结构面产状对深埋互层隧道稳定性影响与变形控制研究.pdf

国防交通工程与技术 年 月 卷期收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()第一作者简介:寇发斌(),男,高级工程师,主要从事隧道工程施工和管理工作.q q c o m结构面产状对深埋互层隧道稳定性影响与变形控制研究寇发斌,张亮(中国铁路兰州局集团有限公司,甘肃 兰州 )摘要:深埋互层隧道极易发生大变形,严重危害隧道施工安全.以中兰客专尖山隧道为依托,对不同结构面产状、不同角度和长度的锚杆等工况进行数值分析,结果表明:层理面倾角对隧道周边位移影响较大,且当层理倾角与地应力方向呈一定角度时,支护结构受明显偏压作用;隧道轴向与层理面的夹角对隧道开挖轮廓附近围岩水平变形影响显著.在系统锚杆支护的基础上进行锚杆布置角度和长度的优化,并对其支护效果进行评价.现场采取优化锚杆角度和长度技术措施后,深埋互层段隧道稳定性和变形控制效果良好.关键词:结构面产状;互层岩体;隧道工程;结构面倾角;锚杆;变形D O I:/j g j g y a t 中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:()在我国西部山区有大范围的软弱地层,其中层状软岩的分布极为广泛.该类岩体具有强度低、性状差、遇水易软化等特点,严重危及地下洞室的施工及运营安全.针对互层软岩隧道,国内外学者开展了大量的研究.D i n h等通过对板砂互层岩体进行巴西试验得出不同倾角下的抗拉强度;邓祥辉、刘科等 对不同倾角层状砂岩变形受力特征进行了总结;谭鑫和王焱等 对不同倾角层状板岩隧道稳定性和松动区范围进行了分析;张俊儒等研究了陡倾板岩隧道的变形特征并对开挖形状进行优化;D o等对互层岩体隧道的变形情况进行研究;王石光等对不同地质的高地应力区隧道支护进行了优化;郭小龙 对易发生挤压大变形的高地应力软岩隧道的锚杆布置进行了优化.目前国内外关于高地应力层状软岩隧道研究主要关注稳定性以及支护方式,针对结构面产状对层状软岩影响的研究还较少.本文采用数值模拟的方法,以中兰客专尖山隧道出口段互层岩体为研究对象,分析不同岩层结构面产状对隧道变形的影响规律,并针对性提出结构支护设计.计算模型及计算参数研究区段隧道埋深 m,级围岩,数值模型范围为水平方向 m,开挖方向 m,竖直方向 m,其余隧道埋深通过添加自重应力在模型上表面施加,采用遍布节理模型进行层状岩体的模拟.本次模拟所采用的围岩及支护材料参数见表.表围岩及支护参数类别弹性模量E/G P a泊松比v密度/(k gm)摩擦角/()粘聚力c/MP a砂岩 板岩 初期支护 二次衬砌 结构面产状对互层隧道影响分析层理面产状包括倾角和走向与隧道轴线的夹角.为准确分析出各因素对围岩的影响规律,进行正交工况设计,设种结构面倾角分别为、和 ,设种结构面走向与隧道轴向的夹角(下文以“夹角”代替)为、和 ,共计 种工况,具体如表中所示.因工况数目较多,充分考虑论文篇幅和云图特征,仅列出两种工况位移云图,如图所示.(a)?30、?45(b)?45、?30图围岩位移云图根据云图可知,岩层倾角 条件下,随着夹角的变化,围岩产生最大变形位置均位于左拱腰偏上 研究R e s e a r c ha n dD e s i g n与设计国防交通工程与技术 年 月 卷期位置,且左右侧变形差别较大,最大变形均产生在层理面与开挖轮廓相切位置附近并沿层理法向向围岩深部扩散,逐渐减小.夹角 条件下,围岩变形随着倾角的变化呈现出一定的变化,且接近 时左右侧差别最大.为进一步对各工况围岩变形情况进行分析,模拟开挖过程中对拱顶和仰拱处竖向变形及左右拱肩、上下台阶处的水平变形情况进行读取,洞周变形计算结果如表所示.表洞周变形计算mm结构面倾角/()夹角/()拱肩水平位移左侧右侧上台阶水平位移左侧右侧中台阶水平位移左侧右侧拱顶沉降拱底隆起 注:倾角 、夹角 工况变形未收敛,已破坏.由表可知,随着层理面倾角的变化,洞周围岩变形值存在一定的差异,夹角越小围岩变形越大,左右侧变形在拱肩与中台阶处差异较为明显,在上台阶处两侧水平位移差距最小.在倾角一定时,夹角 时,变形增加幅度大;时,变化增加幅度减小;时,变形基本不再增长.隧道锚杆支护变形控制措施锚杆角度优化由于层理的存在,采用系统锚杆支护对围岩扰动大,施工技术难度大、安全可靠性低.针对互层岩体应力及变形特性,对不同倾角下锚杆的布置角度进行改变,优化前锚杆布置为系统锚杆布置,优化后锚杆布置为与层理呈大交角布置,优化前、后锚杆长度均为m,对其支护效果进行评价.倾角 时优化前后锚杆布置如图所示.优化前后各测点变形情况如表所示.(a)?(b)?图倾角 时锚杆布置从表中可以看出,结构面倾角对隧道周边位移影响较大,层理角度为 时变形最大,优化后的锚杆可以较好的对围岩变形进行控制,拱顶沉降、上台阶左右侧水平变形和仰拱隆起减小幅度分别为 、和.由此可见改变锚杆角度对各位置处变形控制幅度不同,其中对于上台阶处水平收敛控制效果最佳.锚杆长度优化在锚杆角度优化基础上,对锚杆长度进行优化,研究与设计结构面产状对深埋互层隧道稳定性影响与变形控制研究寇发斌等国防交通工程与技术 年 月 卷期表锚杆角度优化洞周变形计算值mm结构面倾角/()拱顶沉降优化前优化后上台阶水平位移左侧优化前优化后右侧优化前优化后仰拱隆起优化前优化后 共设置了五种方案,层理倾角指定为 ,锚杆长度布置和变形结果如表所示.表锚杆长度优化洞周变形计算值锚杆长度/m拱顶沉降/mm上台阶水平位移/mm左侧右侧 各锚杆长度工况下,对于拱顶沉降和上台阶左右侧水平收敛而言,锚杆m时各测点变形值最小,m时最大.由此可见锚杆加长时,对围岩变形的控制区域变大,减小了更多的滑动面,可以较好的控制隧道的变形,并进一步提高围岩的自稳能力.现场监测对比与评价结合隧道实际工况,对以上优化后的施作工艺进行现场实施,围岩变形和受力监测曲线如图和图所示.由图可知,在隧道开挖完成稳定后,最大拱顶沉降值为 mm,最大水平收敛值为 mm;最大围岩压力值为 MP a,发生在拱顶位置.综合分析位移和受力情况可知,均处于可控范围内,说明本文优化的锚杆布置方法切实可行;同时隧道周边围岩水平变形较大,施工时要加强监测及时采取加固措施,防止发生结构失稳或坍塌现象.?/mm18016014012010080604020010 20 30 40 50 60 70?/d?：?；?。图围岩变形时程曲线?/kPa900?/d8007006005004003002001000204060 80 100 120?：?；?。图围岩压力时程曲线 结论本文围绕高地应力互层软岩隧道施工中存在的技术难题,采用数值模拟和现场监测手段研究了结构面产状对深埋互层隧道影响规律和针对互层隧道提出变形控制措施,并应用于工程现场.()通过对不同倾角和隧道轴线夹角下互层软岩隧道开挖及支护分析,得到了互层软岩的变形特征,其变形破坏可以概括为:一定倾角下,围岩存在一定的变形不对称现象,继而引起隧道局部过分变形,支护结构非对称受力引起应力集中破坏.()围岩结构面倾角大于 和结构面倾角与隧道轴向的夹角小于 时,洞周变形破坏严重,拟建隧道时要选择合适的隧道轴向,围岩结构面倾角较大时要采取补强支护措施;时,随着倾角的变大,水平收敛增大较为显著,且左右变形不对称现象最为明显;隧道轴线和层理面夹角对于围岩变形成负相关,对拱肩以及上、中台阶处变形影响较大.()针对高地应力互层软岩大变形问题,对不同倾角锚杆布置角度进行优化,研究结果表明:锚杆和层理面的相交角度增加(锚杆布置优化后)对于控制围岩变形效果显著,更适用于此类互层软岩隧道.()将优化后锚杆施作工艺在施工现场进行成功应用,围岩变形和受力证明优化后的锚杆布置方式起到了很好的支护效果,具有一定的指导意义.(上转第页)研究与设计结构面产状对深埋互层隧道稳定性影响与变形控制研究寇发斌等国防交通工程与技术 年 月 卷期t i o n a l d e f e n s e t r a n s f o r m a t i o n,r e q u i s i t i o nc o m p e n s a t i o n,a n dt h ee s t a b l i s h m e n to f s t r a t e g i cd e l i v e r ys u p p o r t f l e e t s I no r d e r t os o l v e t h ed i l e mm ao f o v e r e m p h a s i z i n g t h em a n d a t o r yu s eo fm i l i t a r yr e s o u r c e s a n d l a c k i n ga ne q u a l n e g o t i a t i o nc o n t r a c tm e c h a n i s mi nt h em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mf o rc i v i ls h i pd e f e n s e,C h i n a ss h i pd e f e n s em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mi se x a m i n e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo f a d m i n i s t r a t i v ep r i v a t e l a wt h e o r y B ya n a l y z i n g t h e c o m p a t i b i l i t yb e t w e e n t h en a t i o n a l d e f e n s em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mo f c i v i l i a ns h i p sa n dt h ec o n c e p to fa d m i n i s t r a t i v ep r i v a t el a w,i no r d e rt ob u i l dac o m p r e h e n s i v e l e g a lg u a r a n t e ef o rt h ec i v i l s h i pd e f e n s em o b i l i z a t i o no f c i v i l i a ns h i p s,l e g a l a p p r o a c ht op r o m o t i n gt h e r e f o r mo f t h ec i v i l d e f e n s em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mf o r t h e c i v i l s h i p s l i e s i ne x p l o r i n g t h e f o r m a t i o no f t h e c i v i l s h i pn a t i o n a l d e f e n s em o b i l i z a t i o n c o n t r a c t s,t h e i m p r o v e m e n t o f s u p p o r t i n g l a w s a n dr e g u l a t i o n s,a n d t h e i n t e g r a t i o no f c o n s u l t a t i o nc o o p e r a t i o n p r o c e d u r a l r e g u l a t i o n s i n t o t h em o b i l i z a t i o nm e c h a n i s mK e yw o r d s:c i v i l s h i p;n a t i o n a l d e f e n s em o b i l i z a t i o n;a d m i n i s t r a t i v ep r i v a t i z a t i o n;l e g a l g u a r a n t e e;c o n t r a c t u a lm e c h a n i s m(下接第 页)参考文献 郑君长,万飞,安亚雄,等复理石地层公路隧道围岩稳定性研究J公路工程,():D I NH Q D,KON I E T Z KY H,MA R T I N H B r a z i l i a nt e n s i l es t r e n g t ht e s t so ns o m ea n i s o t r o p i cr o c k sJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n d M i n i n gS c i e n c e s,:邓祥辉,赵志清,王睿,等不同倾角和层厚的层状围岩隧道稳定性数值分析J西安工业大学学报,():刘科层状与非均质岩体中隧道围岩变形和衬砌结构力学特性研究D成都:西南交通大学,谭鑫,傅鹤林,陈琛,等层状岩体中隧道稳定性数值分析J铁道科学与工程学报,():王焱,翁梅层状岩体隧道底鼓非对称变形研究J煤矿安全,():张俊儒,马凯蒙,方钱宝,等基于层状围岩变形特征的高地应力陡倾板岩隧道合理洞型研究J中国公路学报,():D ONA,D I A SD B e h a v i o ro fn o n c i r c u l a r t u n n e l se x c a v a t e d i ns t r a t i f i e dr o c k m a s s e s c a s eo fu n d e r g r o u n dc o a lm i n e sJ J o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n d G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g,():王石光,黄林冲,彭立敏,等软弱泥质页岩隧道衬砌受力特征探讨J铁道科学与工程学报,():郭小龙高地应力软岩隧道变形分级控制技术及二次衬砌施作时机研究D北京:北京交通大学,R e s e a r c ho nS t a b i l i t yI n f l u e n c ea n dD e f o r m a t i o nC o n t r o l o fS t r u c t u r a lP l a n eO r i e n t a t i o no nD e e p I n t e r b e dT u n n e lK O U F a b i n,Z H A N G L i a n g(C h i n aR a i l w a yL a n z h o uG r o u pC o,L t d,L a n z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed e e p b u r i e d i n t e r l a y e r t u n n e l i sp r o n e t o l a r g ed e f o r m a t i o n,w h i c hs e r i o u s l ye n d a n g e r st h es a f e t yo f t u n n e l c o n s t r u c t i o n B a s e do n t h e J i a n s h a nT u n n e l o f Z h o n g w e i L a n z h o up a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e,t h en u m e r i c a l a n a l y s i s i s c a r r i e do u t u n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n ss u c ha s t h eo c c u r r e n c eo f t h es t r u c t u r a lp l a n e,d i f f e r e n ta n g l e sa n dl e n g t h so fa n c h o rr o d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h e i n c l i n a t i o na n g l eo f t h eb e d d i n gp l a n eh a sag r e a t i n f l u e n c eo nt h ed i s p l a c e m e n to f t h es u r r o u n d i n gr o c kn e a r t h et u n n e l W h e nt h eb e d d i n gp l a n ea n dt h e i n s i t us t r e s sd i r e c t i o np r e s e n t ac e r t a i na n g l e,t h es u p p o r t i n gs t r u c t u r eb e a r so b v i o u sb i a sp r e s s u r e;T h e a x i a l d i r e c t i o no f t h e t u n n e l a n d t h ea n g l eo f t h eb e d d i n gs u r f a c eh a v e s i g i n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no f t h es u r r o u n d i n gr o c kn e a r t h e t u n n e l e x c a v a t i o np r o f i l e O nt h eb a s i so f t h es y s t e m a t i ca n c h o r r o ds u p p o r t,t h ea n g l ea n d l e n g t ho f r o d l a y o u t a r eo p t i m i z e d,a n d t h e s u p p o r t i n ge f f e c t i s e v a l u a t e d A f t e r t a k i n g t e c h n i c a lm e a s u r e s o f o p t i m i 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n d a c c u r a c y A t p r e s e n t,t h ed e s i g ns c h e m eo f t h e e x t e r n a l i n s p e c t i o n t r o l l e yh a sb e e nm a t u r e d,a n d t e s t t r i a l sw i l l b e c a r r i e do u t g r a d u a l l y K e yw o r d s:s u s p e n s i o n t y p em o n o r a i l;t r a c kb e a m;i n s p e c t i o n t r o l l e y;d e f e c t d e t e c t i o n;s t r u c t u r a l d e s i g n;s a f e t y s y s t e m;c o n t r o l s y s t e m封面照片说明建设中的宜都至来凤高速公路茅坪大桥.(唐杨,王国炜摄影)论坛行政私法理论下的民用船舶国防动员机制分析陈璐