薄層破碎硬質(zhì)巖隧道群施工的壓力拱效應(yīng)及荷載理論模型研究.pdf

1、我國交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，為隧道及地下工程的發(fā)展帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。薄層破碎硬質(zhì)巖多分布在沉積巖及巖溶地區(qū)，我國云貴川地區(qū)的地下工程施工中將可能遇見這種特殊的圍巖，然而目前對其工程特性開展的研究并不多。本文采用離散元軟件，對該圍巖條件下的地下洞室開挖進(jìn)行數(shù)值分析研究，并通過一定的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下結(jié)論:
　　(1)薄層破碎硬質(zhì)巖內(nèi)部貫通的層理與錯(cuò)開分布的節(jié)理這幾組軟弱結(jié)構(gòu)面決定了其主要的工程性質(zhì):易于沿層理發(fā)生順層滑移;可

2、以承受一定的彎矩作用;軟弱結(jié)構(gòu)面的變形將對整個(gè)地層產(chǎn)生最主要的影響。地下洞室開挖后，洞周的圍巖將由近及遠(yuǎn)的逐層張開、剝離變形。節(jié)理張開變形所引起的洞周收斂位移較順層滑移引起的變形位移量更大，但后者的影響范圍更廣。這兩種位移相互垂直，使得薄層破碎圍巖地下洞室開挖后位移云圖呈“十字形”分布，且“十字”偏斜的角度與貫通的層理面傾角相一致。
　　(2)洞室埋深大于臨界埋深時(shí)，薄層破碎硬質(zhì)巖地下洞室開挖后洞周圍巖將產(chǎn)生壓力拱效應(yīng)。提出以不同

3、范圍內(nèi)的圍巖的切向應(yīng)力增加量與該路徑上圍巖總切向應(yīng)力增加量的比值來確定該范圍內(nèi)圍巖對壓力拱成拱作用的貢獻(xiàn)，并據(jù)此劃分壓力拱效應(yīng)的主要區(qū)域界限。對比計(jì)算了不同傾角、不同結(jié)構(gòu)面參數(shù)下不同埋深、不同跨度的地下洞室開挖后洞周圍巖的壓力拱效應(yīng):當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)差于巖塊的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面的粘聚力和摩擦角對整體圍巖開挖后力學(xué)狀態(tài)影響不大:層理面傾角較緩時(shí)，壓力拱高度隨層理面傾角的變化不明顯，當(dāng)層理面傾角超過某個(gè)閾值時(shí)，壓力拱范圍隨層理面傾

4、角的增大而顯著增加;隧道埋深大于臨界埋深時(shí)，洞室埋深的增加對壓力拱范圍的影響不明顯;洞周壓力拱范圍與洞室跨度呈線性遞增關(guān)系。根據(jù)這些結(jié)論擬合出特定工況下的薄層破碎硬質(zhì)巖地下洞室開挖壓力拱高度公式。
　　(3)考慮薄層破碎硬質(zhì)巖的特性修改了普氏塌落拱理論與巖柱理論使其更好的適用于該圍巖條件。發(fā)展了壓力拱承載結(jié)構(gòu)理論計(jì)算圍巖荷載的方法，并對比現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范、修正塌落拱理論與壓力拱承載結(jié)構(gòu)理論，提出各自的適用范圍。
　　(4

5、)結(jié)合貴陽龍洞堡機(jī)場隧道的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與離散元軟件數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析該并行近接段施工的圍巖力學(xué)狀態(tài)。后行隧道的開挖將破壞先行隧道形成的壓力拱效應(yīng)，形成聯(lián)合壓力拱或拱形梁效應(yīng)，對圍巖受力狀態(tài)及地表沉降位移產(chǎn)生決定性影響。當(dāng)近接隧道中巖柱厚度小于8.5m時(shí)，近接隧道間中巖柱可能發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)予以注意并采取一定措施以避免發(fā)生事故。
　　(5)通過數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)、已有研究成果對比，表明離散元方法可以較為準(zhǔn)確地模擬薄層破碎硬質(zhì)