挖的影響較為顯著，這一階段所形成的下沉量占總下沉量也較大，在開挖后第15 d左右，上下臺階開挖的影響逐漸變小，如圖3(a)中15～20 d的曲線斜率明顯減小，在第20 d，下臺階開挖到監(jiān)測斷面所在位置，拱頂下沉曲線明顯出現(xiàn)反彎，到第28 d時，各開挖步驟的影響已趨于零。從圖中還可以看出，當(dāng)拱頂下沉平穩(wěn)時，掌子面距離監(jiān)測斷面約60 m，下臺階距離監(jiān)測斷面約20 m，而仰拱的開挖對拱頂下沉的影響較小。由于開始階段埋設(shè)測點被破壞，導(dǎo)致圖3(b)中AC、BC測線前幾天沒有讀數(shù)，但是從AB測線可以看出，前期下臺階和仰拱開挖皆處于停滯階段時，AB線的收斂值發(fā)展較快，占到總收斂值的60%左右，因而上臺階開挖對于周邊收斂的影響非常顯著。第9 d后下臺階開始施工，3條測線周邊收斂量都有大幅度提高，但是從后面19～30 d的曲線可見下臺階和仰拱開挖對于周邊收斂影響較之上臺階要小的多。周邊收斂達(dá)到平穩(wěn)時掌子面距離監(jiān)測斷面約60 m，下臺階距離監(jiān)測斷面約20 m，所有這些都和拱頂下沉顯現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

從表2可見，在Ⅴ級圍巖中開挖隧道，周邊位移收斂和拱頂下沉穩(wěn)定時間約為30d。根據(jù)歐陽建等[11]，張周平等[10]的建議，由于Ⅴ級圍巖穩(wěn)定性極差，周邊位移收斂和拱頂下沉穩(wěn)定時間可取上限值，即24 d。另外，周邊位移收斂和拱頂下沉達(dá)到穩(wěn)定后，監(jiān)測斷面與掌子面之間的平均距離為67 m，同樣可取上限值102 m。從圍巖壓力和初襯內(nèi)力檢測結(jié)果看，圍巖和支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到平衡所需時間及與掌子面間距都稍大于變形監(jiān)測結(jié)果，能與變形監(jiān)測結(jié)果形成映襯。

表2 隧道變形穩(wěn)定時間

2 隧道二襯時機的確定

圖4為考慮彈塑性變形情況下，圓形隧道的塑性區(qū)半徑與圍巖壓力、襯砌支護效果之間的關(guān)系[12,13]，可得到襯砌抗力的計算公式為

(1)

式中，R0為圍巖的塑性區(qū)半徑；r0為隧道的開挖半徑；q為隧道的圍巖壓力；P0為襯砌的支護抗力；c為圍巖的黏結(jié)力；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角。

圖4 圓形隧道的塑性區(qū)半徑

假設(shè)巖體符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，根據(jù)隧道的邊界條件和變形協(xié)調(diào)方程，根據(jù)彈塑性力學(xué)方法[14]可得到襯砌和圍巖的位移計算公式

(2)

式中，r0≤r≤R0。

(3)

式中，r1≤r≤r0；up為塑性區(qū)的位移；ucp為襯砌的位移；r為計算參考位置的半徑；r1為初襯的內(nèi)半徑。

當(dāng)考慮隧道圍巖的流變特性時，其襯砌的抗力、位移和圍巖的位移可通過下式得到

(4)

(5)

(6)

k=3-4μ；kc=3-4μc

通過進(jìn)一步整理，可將式(6)變換為

(7)

當(dāng)r=r1時，則式(7)表示襯砌臨空面位移，即

(8)

其中，r0、r1分別為設(shè)計開挖輪廓半徑和襯砌內(nèi)半徑。

N、fc0可以通過隧道開挖輪廓的半徑r0、初襯的內(nèi)半徑r1和襯砌泊松比μc計算確定；G0、μc可通過相關(guān)試驗和勘察報告得到。為了確定隧道圍巖的變形情況，需進(jìn)一步確定G∞、a和R0，其中G∞和a可通過巖石的流變特性試驗得到，R0可利用隧道圍巖現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果得到。若未能進(jìn)行巖石的流變試驗，可通過現(xiàn)場變形監(jiān)測，擬合得到G∞、a和R0。此外，式(8)僅適用于隧道斷面為圓形的情況，而本文的隧道斷面為城門洞形，因此，本文根據(jù)隧道斷面的等效變換方法[15]，將城門洞形隧道斷面轉(zhuǎn)換為圓形隧道斷面，則對應(yīng)的等效半徑為

(9)

式中，r為外接圓的半徑；h為隧道斷面的高度；B為隧道跨度的1/2。

通過式(9)的等效變換方法，可得到相應(yīng)隧道和襯砌的等效半徑，如表3所示。

表3 隧道和襯砌的等效半徑 m

通過式(8)擬合表2中不同斷面的拱頂下沉曲線，可得G∞=6 115 036；R0=9.6；a=0.076 4。從而得到圍巖流變情況下，隧道拱頂下沉的計算公式為

(10)

圖5為Ⅴ級圍巖拱頂下沉理論計算值與實測值的對比結(jié)果，可見，考慮圍巖流變特性的拱頂下沉理論計算曲線與現(xiàn)場實測的結(jié)果具有相同的發(fā)展趨勢。當(dāng)t→∞時，可得到隧道拱頂?shù)淖罱K沉降量為208.5 mm，從理論計算曲線中得到，當(dāng)拱頂沉降達(dá)到總沉降量80%所需的時間為20 d，即隧道的二襯支護時機為≥20 d，該結(jié)果與監(jiān)測得到的結(jié)果相同，從而說明計算結(jié)果的正確性。

圖5 Ⅴ級圍巖拱頂下沉理論計算值與實測值

3 結(jié)論

(1)探討了圍巖的流變特性對隧道變形和襯砌抗力的影響，通過理論推導(dǎo)得到了同時考慮黏彈塑性的隧道圍巖變形計算公式，該公式包含了時間參數(shù)，可確定達(dá)到不同襯砌位移及圍巖位移所需要的時間。

(2)以南龍鐵路隧道工程為背景，針對隧道拱頂下沉、周邊收斂、圍巖壓力和初襯內(nèi)力，開展了隧道二襯合理支護時機的監(jiān)測分析，得到了圍巖變形計算公式中的待定系數(shù)，并確定隧道襯砌的合理支護時機。將得到的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)二者得到的二襯支護時機基本相同，從而驗證了本文計算結(jié)果的正確性。

[1] 張社榮,梁禮繪.考慮三維應(yīng)力旋轉(zhuǎn)的隧洞襯砌支護時機研究[J].水利學(xué)報,2007,38(6):704-709.

[2] 榮耀.巷道支護時機與圍巖級別關(guān)系的研究[J].礦山壓力與頂板管理,2003,20(4):11-13.

[3] 辛全山,劉善永,趙延峰.利用二次耦合理論確定二次支護的最佳時間[J].山東煤炭科技,2003(4):16-17.

[4] 張鵬,李寧,何敏.軟巖圓形隧洞襯砌支護時機現(xiàn)場變形監(jiān)測判據(jù)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報,2007,23(2):140-143.

[5] 莫陽春.隧道底部隱伏空腔充水對二次襯砌內(nèi)力影響研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2011,38(5):31-37.

[6] Jiang Z, Liang J. Analysis method of influence on longitudinal deformation of tunnel heaving due to excavation[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2013,18:5473-5480.

[7] 趙曉勇.TBM法隧道施工下穿涵洞的數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2011,7(3):513-517.

[8] 張凱,巨能攀,霍宇翔,等.巖溶隧道圍巖動態(tài)分級方法研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2012,23(1):67-71.

[9] 周毅,鄧輝,徐靜.敘(永)大(村)鐵路某高壓充水溶洞隧道安全厚度數(shù)值模擬[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2012,23(3):82-85.

[10]張周平,余偉健,高謙,等.金川深部工程圍巖支護時機與參數(shù)設(shè)計研究[J].金屬礦山,2008(2):40-44.

[11]歐陽建,付云升,石維新,等.南水北調(diào)中線西四環(huán)暗挖段暗涵二襯支護時機的研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2008,6(1):48-51.

[12]王祥秋,楊林德,高文華.軟弱圍巖蠕變損傷機理及合理支護時間的反演分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(5):793-796.

[13]Shalabi F I. FE analysis of time-dependent behavior of tunneling in squeezing ground using two different creep models[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2005,20(3):271-279.

[14]周德培.流變力學(xué)原理及其在土木工程中的應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1995.

[15]傅鶴林.隧道襯砌荷載計算理論及巖溶處治技術(shù)[M].長沙: 中南大學(xué)出版社,2005.

Deformation Analysis of Surrounding Rock Mass of Tunnel under Rheological Effect

WANG Qiang

(No.2 Engineering Co.， Ltd. of CR11BG， Shiyan 610031， China)

To study the deformation of surrounding rock mass and lining of tunnel under rheological effect and further determine proper lining time， the effect of rock rheological characteristic on the deformation and lining anti-force is analyzed， and the calculation formula of the deformation of tunnel surrounding rock mass is deduced with the analytical method. The formula consists of time factor to calculate the time needed to reach the certain value of lining resistant pressure， displacement and surrounding rock mass displacement. In view of the tunnel vault sink， the peripheral convergence， the pressure of surrounding rock and the internal force， the reasonable support time for second lining is monitored and analyzed to determine the specific coefficient of surrounding rock deformation formula， and ultimately determine the reasonable support time for tunnel lining. The results are compared with that from site monitoring and the support times of the two are much the same， which validates the correctness of the proposed calculation method．

tunnel; rheological characteristic; lining; surrounding rock mass

2016-04-19；

2016-05-15

王 強(1976—)，男，高級工程師，2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院土木工程專業(yè)。

1004-2954(2016)11-0100-04

U451+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.022