復(fù)合地層隧道開挖面穩(wěn)定性分析

李俊

作者簡介：

李 ?。?983—），工程師，研究方向：隧道工程。

文章針對隧道開挖地層為復(fù)合地層的情況，構(gòu)建復(fù)合地層隧道數(shù)值分析模型，研究復(fù)合地層隧道開挖面穩(wěn)定性，同時分析不同支護(hù)壓力作用下開挖面位移及塑性區(qū)的變化特征。研究結(jié)果表明：（1）研究復(fù)合地層隧道開挖面位移與塑性區(qū)變化特征，上軟下硬的開挖面位移由0.04 m增加至0.45 m，塑性區(qū)范圍擴(kuò)展且集中于開挖面前方;（2）不同支護(hù)壓力能夠有效降低開挖面位移，支護(hù)壓力與開挖面位移呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)降低，同時塑性區(qū)范圍逐漸向軟硬巖分界面處收縮，直到開挖面前方無塑性區(qū);（3）極高支護(hù)壓力作用下，塑性區(qū)不僅不會消失，甚至?xí)身數(shù)装逄幹匦聰U(kuò)展到軟硬巖分界面處。

隧道工程;復(fù)合地層;開挖面;支護(hù)壓力

U455.4A471684

0 引言

隨著我國“交通強國”目標(biāo)的提出，交通基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模逐漸增大。在道路施工過程中會出現(xiàn)各種復(fù)雜地層，其中，復(fù)合地層隧道的建設(shè)已成為隧道施工面臨的重要問題。復(fù)合地層隧道會對開挖面位移以及前方塑性區(qū)產(chǎn)生影響，同時，不同開挖面支護(hù)壓力對于開挖面穩(wěn)定性具有重要影響。因此，需要從開挖面位移以及前方塑性區(qū)方面研究復(fù)合地層隧道開挖面穩(wěn)定性，也要分析不同支護(hù)壓力作用下開挖面狀態(tài)變化[1-2]。目前，對于復(fù)合地層隧道的研究，劉泉聲等[3]研究了深部賦存條件下復(fù)合地層的影響，從復(fù)合地層巖體與TBM的作用機(jī)理及控制機(jī)制等方面開展研究;蘇昂等[4]以復(fù)合地層隧道盾構(gòu)施工為研究對象，對復(fù)合地層中管片的病害及形成原因進(jìn)行分析;李錚等[5]針對飽和砂土復(fù)合地層，提出了城市地鐵隧道施工過程中的具體施工工法;肖明清等[6]從圍巖壓力等方面入手，提出了復(fù)合地層條件下隧道圍巖壓力的計算方法;何祥凡等[7]研究上軟下硬地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中隧道圍巖的施工力學(xué)特征，分析復(fù)合地層上部地表沉降特征;張亞洲等[8]針對上軟下硬地層中隧道施工問題，對于具體工程中復(fù)合地層隧道設(shè)計與施工難點進(jìn)行分析，并提出具體的施工方案;周運祥等[9]考慮大斷面與富水等因素影響下，復(fù)合地層隧道施工過程中的主要問題及其解決方法;傅鶴林等[10]以淺埋盾構(gòu)隧道施工為研究對象，主要研究復(fù)合地層隧道施工引起的上部地表的沉降以及應(yīng)力預(yù)測。復(fù)合地層隧道施工已經(jīng)成為隧道工程中的面臨的重要問題，因此，需要研究典型復(fù)合地層的開挖面穩(wěn)定性等問題。

本文針對復(fù)合地層中開挖面穩(wěn)定性問題，以上軟下硬復(fù)合地層為研究對象，建立數(shù)值分析模型，主要分析復(fù)合地層隧道開挖面的位移變化以及塑性區(qū)演化特征，并考慮開挖面支護(hù)壓力的影響，研究不同支護(hù)壓力條件下復(fù)合地層隧道開挖面的位移及塑性演化規(guī)律。

1 復(fù)合地層隧道開挖面穩(wěn)定性

1.1 MohrCoulomb強度準(zhǔn)則

MohrCoulomb強度準(zhǔn)則是巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性常用的強度準(zhǔn)則，其從材料本征強度與摩擦強度兩個方面定義，材料的穩(wěn)定性主要由材料的粘聚力與摩擦強度決定，MohrCoulomb強度準(zhǔn)則表達(dá)式見式（1）[11-12]：

|τ|=c+σtanφ（1）

式中：c——粘聚力;

φ——內(nèi)摩擦角;

σ，τ——法向應(yīng)力與抗剪強度。

σn=（σ1+σ3）2+（σ1-σ3）2cos（2α）

τ=（σ1-σ3）2sin（2α）

（2）

根據(jù)式（1）與式（2）可以將MohrCoulomb強度準(zhǔn)則整理為式（3）：

σ1=aσ3+b（3）

1.2 數(shù)值分析模型及結(jié)果

復(fù)合地層隧道施工主要受到地層力學(xué)性質(zhì)的影響，從而造成其結(jié)構(gòu)的安全性受到威脅。為區(qū)分復(fù)合地層狀況，分別以硬巖和軟巖代表不同的復(fù)合地層，建立了全硬巖地層與上軟下硬的隧道開挖面分析模型，共劃分為720個單元，底部邊界為水平與豎向均固定，其他固定水平位移。具體數(shù)值分析模型如圖1所示。

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知，全硬巖地層與上軟下硬的隧道開挖面的位移分別為0.04 m與0.442 m，復(fù)合地層的存在導(dǎo)致開挖面的位移顯著增大，同時根據(jù)開挖面塑性區(qū)分布圖（見圖2）可以得知全硬巖地層隧道開挖面塑性區(qū)由開挖面向地表逐漸擴(kuò)展，開挖面屈服范圍較小;而上軟下硬的隧道開挖面塑性區(qū)多集中于開挖面前方，軟弱分層區(qū)域塑性區(qū)差別明顯，軟弱地層塑性區(qū)范圍大于硬巖地層。

根據(jù)復(fù)合地層隧道位移與塑性區(qū)分布范圍可知，復(fù)合地層的存在導(dǎo)致隧道開挖面位移增大，同時，導(dǎo)致塑性區(qū)范圍集中于開挖面前方，給隧道施工帶來一定的風(fēng)險。因此，需要研究支護(hù)作用力對開挖面穩(wěn)定性的影響，選擇合理的支護(hù)壓力。

2 不同支護(hù)壓力下開挖面穩(wěn)定性分析

2.1 不同支護(hù)壓力下開挖面位移變化特征

由于復(fù)合地層導(dǎo)致隧道開挖面變形增大，需要根據(jù)現(xiàn)場施工條件對開挖面設(shè)置一定的支護(hù)壓力。因此，根據(jù)上軟下硬的隧道開挖面分析模型對比分析了未設(shè)支護(hù)壓力和支護(hù)壓力分別為10 kPa、30 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa工況下的開挖面位移變化特征。如圖3所示，隨著開挖面支護(hù)壓力的增大，開挖面位移逐漸減小，并且逐漸向開挖面內(nèi)部移動，尤其是在支護(hù)壓力為70 kPa、90 kPa時，位移云圖變化明顯。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可以得知，支護(hù)壓力從10 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa變化時，開挖面位移由0.35 m、0.22 m、0.17 m、0.14 m、0.10 m、0.074 m變化。根據(jù)數(shù)據(jù)分析軟件可以得到支護(hù)壓力與開挖面位移符合指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，如圖4所示。

2.2 不同支護(hù)壓力下開挖面塑性區(qū)變化特征

根據(jù)不同支護(hù)壓力下開挖面位移可以得知，支護(hù)壓力越大，開挖面位移越小，通過不同支護(hù)壓力下開挖面塑性區(qū)變化（見圖5）可以得知，塑性區(qū)變化具有兩個主要特征：（1）軟巖區(qū)塑性范圍明顯大于硬巖區(qū)，并且開挖面中心軸線區(qū)域范圍明顯高于周圍區(qū)域，呈現(xiàn)拋物線形狀;（2）隨著支護(hù)壓力的增大，塑性區(qū)范圍逐漸收縮，從軸線兩側(cè)逐漸向軟硬區(qū)域分界處收縮，當(dāng)支護(hù)壓力為90 kPa時，開挖面前方塑性區(qū)消失，塑性區(qū)在開挖面頂?shù)装鍛?yīng)力集中區(qū)，并且范圍較之前顯著減小。

根據(jù)不同支護(hù)壓力下開挖面塑性區(qū)變化特征可以得到，開挖面塑性區(qū)主要集中于軟巖區(qū)，并且隨著支護(hù)壓力的增大，塑性區(qū)逐漸向軟硬巖分界處收縮，直到開挖面前方無塑性區(qū)，由于應(yīng)力集中，塑性區(qū)最后殘留在頂?shù)装逄幮》秶鷥?nèi)。

2.3 極高支護(hù)壓力下開挖面塑性變化特征

基于上述分析，不同支護(hù)壓力下開挖面塑性區(qū)變化規(guī)律明顯，支護(hù)壓力越大，開挖面塑性區(qū)越小，但是塑性區(qū)范圍并不會隨著支護(hù)壓力的增大而最終消失。因此，需研究極高支護(hù)壓力作用下開挖面塑性區(qū)變化特征，如圖6所示。

根據(jù)圖6可以得知，當(dāng)開挖面支護(hù)壓力大于一定值時，開挖面塑性區(qū)不僅不會消失，而且會逐漸擴(kuò)展，甚至?xí)身數(shù)装鍛?yīng)力集中區(qū)擴(kuò)展到軟硬巖交界處，軟巖區(qū)塑性擴(kuò)展速率明顯高于硬巖區(qū)。因此，根據(jù)支護(hù)壓力下開挖面塑性變化特征，要注意在具體隧道施工過程中，綜合考慮隧道所處的復(fù)合地層情況以及恰當(dāng)選擇支護(hù)壓力，以便達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)合理的目的。

3 結(jié)語

本文針對復(fù)合地層隧道開挖面穩(wěn)定性問題，建立上軟下硬的隧道復(fù)合地層模型，分別研究隧道開挖面的位移以及塑性區(qū)范圍的變化特征，并研究不同支護(hù)壓力作用下復(fù)合地層隧道及塑性區(qū)變化特征。主要研究結(jié)論包括：（1）復(fù)合地層對隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，上軟下硬的隧道開挖面位移相較于全硬巖隧道位移與塑性區(qū)范圍顯著增大;（2）支護(hù)壓力對于開挖面位移與塑性區(qū)范圍具有良好的加固效果，支護(hù)壓力越大，開挖面位移呈指數(shù)函數(shù)降低，塑性區(qū)范圍逐漸向軟硬分界面收縮，但是當(dāng)支護(hù)壓力超過一定范圍，塑性區(qū)不僅不會消失反而由兩側(cè)擴(kuò)展到軟硬分界面。

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