核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响

第26卷 第6期2007年12月兰州交通大学学报(自然科学版)

J ou rnal of Lanzh ou J iaotong University(Natural S ciences)

V ol.26N o.6

Dec.2007

文章编号:1001 4373(2007)06 0034 04

核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响*

郭桃明, 李德武, 宋 妍

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070)

摘 要:针对黄土地区山岭双线隧道软弱围岩稳定性较差的问题,通过三维有限元方法系统地分析了台阶长度及核心土长度、宽度对隧道掌子面的纵向位移、塑性区纵向深度和横向大小的影响.得出一些对黄土地区软弱围岩山岭双线隧道具有实际指导意义的结论.

关键词:山岭隧道;台阶法;掌子面;核心土

中图分类号:T U457 文献标识码:A

0 引言

黄土双线隧道施工中,由于新黄土隧道围岩的自稳时间短,需要采用施工辅助措施来加固地层(或掌子面).在隧道施工中通常使用的辅助工法有:洞内外降低地下水位、地面加固地层(或掌子面)、洞内防排水等.其中黄土隧道洞内外加固地层(或掌子面)的辅助工法主要有:环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭掌子面、超前锚杆、超前小导管支护和长管棚超前支护加固地层等.以上各种辅助工法中,环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭掌子面最为简便,施工中应优先考虑.且由于环形开挖留核心土工法的各种施工参数的改变不会带来额外的费用,应作为首选方案.

大量黄土双线隧道的施工实践表明,对于围岩为新黄土且埋深较浅的隧道,核心土留设合理与否,对掌子面的稳定性影响甚为明显.对于分部开挖法施工,台阶的长度及核心土的长度、宽度对掌子面的稳定性影响的定性分析很少.个别文献对埋深很浅、断面较小且为圆形的隧道,作了一些研究[6].本文针对黄土地区双线铁路山岭隧道出现的问题,运用三维弹塑性有限元法,对核心土留设做了系统研究.

1 有限元模型的建立

为了分析台阶长度及核心土的长度、宽度与隧道掌子面及其附近围岩的变形之间的相互关系,本文运用ADIN A8.3进行数值分析.其中土体和初期支护采用8节点So lid 3D单元模拟,土体单元材料选用M C材料模拟,因新黄土的剪切膨胀不明显,故在模拟时不考虑剪切膨胀的膨胀效应,地层的参数见表1.初期支护单元采用Co ncrete材料模拟,这种材料可以分析的非线性模式包括:开裂和压碎效应.材料选用C30混凝土,厚度为30cm,在施工中还采用20a工字钢支护,支护材料的力学参数如表2所示.ADINA程序中提供了单元的 生和 死,把要杀死的土体单元刚度和质量乘以一个很小的因子,由于ADINA提供了单元生死的时间,从而实现应力的缓慢释放,这一点和现实中土应力缓慢释放是相同的.近而可以很好地模拟围岩的应力释放以及喷射混凝土的工作过程.在模拟计算中,采用的是在阿克巴斯隧道施工中实际量测获得的变形值,反算得应力释放值,取应力释放30%,开挖的循环进尺为1m.其步骤为:1)开挖上半断面环形部分;2)支护上台阶;3)开挖下台阶和核心土;4)对下台阶部分进行初期支护.台阶和核心土的留设示意图如图1所示.

图1 核心土的留设和开挖示意图

Fig.1 Sketch of leaving core and driving tunnel

*收稿日期:2007 07 03

作者简介:郭桃明(1983 ),男,安徽巢湖人,硕士生.

第6期郭桃明等:核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响

表1 地层的物理力学参数

Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock

名称E/M Pa c/kPa /(!)/kN∀m-3围岩11.650.312518.8717

表2 支护材料的力学参数

Tab.2 M echanical parameters of support material

支护材料 力学参数

钢拱架E=210GP a,!=240M Pa

喷射混凝土E=3#104M P a,!c=20.1M P a

!t=2.01M Pa

模型的计算限制,考虑到圣维南原理,取周围土的尺寸为隧道宽度的3~5倍,模型尺寸为:80m# 80m#100m(宽#高#长);拱顶地层考虑到成拱作用[1],拱顶的厚度取为34.2m;隧道形状为曲墙式,跨度为10.6m.初始地应力按自重应力考虑,计算模型见图2.计算中采用表3,4所示的几种工况,由于跨度较大,故不考虑全断面开挖这种工况.在天然地层中各种参数肯定为最优的组合,所以各种工况运用黄金分割原理进行选取.

图2 三维有限元模型

Fig.2 3D FEM model

表3 有限元分析计算工况1

Tab.3 C ases studied by m eans of f inite element method1计算工况台阶长度核心土长度/m ∃0.146D0

%0.236D0

&0.382D0

∋0.618D0

(1D0

)0.618D0.146D

∗0.618D0.236D

+0.618D0.382D

,0.618D0.618D

注:D=10.6m,上台阶高度为5m,核心土顶面离拱顶的距离为2.2m.

表4 有限元分析计算工况2

Tab.4 C ases studied by m eans of f inite element method2计算工况∃%&∋( L/m0.640.750.88 1.12 1.5注:台阶长为0.618D,核心土长为0.382D.核心土刷坡率取1−0.5,L 的含义如图1所示.2 有限元结果分析

2.1 掌子面纵向位移

1)无核心土

对于不同的台阶长度,隧道掌子面中心线的纵向位移如图3所示.在无核心土的各种工况下,上台阶长度愈长,掌子面纵向位移愈小,如:与0.146D 的最大纵向位移相比,台阶长为0.246D时仅减小8.3%;长为0.382D时减小44.8%;长为0.618D 时可以减小55.7%;长为1D时可以减小50.8%,并且可以看出当台阶长度大于0.618D时,台阶长度对掌子面的纵向位移控制作用减弱,且掌子面纵向位移最大值在上台阶的下部,0.618D与1D两种工况下的数值,隧道纵向位移最大值仅差0.39 m m.

图3 台阶长度与掌子面纵向位移关系

Fig.3 Relation between step length and tunnel face

longitudinal displacem ent

2)同台阶不同核心土

如图4所示,在同台阶长度的工况下,核心土留设在很大程度减小了掌子面的纵向位移量.但是随着长度的增大,其抑制掌子面纵向位移效果并不非常明显.例如,在台阶长度为0.618D时,且不留设核心土时,最大值为26.62mm;台阶和核心土长度均为0.618D时,最大值为24.42mm.随着核心土长度的增加,掌子面最大纵向位移随之向下移动,同时下台阶的纵向位移也随之增大.故核心土可以增加掌子面的稳定性.值得注意的是,在核心土的长度较小的情况下,核心土的纵向位移较大.因为根据摩尔 库仑准则,增大土体的第三主应力可以提高第一主应力,开挖以后核心土实际只有自重应力作用,属于单向应力状态.这种情况下土体的承载力较低,变形较大,较容易被破坏.

3)不同截面核心土

在台阶及核心土长度相同,但核心土截面宽度

35