小净距隧道围岩稳定性研究方法

如题所述

通过对小净距隧道围岩稳定性影响因素、评价方法和指标等方面的综述,可将小净距隧道稳定性问题概括为小净距隧道结构力学和施工力学两大问题,即隧道的断面形状、尺寸、净距、埋深、围岩级别及周边其他环境条件等隧道结构尺寸和围岩体属性决定了小净距隧道开挖后的围岩应力、位移分布及围岩稳定性特征,这方面的研究可概括为小净距隧道的结构力学问题;小净距隧道的开挖和支护过程决定了围岩应力和位移的重新分布过程,由于围岩体存在材料和几何非线性及变形非连续性等特性,整个施工过程中的施工步(开挖和支护)设计及空间展开顺序决定了小净距隧道围岩的过程稳定性及最终力学状态,这方面的研究可概括为小净距隧道的施工力学问题。第一个问题的研究一般以静态为主,采用解析方法较为适宜;而第二个问题则以数值方法较为适宜。目前,对小净距隧道的研究以数值模拟和现场监控量测为主,辅以少量物理模拟(模型试验),而解析解的研究则相对乏匮。

(1)解析方法

解析方法是指采用数学力学的计算取得闭合解的方法。利用解析方法讨论隧道围岩稳定性的优势在于所获得的是精确解,对计算所涉及的各参数讨论比较方便并容易得到规律性的认识;不足在于要对求解的问题作一定简化且所用到的力学数学知识较多、公式推导过程繁琐,有时甚至难以完成。对净距较大的上下行隧道可认为两洞室的开挖没有相互影响,围岩稳定性可作单洞问题考虑,其平面力学问题可以看作单连通域问题。对断面形状为圆形的独立隧道,围岩应力和位移弹性解析解及弹塑性解析利用实变函数的相关知识即可获得,求解相对容易且研究成果较多,比较经典的有轴对称圆形巷道围岩弹性应力解[74]、一般圆巷围岩的弹性应力解[75]、轴对称圆巷的理想弹塑性解(卡斯特纳方程)[76,77]和一般圆巷的弹塑性解[74,76,78]等。对单洞非圆形巷道围岩应力和位移弹性解,则可用弹性力学的复变函数方法解决[74,75,79,80,82,83]。陶履彬和侯学渊用轴对称的平面应变弹性理论分析了圆形隧道的应力场和位移场[84]。日本的久保胜保将土体作为弹塑性和粘弹性材料,并考虑地层位移与时间的相关性研究了圆形隧道的非线性弹塑性的理论解[83]。要获得复杂断面洞室围岩力学解析解,需通过保角变换建立单位圆与实际断面之间的映射函数,将以复杂洞室断面为边界的问题转变成以单位圆为边界的问题,然后进行应力和位移的求解。因此,此类问题中映射函数的求解是关键。对简单形状的孔口(如圆形、椭圆形等)能找出精确的映射函数,而对实际巷道只能采用近似法求解映射函数。由于近似映射函数求解方法的不成熟,所获得的函数应用上尚存一定困难,导致目前复杂断面隧道围岩应力和位移解析解的研究成果不多。朱大勇等[86,87]将边界条件式中的映射函数组合用另一个级数展开式来代替,将两个待求解析函数展开成洛朗级数形式,采用数值计算方法获得了围岩应力的解析逼近解。吕爱钟、赵凯等[88,89],在具体求解问题时近似映射函数只取了3~5项。

地下双孔洞或多孔洞的平面问题在力学上属于双连通域和多连通域问题,其围岩应力和位移解析解求解过程较复杂。曾小青和曹志远[90]利用经典的数学力学理论,对双孔隧道构造出沿横截面上周向和径向的半解析位移函数,实现了双孔洞相互作用问题的半解析化数值模拟。刘新宇[91]用复变函数法对并行隧道相互影响机理进行了讨论。张路青、吕爱钟等[92-96]开展了任意布置方式下两任意形状孔洞的围岩应力和位移解析方法研究。这些研究在地下双孔洞平面力学问题的解析解方面作了有益探索,但并未给出使用方便的一般性方法,且缺乏实际的应用研究,更未涉及小净距隧道。因此,应用解析法研究小净距隧道围岩稳定性问题尚属空白。

(2)数值方法

随着电子计算机的发展和普及,数值模拟已经成为岩石力学研究和工程设计的重要手段。目前,处理岩体工程中的数值模拟方法可以分为两大类:一类是将岩体视为连续介质,主要有有限元法和边界元法;另一类是将岩体视为非连续介质,充分考虑岩体结构特征,主要有离散单元法、关键块理论及不连续变形分析法。利用数值模拟研究小净距隧道工程,可以非常方便地模拟实际施工过程,有助于了解围岩应力和位移分布的演变过程及围岩稳定性状况,是确定最佳设计和施工方案的得力工具。Soliman et al.采用有限元数值分析,研究了双孔隧道不同开挖方法下围岩应力及位移相对变化[97];Chapman et al.通过平面数值模拟对伦敦粘土地层中小净距隧道施工引起的地表沉降进行了分析[98];Chehade&Shahrour则通过数值模拟对小净距隧道双洞的空间布置位置和不同施工过程进行了参数分析,指出两隧道水平布置时引起地层位移最小,而垂直布置时引起地层位移最大[99];Wu.&Chious和Siskind结合具体工程对两条软土盾构隧道的衬砌变形和地层移动进行了计算分析[100,101]。刘艳青等介绍了招宝山小净距隧道的设计和施工,对隧道施工状态和围岩稳定性进行了数值模拟分析[13];胡元芳、卓效明对厦门仙岳山小线间距(净距)双线隧道的设计进行了计算分析[102,36]。林立彬、赖德良、刘伟等、郑学贵等介绍了京福高速公路福建段小净距隧道群的设计和施工[103-106],利用经验公式和数值计算等手段对小净距隧道围岩压力的分布规律和影响因素进行了研究。

由此可见对小净距隧道施工过程的数值模拟,基本以有限元分析为主。研究从最初的采用释放系数模拟隧道开挖效应的平面应变分析方法,到可以模拟开挖、支护施工过程的三维模拟,所取得的成功经验为小净距隧道研究提供了有力支持。应该说有限元法本身计算的准确性和精度是毋庸置疑的,但在小净距隧道乃至所有地下工程中,针对相类似的工程分析结果往往差异较大,且计算结果与实际情况之间也存在着一定的差距,这与计算时材料模型选取、计算参数取值、计算模式确定及对问题的简化程度等方面是有关的,因此对于数值模拟当前采取的是“定量分析,定性应用”理念[107]。在运用有限元法进行计算时,应注意以下几点:一是岩体参数取值的可靠性与准确度,主要是地应力和岩体力学参数;二是围岩力学模型选用的正确性;三是有限元非线性计算的收敛情况。

(3)模型试验

物理模型试验是解决岩体工程问题的重要手段,这种试验技术能把工程结构与围岩作为统一体考虑,较好地反映岩体特性且能模拟复杂工程结构与地质环境。只要能满足一定的相似关系,不必建立复杂的本构关系或进行严密的计算分析,可直接通过测试得出结果,省去了数学、力学计算上的麻烦。隧道模型试验能准确、真实、全面和直观地反映隧道开挖过程中围岩与支护体系各方面的变化和影响,使人们更容易全面把握工程岩体的整体受力特征、变化趋势及稳定性。一方面可以与数学模型相互验证,另一方面也为发现一些新的力学现象和规律,为建立新的计算理论和数学模型提供重要的依据,因此物理模型试验倍受各国岩土工程界的关注。

综合国内外的文献,小净距隧道工程模型试验研究内容大致集中在以下几个方面:①合理净距研究。姜汶泉等、杨龙伟[108,109]采用物理相似模型试验,模拟了毛洞及不同加固支护状态下洞周位移增量、围岩压力等参数随净距变化的规律,得到不同围岩级别下的小净距隧道的“合理”净距;②不同围岩条件、不同施工方法对隧道围岩稳定性影响的研究。黄伦海等[110]通过对福建三福高速公路两小净距公路隧道施工的相似模拟试验研究,得到了小净距公路隧道在相似模拟开挖中的位移规律和隧道围岩最终位移;姚勇等[111]利用模型试验对洞口小净距段岩墙的加固措施、开挖方式及支护体系等施工方案进行了研究,提出了该段合理的施工方法和岩墙加固措施的建议;③隧道围岩破坏试验研究。田志宇[12]通过无支护模型试验探讨了不同围岩级别条件下的隧道破坏情况,揭示了小净距隧道的破坏规律。

由此可见,作为小净距隧道研究的重要手段,模型试验开展了围岩稳定性破坏试验研究、围岩和支护相互作用研究、施工方案以及合理净距问题研究等。加载方式主要通过超载即“先开洞,后加载”的方法实现,通过研究揭示围岩应力和位移的发生和发展过程,其目的是找出围岩的薄弱环节,从而对合理净距确定、施工方案选择以及支护措施的采取提供依据。但模型试验也存在尺寸效应、试验难度大以及费用高等不足,模型试验宜和数值方法有机结合。选择合适的加载方式、开展三维模型试验以及对围岩破坏机理进行系统研究将是小净距模型试验的主要发展方向。

(4)监控量测

新奥法在我国地下工程特别是隧道工程中得到了较广泛的应用,与常规施工技术相比,其显著的优点是柔性支护设计且工程造价较低。作为新奥法施工基本要素之一的监控量测,主要作用和目的是掌握围岩变形动态和支护结构的工作状态。通过相似工程的监测信息资料累积,可为隧道合理施工方法选取、净距优化、结构支护参数设计等方面积累经验并完善隧道设计施工技术。小净距隧道施工过程中监控量测工作是必不可少的且作用非常明显。

国内外研究人员针对各自参与的小净距隧道工程,进行了大量有意义的监测工作和相关研究。Lo et al.对四孔平行隧道作了多隧道相互影响的现场量测试验[112]。Brox&Hage-dom[113]对某三车道小净距隧道进行了拱顶下沉变形监测,指出可通过减少开挖进尺、采用超前导洞法开挖以避免产生过大变形;刘艳青等[13]对招宝山隧道施工中地面沉降、洞周收敛、拱顶下沉、支护结构应变及爆破破坏深度等进行了系统测试工作;林立彬[103]、黄波[114]等对京福高速公路福建段金旗山小净距隧道的洞身开挖和锚喷支护的效果进行了监控量测。从已有的小净距隧道监控量测研究成果看,不同隧道监控量测的控制标准是不同的,特别是洞周围岩变形当前仍然参照《公路隧道施工技术规范》对分离式独立双洞洞周围岩变形的限制标准,显然对小净距隧道是不适宜的,从定性上讲后者的控制标准应该更严格,但这种标准严格到什么程度,需要结合更多大量的工程监测实践进行研究。

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