文摘
隧道施工的快速发展在中国,深埋长隧道项目是新兴地区的复杂的工程地质条件和恶劣的环境,因此大变形隧道高地应力软岩条件下变得越来越突出,危及工程安全。因此,控制变形具有重要意义,提高围岩的稳定性分析松圆的厚度和分布规律的独特的力学性能和破坏机理的围岩大变形隧道的摇滚乐。基于统一强度理论,推导出宽松的圆的半径计算公式考虑了中间主应力的影响。此外,宽松的圆的理论计算和现场试验的典型部分年级II和III Yuntunbao隧道进行,变形和松动圈的厚度和分布规律的围岩大变形隧道的摇滚乐。结果表明,基于统一强度准则公式适用于软岩大变形隧道。
1。介绍
随着交通设施的发展在中国西部山区,越来越多的隧道建在高地应力软岩地区。软岩是低强度、强大的可扩展性1- - - - - -3),因此很容易产生大变形由于高地应力挤压或技术措施不当,将影响围岩的稳定性(4- - - - - -8]。变形通常具有大变形,变形速度快,持续时间长,各种失效形式,和大破坏范围,带来相当大的损失项目(9- - - - - -11]。当隧道是建立在这种环境下,流变学和大位移大等问题不断出现,这将导致严重的地下挖掘事故在复杂地质条件下(12- - - - - -14]。由于隧道开挖后的应力再分配将形成一个环形断裂区一定范围内的部分空间,也就是说,围岩松动圈的15)的分布范围和法律对围岩的稳定性有很大的影响(16- - - - - -19]。宽松的圆越大,围岩的稳定性越糟糕,越困难的隧道的支持。所以它具有重要意义对厚度和分布规律进行系统的研究围岩松动圈的大变形隧道变形控制的摇滚乐,提高围岩的稳定性。
到目前为止,理论分析和现场测量主要采用围岩松动圈的研究国内外。目前,宽松的圆的半径的理论研究主要是在弹塑性力学的理论和数值模拟。杜布et al。20.]“破碎区”的半径决定使用基于弹塑性分析的图解法。后来,惠特克决定松动圈的大小和数量的数学模拟方法生成的融合通过实验室的数据。基于“Convergence-Confinement”方法,塞拉诺et al。(21)获得了数学表达式来确定宽松的圆的半径。李等人。22]应用弹塑性力学理论,推导出解析解压力,位移和塑性区范围和解释不同阶段的围岩应力和位移的实际工程。夏et al。23)利用有限元方法回归元素的有效应力的峰值和揭示了围岩松动圈的范围通过数值模拟。利用声波探测器,松动圈的变化规律隧道的爆破动载荷下的煤矿驾驶。Yu et al。24)使用螺栓的最大轴向力来确定围岩松动区和塑性区范围的理论并提出了塑性区半径的计算公式和宽松的区域围岩变形后停了下来。
现场试验的宽松的圆的半径,许多专家和学者已经研究了很多。Toshio Maejima et al。25)描述了一个宽松的圆的评价基于监控压力的岩石。同时,在观测设计和施工过程中,通过监测放松行为和正确地预测和分析的后续行为的洞穴,洞穴支持系统进行优化。Golebiowski [26)使用探地雷达方法提出了松动圈的位置的河流堤防。changeable-offset分析论文中他提议给更广泛的可能性在探地雷达探测堤坝比标准宽松的圆分布的零炮检距反射剖面法。Czaja [27)确定洪水堤防中探地雷达测量的方法调查调查的松散的不均匀性和饱和区防洪堤坝。香港Dinhpuc [28]研究了水电站的开挖损伤区经济开发区利用地球物理测试方法(声波和数字钻孔摄像技术)。结果表明,损伤的洞窟围岩应力再分配引发的质量通常是未扰动岩体洞室开挖过程中。Huotari-Halkosaari [29日综合地球物理和地质研究方法为可能的故障提供信息和弱新的地铁线路附近的区域。检测松散区位于防洪堤坝,Golebiowski Tomislaw和Malysa托马斯(30.)进行使用short-offset反射剖面法技术,和radargrams受到标准的信号处理。
总之,围岩松动圈的厚度大大影响围岩的埋深,初始地应力和支持参数;特别是在软岩大变形隧道,松动圈的厚度也大大不同。因此,至关重要的是确定宽松的圆的半径通过结合理论与现场试验。然而,宽松的圆的半径的研究大变形软岩目前仍处于相对稀缺的阶段。基于大变形的系统分类,松动圈厚度公式的围岩大变形隧道的摇滚乐的推导基于统一强度准则,然后松圆的厚度和分布规律Yuntunbao隧道是声波测试分析领域。
2。软岩大变形的概念和分类
造成的软岩大变形围岩的位移不能有效地受制于传统的支护结构和施工方法后深埋或会膨胀的围岩满足水,导致变形远远超过允许范围的代码或设计预留范围(一些学者将它定义为隧道直径的变形超过3%),而且它不收敛了很长一段时间,甚至导致大型塑料失败。
围岩的大变形具有明显的特点,猎塑料变形和显示进步的膨胀特性和明显的时间效应。通常会导致隧道支撑结构的破坏,如混凝土开裂和下降的主要支持,失真,甚至打破的钢框架,在建设产生了巨大的困难。
围岩大变形的软岩V-grade。然而,仍然有显著差异在皇冠之间结算及周边收敛值不同的隧道或不同部分相同的隧道。因此,有必要系统地分类的软岩大变形隧道施工的精确设计方法,支持类型、衬砌类型和厚度和有效地保证了施工安全,降低工程造价。
国内外专家、学者通常把分类标准的软岩大变形分为两个阶段:设计和施工。在设计阶段,一个或多个因素,如变形量( ),相对变形量( ),strength-stress比( ),和初始地应力( ),最初是作为索引来确定分类标准。此外,相应的设计提出了预防和控制措施。在施工阶段,分类标准进一步细化和变形管理标准提出了根据现场地质条件和施工变形。目前,在中国最具代表性的分类标准如表所示1。
大变形隧道的摇滚乐的内部原因是初始应力场具有较高的构造应力和岩体强度低。即Strength-Stress比( )相对较少,出现了大变形的最直观的外观。因此,Strength-Stress比( )和围岩变形量( )被用作索引分类大变形。指的是国内外现有的定量标准,分类标准软岩大变形的表所示2。
3所示。理论计算的松动圈围岩大变形隧道的摇滚乐
大多数大变形隧道的摇滚乐有更高的构造应力,有时甚至大于重力压力。因此,中间主应力对岩体的影响应考虑强度和应力状态的弹塑性分析。尽管针对摩尔-库仑强度准则的传统和Hoek-Brown强度准则已经成熟的弹塑性计算围岩的松动圈,它未能考虑中间主应力的影响,导致不准确的分析结果。统一强度准则不仅考虑了中间主应力的影响,但针对摩尔-库仑强度准则也可能沦为和Hoek-Brown强度准则,因而广泛应用于工程领域。因此,统一强度准则采用的松动圈厚度的理论计算大变形隧道的摇滚乐。
3.1。计算模型
在圆形隧道的弹塑性应力分析,解决平面应变问题,力学模型的基本假设如下:(1)隧道部分相当于一个圆形无限长度;(2)初始地应力静水压力;也就是说,侧压力系数是1;(3)围岩均匀,各向同性,和不可压缩,身体力效果不考虑。围岩的应力状态图所示1。
3.2。围岩松动圈厚度的弹塑性分析
表达的统一强度准则如下: 在哪里是围岩的凝聚力;围岩的内摩擦角;中间主应力;径向应力;切向应力;中间主应力的影响系数,代表主要剪切应力和法向应力系数相关的表面对材料破坏的程度影响,和值范围 。公式(29日]的计算显示如下: 在哪里岩土材料的抗压强度;抗拉强度;抗剪强度。
对于平面应变问题,材料进入塑性状态时,纵向轴向压力是中间主应力 ,这大约需要径向应力的平均值和切向应力 。因此,方程(中间主应力1)可以表示如下: 在哪里中间主应力系数,值范围是什么 。根据Levy-Miss假说,为不可压缩的塑料材料, 。
用方程(4)方程(1),我们有以下: 通过这种方式, , ,因此方程(5)可以简化如下:
3.2.1之上。基本方程
轴对称条件下的平衡方程可以表示如下:
所示的几何方程如下: 在哪里围岩的任意点的距离是圆的中心;径向位移。
3.2.2。弹性区域分析
在轴对称应力条件下,应力弹性地区可以获得的应力边界条件和位移单值条件:
此外, 在哪里隧道的开挖半径;径向应力的弹塑性界面。
3.2.3。塑性变形区域分析
方程(5可以重组)如下:
用方程(11)方程(7),它可以安排如下: 在哪里是积分常数。
基于边界条件 ,然后 。,因此,
方程(14)和(15)压力的表达式在隧道的围岩的塑性变形区域。
3.2.4。解决塑料地区和宽松的圆的半径
在弹塑性界面, ,这两个和满足状态方程对弹性和塑性区域,然后 , 。基于方程(10),有 。并结合方程(14)和方程(15),可以获得以下方程:
半径塑性变形区域的径向压力在弹塑性界面可以得到方程(16),如下:
根据松圆的定义,围岩的切向应力等于初始地应力边界的宽松的圆,也就是说, 。因此,方程(15)可以简化如下:
半径宽松的圆是解决上面的公式,它可以表示以下形式:
公式(19)表明,半径宽松的圆隧道挖掘半径有关 ,岩体强度和 ,中间主应力 ,最初的原地应力场 ,和支持反应 。
4所示。工程应用
4.1。工程情况
新建Yuntunbao隧道的主要工程Chengdu-Lanzhou铁路专用的客运线附近Anguan村,旗下包括乡、四川省阿坝州松潘县。成为隧道长度22923米从入口处的里程DK213 + 350开始和结束在出口处里程DK236 + 390。这是一个超长single-tunnel双轨隧道。开挖跨度为15.3米,高度13.99米,和内轮廓拱墙是一个单中心圆半径为8.5米。间隙部分如图2。隧道分为7个横向隧道施工工作区域和一个出口。7号横向隧道穿过Shidaguan弧形构造带,它位于前面的弧形区域Jiaochang mountain-shape构造带。隧道大约与岷江断裂带并行运行,严重影响地区的缺点,发展中小折叠,岩石碎片,共同发展。地质测绘、钻探后,山体滑坡和泥石流等不利地质效果存在于隧道的网站,和高应力与最大主应力的10 MPa存在于深埋部分。围岩的大部分是碳质千枚岩,主要由绢云母、绿泥石、石英。细粒度的尺度有水晶材质,强度低,开挖后薄层,可怜的完整性和粉。的软岩大变形发生在建设,甚至严重的初始支持入侵和失真,和骨折的钢结构框架,其中部分DK234 + 190∼DK234 + 350是最严重的,如图3。
(一)
(b)
4.2。理论计算
与大变形隧道的结论部分是V-grade围岩可以获得基于现场地质调查和实验室测试。根据代码设计的铁路隧道结核病(10003 - 2016)和地质条件,初步支持Yuntunbao隧道的设计参数如表所示3。
Yuntunbao隧道大变形的分类表2,理论计算的围岩松动圈进行了大变形二级DK234 + 205段和大变形三级DK234 + 318段软岩在7号横向隧道,为了使深刻的影响研究上的软岩大变形松动圈Yuntunbao隧道。相关的围岩力学参数根据现场测试如表所示4。重力应力作为初始地应力。根据代码设计的铁路隧道(10003 - 2016年结核病),垂直深埋隧道的围岩压力拱的计算公式 ,由均布荷载和水平压力计算公式 。从测量结果,众所周知,在本节中,有高地应力 。与此同时,相对的围岩力学参数表4,如抗压强度 ,抗压强度 ,和抗剪强度 ,引入到公式(3)和中间主应力的影响系数是获得。相关的计算结果如表所示5。
公式(19)表明,宽松的圆的半径R0隧道的开挖半径有关吗 ,岩体强度和 ,中间主应力 ,原位和初始应力场支持相关反应 。在实际工程中,开挖半径、岩性和隧道的初始应力状态已经确定,和松动圈的厚度只能通过改变支持反应的影响 。因此,松动圈的厚度不同造成的初始支撑结构的承载力比值分别计算围岩压力。松动圈厚度的计算结果的典型部分如表所示6曲线绘制,如图4。
(一)
(b)
从表6和图4,就可以得出结论(1)的软岩大变形等级越高,越厚围岩质量和宽松的圆。(2)作为一个整体,很少有不同的分布隧道围岩松动圈的横截面。不过,由于高地应力的影响最初的原地应力场,侧墙的现象,松动圈是穹窿略大于。(3)随着支架阻力的增加(即。,the ratio of support structure bearing capacity increases), the theoretical calculation radius of loose circle decreases gradually.
4.3。现场试验
4.3.1。测试计划
RSM-SY5 (T)非金属声波测试探测器产生的中研在武汉被用来测试围岩的松动圈。DK234 + 205段二级软岩大变形和DK234 + 318段三级软岩大变形被选为测试。两部分都从7号中选择交叉Yuntunbao隧道的隧道。考虑到围岩条件、截面积、数据的可靠性,可操作性,和成本的测试,四个测试孔放在每个测试部分,位于左右侧壁2米和5米的隧道的赛道。测试孔的直径和深度是40毫米,10 m,分别垂直于开挖面。测试孔的位置如图所示5。
现场试验分为五个步骤(32):①钻井;②清洗;③把一个调查测试孔;④注射;⑤移动测量杆和启动测试,拔杆的0.5一次,直到整个杆消耗完成测试。操作过程的一部分的工程现场如图6。
(一)
(b)
(c)
4.3.2。分析测试结果
围岩在不同深度的纵波速度测量在典型的部分。每个测点的孔深水波速度曲线绘制,如图7。
(一)
(b)
在图7,岩石纵波速度的位置灾难事件被认为是松散的边界圆,所以宽松的圆的侧壁(DK234点a和d) + 205段二级软岩大变形从7米至7.5米,宽松的圆穹窿(点b和c)从6.5米到7米,松动圈的侧壁(点a和d)三级软岩大变形从7.5米到8米,和宽松的圆穹窿(点b和c)是7.7 - 7。5米,如表所示7。
从表7,围岩的压力测量在每个测点是围岩压力的理论值的80%,和松动圈厚度测量的值在部分DK234 + 205的二级和三级部分DK234 + 318软岩大变形基本上是与理论计算值一致时支承结构承受围岩压力的80%。这表明理论计算结果是可靠的,根据现有的施工方案,围岩压力已经公布的20%当最初支持建设完成。同时,通过监测和测量,截面周边收敛DK234 + 205的二级和三级部分DK234 + 318软岩大变形是475毫米和662毫米,分别,远远超出了标准,应该属于大变形。大变形的主要原因是由于支护结构,这并不是建立在时间和螺栓的长度不足反应无法提供足够的支持。
5。结论
基于统一强度准则,本文计算公式的推导有宽松的圆的半径隧道围岩的理论计算和现场试验的典型断面的围岩松动圈的第二和第三级软岩大变形在Yuntunbao隧道进行,分析了围岩松动圈的分布范围和法律在软岩大变形隧道。主要结论如下:(1)基于客观事实,高地应力软岩大变形隧道的存在,一个宽松的圆的半径的计算公式推导出统一强度准则和考虑中间主应力的影响围岩的应力状态。(2)在软岩大变形隧道,升级的大变形,围岩的质量变得更糟。支持阻力减少和松动圈的厚度不断增加。此外,由于影响引起的高地应力、宽松的圆截面上的分布比在侧壁的拱门。(3)的现场测量结果的围岩松动圈Yuntunbao隧道接近理论计算值时支撑结构承受围岩压力的80%。松散的厚度圆拱顶和二级大变形段的侧壁从6.5米到7.0米和7.0米到7.5米,分别和三级大变形部分从7.0米到7.5米和7.5米到8.0米,分别。这表明宽松的圆的半径的计算公式,为基于统一强度准则适用于软岩大变形隧道。(4)二级大变形部分的周边收敛和三级Yuntunbao隧道大变形的部分达到475毫米和662毫米,分别,这远远超过了限制,应该属于大变形。螺栓的长度可以优化根据松动圈的厚度,提供足够的支持反应,控制围岩的位移,确保结构的安全。
数据可用性
所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本研究财务支持自然科学基金(2017 jm5136)陕西省科学技术厅的,特殊的科学研究项目(18 jk0402)陕西省教育部门,重点研究和发展项目(2018 sf - 391)由陕西省住房和城乡建设基础(2017 - k55)陕西省住房和城乡部门,西安科技部门(GXRC008CG009-GXYD8.2)和特殊的陕西省教育部科研项目(19 jk0399)。