超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性分析.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁十二局集团有限公司科技研发计划项目(集团 研 号)作者简介:吴燕升()男甘肃通渭人高级工程师主要从事隧道及地下工程施工管理方面的工作:.引文格式:吴燕升.超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性分析.铁道建筑技术():.超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性分析吴燕升(中铁十二局集团第四工程有限公司 陕西西安)摘 要:随着隧道工程领域近年来大力推动机械化施工发展采用大断面、长进尺开挖工法对围岩稳定性要求将有重大而深刻改变研究机械化快速施工在不同工况条件下掌子面围岩稳定性对保障施工安全、提升施工效率意义重大本文围绕超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性问题假定掌子面失稳模型为棱柱体与楔形体的复合型式分析不同地质环境、不同开挖进尺、不同台阶高度、不同断面形式对围岩稳定性影响 研究结论:岩体粘聚力与内摩擦角对稳定性具有重要影响但随二者增大掌子面稳定系数并非线性增加而是呈现增长速率逐渐放缓的趋势掌子面安全系数与开挖进尺、台阶高度呈非线性变化可根据变化曲率确定最优开挖参数由单洞双线变为单洞单线隧道掌子面稳定系数平均增大 倍左右采用综合性辅助加固措施后掌子面稳定系数平均增大约.关键词:超长隧道 深埋隧道 机械化开挖 稳定性分析中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:.:引言随着隧道工程施工领域机械化大力推进研究多工况条件下超大断面、长进尺掘进对掌子面围岩稳定性的影响能够为隧道工程建设、施工组织提供重要理论参考近年来国内外学者对隧道开挖围岩稳定性开展了大量研究 陈磊等将强度折减法与有限元模拟相结合着重研究了隧道采用 法施工时围岩整体性的安全控制量化指标 蔡武强等采用三维 强度准则分析了不同埋深条件下掌子面随开挖历程的非线性挤出效应演变规律 王凤云揭示了开挖后围岩铁道建筑技术 ()吴燕升:超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性分析力学演化的本质与围岩渐进破坏过程 李新平等构建渗流 应力 损伤耦合模型用以分析围岩稳定性与损伤演变 崔路允分析了复杂采空区深埋隧道在穿越开挖过程中的围岩变形、结构承载特性 张向东等分析了深埋富水隧道不同台阶处孔隙水压力与稳定性 骆俊晖等研究强构造应力环境下深埋隧道开挖后围岩稳定性问题 张鹏等基于获取的地应力分布情况分析开挖扰动对围岩稳定性的影响 周连伟等利用强度折减理论提出了定量评价围岩稳定性的方法本文通过假定掌子面失稳力学模型分析不同岩性、不同台阶高度、不同进尺、不同断面形式对掌子面稳定性的影响 研究背景随着国家基础设施战略重心的西移赋存于艰险山区内部的隧道工程具有长度超长、埋深和规模超大的特点 而传统低效率施工工法难以满足西部长大深埋隧道的进度需求 因此进行超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性研究总结并推进隧道工程大型机械化施工工法(见图)等安全作业标准势在必行图 隧道机械化施工工法 通过机械化开挖工法提升隧道掘进效率首先要为大型机械装备的入场作业提供必须的操作空间 一般而言适配于机械化开挖工法的开挖面形式可分为全断面法(见图)和微台阶法(见图)图 全断面与微台阶开挖然而由以台阶法为代表的传统工法更改为大型机械化作业开挖工法对开挖围岩的稳定性力学行为影响是根本性的 理论基础极限平衡法由于其计算模型简单、理论清晰而被广泛应用于隧道掌子面围岩的稳定性评价中 本文基于极限平衡法假定掌子面失稳形式为棱柱体与楔形体的复合形式对机械化长进尺开挖围岩稳定性开展研究假定机械化开挖采用全断面法时掌子面按图 失稳形迹发生整体破坏图 传统台阶法施工图 中:棱柱体()包含的参数 代表隧道开挖进尺楔形体()失稳面与隧道纵向夹角为(/)代表围岩内摩擦角且围岩满足摩尔 库伦准则 为掌子面高度若采用全断面法施工则 代表断面高度若采用微台阶法施工则 代表上台阶高度 代表掌子面跨度即隧道内轮廓的跨度根据王明年等的研究成果将上方棱柱体等效铁道建筑技术 ()吴燕升:超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性分析为松散围岩压力则在辅助支护结构作用下下方掌子面附近楔形体围岩力学模型如图 所示图 楔形体力学模型图 中:为楔形体自身重力 为沿楔形体失稳倾斜面切向的摩擦阻力 为失稳楔形体后方稳固围岩的支撑力为围岩压力为在超前支护结构的作用下实际作用在掌子面楔形体上的压力且 为围岩压力折减系数为掌子面喷射混凝土提供的支护力为掌子面锚杆提供的支护力此外掌子面注浆后岩体粘聚力提升提升后的粘聚力:式中:为原岩体粘聚力为提升系数极限平衡法的岩体安全系数 可表示为:()式中:、分别为楔形体沿失稳形迹的抗滑力与滑动力根据图 力学模型将各力在水平向及竖直向进行分解可得到两个平衡方程:()()联合式()与式()可以得到:()()()根据摩尔 库伦强度准则进而可得:()()()式中:为掌子面失稳体倾斜面粘聚合力/继续沿倾斜面方向分解各力可得到 和 的表达式:()()()()()()/式中:为围岩压力 为围岩重度联合式()及式()式()可得到掌子面稳定性表达形式:()()/()/()算例分析.工程背景以某隧道工程为研究背景探讨总结不同围岩岩性、不同开挖进尺、不同台阶高度、不同洞形对掌子面的稳定性影响规律隧道里程 穿越强风化花岗岩围岩等级为级伴有地下水 现场采用传统三台阶法施工亟需转变开挖工法以提升施工效率 鉴于此开展机械化施工条件下的开挖面稳定性分析(计算参数见表、表)表 不同台阶高度取值范围参数取值/隧道高度.隧道跨度.埋深未支护段长度.表 围岩物理力学参数参数取值重度/(/).粘聚力/内摩擦角/().地层岩性分别考虑内摩擦角取值范围 粘聚力考虑、采用全断面开挖工法进行掌子面稳定性影响分析按式()计算原理代入相应参数后计算结果见图图 地层岩性影响由图 可知当内摩擦角由 增长至 附近掌子面稳定系数随内摩擦角增大呈减速增长的趋势而当内摩擦角位于 至 区间时掌子面稳定系数随内摩擦角增加近乎线性增长当内摩擦角由 增大至铁道建筑技术 ()吴燕升:超长深埋隧道机械化开挖围岩稳定性分析时掌子面稳定系数开始加速增加另一方面当内摩擦角固定不变时掌子面安全系数随粘聚力增加并非呈线性增长而是增幅明显减弱例如当粘聚力为 时 粘聚力对应的稳定系数为.粘聚力对应的稳定系数为.增大了.粘聚力时稳定系数为.在 粘聚力的基础上仅增大了.此外 粘聚力时内摩擦角需达到约 掌子面稳定系数才能趋于.粘聚力为 和 时内摩擦角分别需要达到约 和 掌子面稳定系数约为.开挖进尺同样以机械化全断面开挖工法为例进一步计算不同进尺下掌子面稳定系数分布规律 开挖进尺分别设置为.、.、.、.、.、此外考虑不同围岩级别的影响以前方地质勘探预测的级围岩参数作为对比物理力学参数见表 各工况计算结果见图 表 级围岩物理力学参数参数取值重度/(/).粘聚力/内摩擦角/()图 开挖进尺影响 由图 可知在开挖进尺为.范围内稳定系数随开挖进尺增大而快速减小但开挖进尺.之后减小速率基本稳定 这说明当开挖进尺增大到一定程度后稳定系数对开挖进尺的增长不再敏感级围岩较级围岩的稳定性提升显著.开挖进尺时级和级围岩的稳定系数分别为.和.开挖进尺时二者分别为.和.此外级围岩所有工况平均稳定系数为.而级围岩所有工况平均稳定系数为.级围岩较级围岩稳定系数平均增大.总体看级围岩在所有进尺工况下稳定系数均小于 说明级围岩无法在未施作辅助支护措施的情况下采用全断面施工工法而级围岩维持自稳定的最短进尺应小于.并且进尺越短稳定系数增长幅度越大.台阶高度台阶高度在 区间共设置 种工况 所有工况均以单次进尺 进行计算计算结果见图图 台阶高度影响由图 可知掌子面稳定系数随上台阶高度减小而逐渐增大 如级围岩台阶高度由 减小至 稳定系数由.增长至.级围岩台阶高度由 减小至 稳定系数由.增长至.与此同时级围岩对台阶高度变化更为敏感台阶高度由 减小至 时稳定系数开始加速增长总体看掌子面若要维持自稳级围岩的台阶高度应不大于 而级围岩的台阶高度应不大于.隧道洞形铁路隧道最为常用的洞形一般可分为单洞单线铁路隧道与单洞双线铁路隧道 本节计算中单洞单线铁路隧道跨度为.高度为.以开挖进尺为例分析不同洞形的稳定系数分布规律图 为不同洞形在不同开挖进尺下的稳定系数分布情况 可见由单洞双线变为单洞单线掌子面稳定系数显著增大如.进尺时单洞双线的稳定系数为.而改为单洞单线隧道掌子面稳定系数增大至.实际上由单洞双线变为单洞单线等同于减小了单次掘进的开挖面积与采用分部开挖提升稳定性原理一致 单洞单线铁路隧道基本能维持自身稳定而单洞双线则完全无法达到开挖稳定状态 此外改用单洞单线隧道后掌子面稳定系数平均增大约 倍图 隧道洞形影响(下转第 页)铁道建筑技术 ()杨帆 等:短时超大吊装动力荷载作用下盾构工作井结构响应():.吴周立 孙亮亮.履带式起重机倾覆原因分析及应对措施.大众标准化():.卢伟平.偏压超载对地铁基坑稳定性影响研究.福建建设科技():.灌千元.车辆荷载对基坑支护结构影响分析.山西建筑():.赵桐德 李二超 闫继业 等.动荷载作用下基坑支护结构动力响应研究.地震工程与工程振动 ():.高志宏.盾构端头井结构设计中的若干问题研究.四川建筑():.丁春林.地铁车站端头井受力计算模型研究.同济大学学报(自然科学版)():.张帆.盾构工作井叠合墙结构体系整体计算方法.现代隧道技术():.王瑞峰.区间盾构井结构设计力学分析.北方交通():.魏向阳.超大直径盾构出井吊装对工作井影响研究.铁道建筑技术():.(上接第 页).辅助加固措施考虑采用掌子面喷混、掌子面锚杆、掌子面注浆以及超前支护综合加固措施讨论不同开挖进尺下对围岩加固后的稳定性影响 各加固措施按文献的计算方法得到的参数见表 表 加固措施工况所需计算参数参数取值.有、无辅助加固措施下不同进尺的掌子面稳定系数见图 图 辅助加固措施影响由图 可知无辅助加固措施时掌子面稳定系数对开挖进尺的依赖程度更大特别在.进尺以内无辅助加固措施的掌子面稳定系数随进尺减小呈快速上升的变化规律 而有辅助支护措施下稳定系数变化则更加均匀 此外采用辅助支护措施时平均稳定系数为.而无辅助支护措施的平均稳定系数为 加固以后增大约.结论本文基于极限平衡理论讨论了机械化施工对掌子面稳定性的影响得出如下主要结论:()岩体粘聚力与内摩擦角对稳定性具有重要影响但随二者的增大掌子面稳定系数并非线性增加而是增长速率逐渐放缓()掌子面安全系数随开挖进尺及台阶高度增大而逐渐减小且减小速率逐渐放缓()由单洞双线变为单洞单线隧道掌子面稳定系数平均增大 倍左右采用综合性辅助加固措施后掌子面稳定系数平均增大约.参考文献 刘宗族.双线铁路隧道软弱围岩施工方法分析.铁道建筑技术():.张宝永.动荷载作用下隧道围岩塑性区演化规律研究.铁道建筑技术():.许垒.基于隐伏溶洞对大断面隧道围岩稳定性影响分析.铁道建筑技术():.陈磊.软弱围岩地层 法施工隧道稳定性研究.公路():.蔡武强梁文灏朱合华.深埋岩体隧道开挖面三维非线性挤出效应分析.岩石力学与工程学报():.王凤云.深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究.岩石力学与工程学报():.李新平郑青青罗忆等.溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响.爆破():.崔路允.深埋隧道穿越复杂采空区围岩稳定性分析.地下空间与工程学报():.张向东李亦芃李庆文等.考虑流固耦合效应深埋富水隧道围岩稳定性研究.长江科学院院报():.骆俊晖米德才叶琼瑶等.基于 模型下考虑构造应力场深埋隧道围岩稳定性研究.灾害学():.张鹏孙治国王秋宁等.木寨岭深埋隧道北段地应力测量与围岩稳定性分析.地质力学学报():.周连伟赵杰姚晨晨.深埋公路隧道围岩稳定性中强度折减法的应用.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)():.王明年张霄赵思光等.软弱围岩隧道机械化全断面施工超前支护体系设计方法研究.铁道学报():.铁道建筑技术 ()