考慮土巖接觸的隧道圍巖變形特征數(shù)值分析研究

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院《土木工程科研創(chuàng)新》第11頁(yè)考慮土巖接觸的隧道圍巖變形特征數(shù)值分析研究1問題的提出土、巖接觸帶是黃土地區(qū)隧道穿越山嶺常出現(xiàn)的一種地層條件，如己建神延鐵路羊馬河隧道，甘肅省隴西縣新松樹灣隧道，山西離軍高速公路隧道，寶天高速公路黑嶺隧道等都遇到了這一特殊地層。一般地，土、巖接觸帶形成年代較短，其上覆土層孔隙大、較松散；而巖層的性質(zhì)差異較大，有泥巖、頁(yè)巖以及風(fēng)化程度不同的花崗巖。這一獨(dú)特的地質(zhì)特征不僅使得隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)的發(fā)生顯著變化，而且水文地質(zhì)條件也發(fā)生了顯著的變化，導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)面附近含水量明顯增大。在過去的實(shí)踐中，土、巖接觸帶并沒有引起人們的廣泛注意，從而導(dǎo)致了許多塌方以及圍巖變形過大的事故。在山西離軍高速公路隧道的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，隧道在土、巖接觸帶中開挖時(shí)發(fā)生塌方，而在寶天高速公路黑嶺隧道中土、巖接觸帶圍巖的最大變形達(dá)到35cm左右[1]。隧道之所以出現(xiàn)塌方和圍巖變形過大，原因在于沒有正確的認(rèn)識(shí)土、巖接觸帶條件下，圍巖的變形規(guī)律和開挖后圍巖應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致按常規(guī)設(shè)計(jì)方法提供的支護(hù)措施與實(shí)際的圍巖壓力不相匹配。在經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展的今天，大量高等級(jí)公路、高速鐵路、輸水輸氣管道等國(guó)家重大項(xiàng)目將相繼展開。我國(guó)中西部地區(qū)地形切割劇烈，地下工程建設(shè)過程中將出現(xiàn)大量的土、巖接觸帶。土、巖接觸帶中隧道圍巖的變形規(guī)律和破壞方式有其獨(dú)特的一面，因此，其設(shè)計(jì)理論和施工方法與土質(zhì)隧道或巖體隧道的設(shè)計(jì)理論和施工方法是不同的，從目前看，盡管己經(jīng)在土、巖接觸帶中修建了不少的公路、鐵路隧道，但針對(duì)這類地層條件仍然還沒有一套比較成熟的設(shè)計(jì)方法與施工經(jīng)驗(yàn),其設(shè)計(jì)與施工技術(shù)仍依賴于土質(zhì)隧道或巖體隧道的方法[2]。但是，實(shí)踐表明，在這種地層條件下，隧道圍巖的變形和圍巖壓力與均質(zhì)圍巖隧道有很大的差異。因此，土、巖接觸帶條件下，如何對(duì)軟弱圍巖隧道進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如何確定其合理的襯砌形式和參數(shù)，如何選擇有效的開挖方式以及如何進(jìn)行確定監(jiān)控量測(cè)技術(shù)都是承待解決的問題。土、巖接觸結(jié)構(gòu)面具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性以及復(fù)雜的加卸載條件和邊界條件，這使得隧道力學(xué)問題通常無(wú)法用解析法簡(jiǎn)單的求解，數(shù)值方法不僅能模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)和結(jié)構(gòu)特征，也可以方便地分析各種邊值問題和施工過程，并對(duì)工程進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，因此數(shù)值分析方法是目前結(jié)構(gòu)面研究的有效工具之一。常用的數(shù)值方法[3]，有:有限元法(FEM)、有限差分法(FlaC、FDM)、離散元法(DEM)，反分析法、邊界元法(BEM)、不連續(xù)變形分析法(DDA)、流形方法等，這些方法在地下洞室和邊坡穩(wěn)定等均有較多的應(yīng)用，取得了較好的效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在研究圍巖變形破壞及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用這一種方法不僅可以研究不同條件下圍巖的穩(wěn)定狀況,為設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供基礎(chǔ)，而且還可以追索圍巖累進(jìn)性破壞的發(fā)展過程，找出可能導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)破壞的薄弱部位，為支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供依據(jù)。它己成為解決地下工程設(shè)計(jì)和施工問題的最有力的工具。2文獻(xiàn)綜述2.1理論方面的研究20世紀(jì)50年代以來(lái)，人們開始用彈塑性力學(xué)來(lái)解決隧道支護(hù)問題。20世紀(jì)60年代提出了一種新的隧道設(shè)計(jì)施工方法，即新奧法，新奧法的核心是利用隧道圍巖的自承作用來(lái)支撐隧道，促使圍巖本身變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，使圍巖與構(gòu)筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成堅(jiān)固的支承環(huán)。在此期間，日本油地宏和櫻井春輔[4-5]，提出了圍巖支護(hù)的應(yīng)變控制理論，該理論認(rèn)為隧道的應(yīng)變隨支護(hù)結(jié)構(gòu)的增加而減小，而容許應(yīng)變則隨支護(hù)結(jié)構(gòu)的增加而增大，因此通過增加支護(hù)結(jié)構(gòu)能較容易地將圍巖應(yīng)變控制在容許應(yīng)變范圍之內(nèi)。20世紀(jì)70年代提出了能量支護(hù)理論,該理論認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用、共同變形，在變形過程中，圍巖釋放一部分能量，支護(hù)結(jié)構(gòu)吸收一部分能量，但總的能量沒有變化，主張利用支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)整吸收和釋放多余的能量。起源于原蘇聯(lián)的應(yīng)力控制理論，也稱圍巖弱化法、卸壓法，其基本原理是通過一定的技術(shù)手段改變某些部分圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，改善圍巖內(nèi)的應(yīng)力及能量分布，使支承壓力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，以此來(lái)提高圍巖自穩(wěn)能力。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)軟弱圍巖問題進(jìn)行了大量的研究[6-10]，逐漸形成了一些有影響的理論。“軸變論”理論是于學(xué)馥教授等人提出來(lái)的，該理論認(rèn)為隧道坍落可以自行穩(wěn)定。隧道坍落破壞是由于圍巖應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度極限引起的，坍落改變了隧道軸比，導(dǎo)致圍巖進(jìn)行應(yīng)力重分布，應(yīng)力重分布的特點(diǎn)是高應(yīng)力下降，低應(yīng)力上升，并逐漸向無(wú)拉力和均勻分布發(fā)展，直到穩(wěn)定而停止。應(yīng)力均勻分布的軸比是隧道最穩(wěn)定的軸比，此時(shí)隧道形狀為橢圓形。聯(lián)合支護(hù)理論主要由陸家梁、馮豫、鄭雨天、朱效嘉等結(jié)合軟弱圍巖實(shí)際，靈活運(yùn)用新奧法理論提出來(lái)的，是在新奧法的基礎(chǔ)上對(duì)軟弱圍巖支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。其觀點(diǎn)可以概括為:對(duì)于軟弱圍巖支護(hù)，一味地追求加強(qiáng)剛度是難以湊效的，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)。由此發(fā)展起來(lái)的支護(hù)型式有錨噴網(wǎng)技術(shù)、錨噴網(wǎng)架技術(shù)、錨帶噴架等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)等。錨噴弧板支護(hù)理論是由孫鈞、鄭雨天和朱效嘉教授等提出的，實(shí)際是聯(lián)合支護(hù)理論的新進(jìn)展。該理論的要點(diǎn)是:對(duì)軟弱圍巖總是強(qiáng)調(diào)放壓是不行的，放壓到一定程度，要堅(jiān)決頂住，堅(jiān)決限制和頂住圍巖向空中位移。其實(shí)施的難點(diǎn)主要是成本較高，弧板后充填技術(shù)要求嚴(yán)格，允許圍巖變形有限，需要很高的阻抗力。松動(dòng)圈理論是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)董方庭教授提出的，其主要內(nèi)容是:凡是堅(jiān)硬圍巖的裸體隧道，其圍巖松動(dòng)圈都接近于零，此時(shí)隧道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護(hù)。松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，支護(hù)難度就越大。因此，支護(hù)的目的在于防止圍巖松動(dòng)圈發(fā)展過程中的有害變形。董方庭教授將圍巖分為六類，有一定的量化，是一個(gè)發(fā)展方向。主次承載區(qū)支護(hù)理論是由方祖烈教授提出，認(rèn)為隧道開挖后，在圍巖中形成拉壓域。壓縮域在圍巖深部，體現(xiàn)了圍巖的自撐能力，是維護(hù)隧道穩(wěn)定的主承載區(qū)；張拉域形成于隧道周圍，通過支護(hù)加固，也形成一定的承載力，但其與主承載區(qū)相比，只起輔助的作用，故稱為次承載區(qū)。主、次承載區(qū)的協(xié)調(diào)作用決定隧道的最終穩(wěn)定。支護(hù)對(duì)象為張拉域，支護(hù)結(jié)構(gòu)與支護(hù)參數(shù)要根據(jù)主、次承載區(qū)相互作用過程中呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特征來(lái)確定。支護(hù)強(qiáng)度原則上要求一次到位。軟弱圍巖工程力學(xué)支護(hù)理論是由何滿潮教授運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代大變形力學(xué)相結(jié)合的方法，通過分析軟弱圍巖變形力學(xué)機(jī)制，提出的以轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制為核心的一種新的隧道軟弱圍巖支護(hù)理論。它涵蓋了從軟弱圍巖的定義、軟弱圍巖的基本屬性、軟弱圍巖的連續(xù)性概化，到軟弱圍巖變形力學(xué)機(jī)制的確定、軟弱圍巖支護(hù)荷載的確定和軟弱圍巖非線性大變形力學(xué)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容。這些理論與技術(shù)解決了大量軟弱圍巖支護(hù)問題，為我國(guó)地下工程的建設(shè)做出了貢獻(xiàn)。基于上述的支護(hù)理論產(chǎn)生了大量新型的支護(hù)技術(shù)，對(duì)軟弱圍巖隧道的穩(wěn)定起到了重要的作用。目前常用于軟弱圍巖隧道的支護(hù)措施有：噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、系統(tǒng)錨桿、注漿、鋼格柵、鋼拱架、超前小管棚以及大管棚。通常情況下,多種支護(hù)措施將聯(lián)合使用,以確保隧道圍巖的穩(wěn)定性。各種支護(hù)措施在工程應(yīng)用中都取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。噴射混凝土是隧道工程中應(yīng)用最為廣泛的支護(hù)措施，噴層厚度以10-20cm為宜，噴層太薄會(huì)使圍巖變形較大，噴層易產(chǎn)生裂縫；掛鋼筋網(wǎng)的主要作用是提高噴射混凝土的整體性，防止收縮，使混凝土中的應(yīng)力分布均勻，工程實(shí)踐表明土質(zhì)隧道中設(shè)置鋼筋網(wǎng)是很有必要的，它能防止噴層出現(xiàn)破裂和收縮裂縫，鋼筋直徑宜采用4-12mm，鋼筋間距宜在150-30Omm之間。錨桿對(duì)隧道位移控制、確保襯砌受力的合理性以及對(duì)塑性區(qū)的控制有明顯的效果，可以作為主要的支護(hù)手段之一。合理的錨桿長(zhǎng)度為2.5-3.Om，長(zhǎng)度超過3m后錨桿作用就不很明顯。注漿主要適應(yīng)與圍巖比較破碎，泥巖夾心，地層含水量豐富的隧道。值得一提的是，近期出現(xiàn)的水泥一水玻璃雙液注漿在加固隧道圍巖破碎帶中具有顯著的效果。鋼拱架是一種強(qiáng)力支護(hù)措施，多見于圍巖較破碎和隧道進(jìn)出口段。超前小管棚加注漿是淺埋偏壓隧道通常采用的一種超前支護(hù)技術(shù)，亦可應(yīng)用于軟弱地層,在隧道其實(shí)質(zhì)是在擬開挖的地下隧道或結(jié)構(gòu)的襯砌拱圈隱埋弧線上，預(yù)先設(shè)慣性力矩較大的厚壁鋼管，起臨時(shí)超前支護(hù)作用，防止土層坍塌和地表下沉，以保證掘進(jìn)和后續(xù)支護(hù)工藝安全運(yùn)作。超前小管棚的長(zhǎng)度約3-6m，直徑約4-8cm搭界長(zhǎng)度一般不小于l.2m，環(huán)向間距約20-50cm,傾角1-5°。大管棚一般是針對(duì)隧道進(jìn)出口段超淺埋新黃土設(shè)置的一種強(qiáng)力支護(hù)，長(zhǎng)度可達(dá)30m左右，直徑約10cm。工程實(shí)踐表明[11-15]，軟弱圍巖隧道拱部的荷載是不均勻的，拱肩部最大，拱腳部次之，拱頂最小，因此采用三心圓拱是比較符合地層壓力的。對(duì)于跨度小于6m的隧道，要盡量一次挖成，減少分部開挖對(duì)圍巖的反復(fù)擾動(dòng)。對(duì)于跨度較大的隧道，宜采用分部開挖，如先拱后墻法、先墻后拱法、正臺(tái)階法、留核心土法、上或下臺(tái)階法。具體的開挖方式要根據(jù)隧道類型、截面尺寸、埋深、圍巖類別、水文條件、施工機(jī)械等確定?？傮w上看，各種開挖方式都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，不同的開挖方式對(duì)圍巖的擾動(dòng)不同，變形機(jī)理也不同。結(jié)合施工生產(chǎn)要素及施工生產(chǎn)能力，施工原則可歸納為：管超前、預(yù)注漿、勤排水、小斷面、留核心、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)、勤量測(cè)。對(duì)于土、巖接觸帶中軟弱圍巖，由于土、巖接觸結(jié)構(gòu)面將兩個(gè)力學(xué)性質(zhì)差別較大的介質(zhì)結(jié)合在一起，難于弄清圍巖變形破壞機(jī)理。土、巖接觸帶中軟弱圍巖上覆黃土層的自身結(jié)構(gòu)支撐強(qiáng)度小，在開挖過程中土層特別是拱部往往伴有掉塊及小坍塌。在隧道開挖和支護(hù)的過程中需要特殊的開挖支護(hù)方法和參數(shù)。而支護(hù)是一個(gè)過程，要使這一過程與圍巖變形過程相協(xié)調(diào)，必須充分而深入地研究圍巖的變形機(jī)理，只有在此基礎(chǔ)上，才能選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)型式以及確定合適的支護(hù)參數(shù)、合理的支護(hù)對(duì)策。這些都是國(guó)內(nèi)外的研究工作所缺少的，也是施工過程中急需的理論依據(jù)。綜上所述，研究土與巖石交界地層中軟弱圍巖復(fù)雜的變形規(guī)律和破壞形式，弄清圍巖變形破壞機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上，確定及優(yōu)化分析土、巖接觸帶中軟弱圍巖隧道合適的支護(hù)參數(shù)、合理的支護(hù)對(duì)策和支護(hù)方案是隧道工程中迫切需要的，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。2.2數(shù)值模擬的研究雷權(quán)有[1]通過有限元模型研究了不同埋深h對(duì)圍巖變形規(guī)律和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化特征的影響得出結(jié)論:（1)埋深的增加對(duì)土巖接觸帶隧道圍巖的最大沉降的位置影響較小，最大沉降量基本發(fā)生在距拱頂30°位置。隨著埋深的增加圍巖最大沉降位移隨之增大，埋深的增加圍巖土壓力增大，土體沉降位移增大，但埋深的增加土體拱效應(yīng)增強(qiáng)有利與隧道圍巖的穩(wěn)定。（2)埋深增大對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力影響較大，隨著埋深的增大，襯砌軸力隨之增大，彎矩也隨之增大。埋深增加，土壓力增大,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大。不同埋深之間的最大總位移肖明[17]根據(jù)地下洞室施工開挖程序和錨固施工方法，提出了大型地下洞室施工開挖過程動(dòng)態(tài)模擬的三維有限元數(shù)值分析方法。依據(jù)巖體破壞特性和彈塑性力學(xué)耗散能原理，給出了施工開挖動(dòng)態(tài)優(yōu)化的評(píng)估指標(biāo)和方法，并對(duì)施工爆破和錨固支護(hù)方式等因素進(jìn)行了模擬分析。得出結(jié)論：采用耗散能原理綜合評(píng)估地下洞室施工開挖方式，能有效反應(yīng)地下洞室結(jié)構(gòu)開裂破壞、洞室變形和圍巖應(yīng)力擾動(dòng)特性，為評(píng)估地下洞室分期開挖的優(yōu)劣、優(yōu)化施工開挖過程提供了一個(gè)有效的方法。施工開挖爆破裝藥量對(duì)圍巖穩(wěn)定有較大影響。采用三維有限元數(shù)值仿真模擬施工動(dòng)態(tài)過程，能有效地反映施工過程爆破因素和分期開挖、分期支護(hù)效應(yīng)，對(duì)合理選擇爆破裝藥量，加快施工速度，保證洞室圍巖穩(wěn)定有較大的意義。孫紅月、尚岳全等[18]結(jié)合泰安抽水蓄能電站的工程建設(shè)實(shí)際，在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和場(chǎng)區(qū)地勘資料分析的基礎(chǔ)上，深入分析了工程區(qū)的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境條件，建立了能夠反映研究區(qū)地貌、巖體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力環(huán)境條件的力學(xué)模型。以地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果為參照依據(jù)，采用線性有限元法反演分析了初始地應(yīng)力場(chǎng)，采用非線性有限元方法模擬了地下廠房等主要洞室開挖施工與支護(hù)過程中的圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性狀況，全面論證了大型地下洞室開挖方案的可行性，揭示了大型地下洞室不同開挖階段應(yīng)力的集中部位和圍巖的潛在破壞部位。丁春林、周書明等[19]針對(duì)大連路越江隧道工程特點(diǎn)，采用彈塑性有限元法分析預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工對(duì)隧道圍巖內(nèi)力和地層變形的影響；以便施工時(shí)采取有效技術(shù)措施，減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，確保隧道施工安全。孫輝[23]在2005年以某黃土連拱隧道為研究背景，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值模擬，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工在黃土連拱隧道中的有效應(yīng)用進(jìn)行分析。綜合分析了隧道地質(zhì)條件、隧道圍巖在施工過程的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況及隧道的穩(wěn)定性等。對(duì)黃土連拱隧道的施工力學(xué)性態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析，總結(jié)了隧道新奧法監(jiān)測(cè)的基本原則和特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了隧道圍巖變形特點(diǎn)和襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律。2.3試驗(yàn)方面的研究馬治國(guó)[16]通過對(duì)上覆黃土的基本物理特性研究室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)室內(nèi)直剪試驗(yàn)及固結(jié)試驗(yàn)，對(duì)于上覆黃土的土巖接觸面的物理力學(xué)性質(zhì)有以下認(rèn)識(shí):(1)土巖接觸面易形成剪切破壞面，接觸面的剪切強(qiáng)度主要取決于軟弱黃土的強(qiáng)度特性；(2)隨著土巖接觸面處上覆黃土含水量的增加，接觸面的粘聚力顯著減?。荒Σ两撬p較小，但較黃土的摩擦角小；(3)土巖接觸面處兩種介質(zhì)的含水量差異較大，黃土的天然含水量均值19.74%，全風(fēng)化砂巖的天然含水量均6.79%可見，全風(fēng)化砂有顯著地阻水作用，一旦有水浸入時(shí)，易形成滯水層；(4)飽和重塑黃土與原狀黃土比較，由于擾動(dòng)重塑及飽和作用，土的結(jié)構(gòu)性基本喪失，土的粘聚力顯著減?。煌恋淖冃螀?shù)也顯著減小。因此，考慮浸水入滲引起含水量增大造成黃土圍巖變形發(fā)展是非常必要的；(5)測(cè)試確定了D－P模型及劍橋模型相關(guān)的參數(shù)。康軍[20]在2006年針對(duì)黃土公路隧道修筑技術(shù)中存在的問題，通過系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、有限元仿真計(jì)算、室內(nèi)試驗(yàn)及大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)黃土公路隧道的圍巖壓力特性、變形規(guī)律、防排水技術(shù)、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工及病害處治技術(shù)等進(jìn)行了深入研究，并得出了一些對(duì)黃土隧道設(shè)計(jì)和施工有益的結(jié)論。朱家橋[21]在1988年應(yīng)用多點(diǎn)位移計(jì)在軍都山大跨度淺埋黃土隧道施工中進(jìn)行拱頂垂直位移監(jiān)測(cè)并成功地預(yù)報(bào)了隧道大塌方，得出了上部開挖最大垂直位移量是在隧道開挖面超過測(cè)點(diǎn)1.2倍洞徑內(nèi)發(fā)生，并且下部落底開挖垂直位移變化不大，僅為上部開挖最大位移的30%～40%的結(jié)論。趙學(xué)勐[22]在2002年通過對(duì)某一單車道黃土隧道的研究認(rèn)為用松散介質(zhì)極限平衡理論得出的黃土隧洞滑裂網(wǎng)和實(shí)測(cè)的崩坍面形狀相似，反映了圍巖崩坍的發(fā)展過程，并結(jié)合有限元分析計(jì)算，揭示了土拱的具體形狀和破壞機(jī)理。劉濤[24]等對(duì)偏壓連拱隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明連拱隧道的圍巖變形主要集中在左右拱頂至中墻上部區(qū)域.整個(gè)開挖過程都產(chǎn)生沉降，且貫通后有一個(gè)較長(zhǎng)的穩(wěn)定期。其中右拱頂圍巖產(chǎn)生的變形最大，接近90mm。周順華等[25]采用土工離心機(jī)對(duì)隧道開挖進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，地表硬殼層會(huì)影響隧道開挖后地層的變形機(jī)理。當(dāng)有硬殼層的時(shí)候變形主要以兩側(cè)擠壓為主；而無(wú)相對(duì)硬殼層的時(shí)候，則變形以豎向壓縮為主。周小文[26]等采用離心模型實(shí)驗(yàn)，探討了隧洞內(nèi)地層位移與支護(hù)壓力的相關(guān)性以及砂層失穩(wěn)破壞的機(jī)理。魏星[27]等通過模型實(shí)驗(yàn)，證明突泥涌水造成圍巖軟化，并帶走圍巖中的物質(zhì)，是引起隧道出現(xiàn)嚴(yán)重塌方的最重要因素。張敏江等[28]采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法探討了弱膠結(jié)砂層在井下形成突水涌砂的機(jī)理。紀(jì)召啟[29]以青島地鐵某拱蓋法施工暗挖隧道為背景，展開土巖組合地層中隧道大拱蓋法施工過程圍巖受力機(jī)理和變形規(guī)律的研究。試驗(yàn)實(shí)際模型如下圖并做了覆蓋層清潔河砂三軸強(qiáng)度試驗(yàn)，為滿足強(qiáng)度相似，對(duì)模型用的清潔河砂進(jìn)行三軸試驗(yàn)，由于模型材料抗壓強(qiáng)度過小，所以采用三軸試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型材料抵抗破壞的能力，然后換算為模型箱中該位置應(yīng)力條件下的抗壓強(qiáng)度，都采用不排水抗剪強(qiáng)度來(lái)作為評(píng)價(jià)該條件下的強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)儀器如圖在不排水條件下，對(duì)當(dāng)圍壓不同時(shí)，測(cè)試砂樣的三軸抗剪強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖下圖。通過莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線得到相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)，則可知砂土試樣的粘聚力c=0.58kPa，內(nèi)摩擦角φ=16°，滿足所需砂土相似材料破壞強(qiáng)度。沈明榮等[30]通過進(jìn)行常剛度和常應(yīng)變速率下結(jié)構(gòu)面的剪切試驗(yàn)，獲取其相應(yīng)的力學(xué)特性,分析在這樣的力學(xué)條件下，其強(qiáng)度、變形等力學(xué)特性的規(guī)律，并與常規(guī)加載條件下的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性進(jìn)行比較，提出卸載條件下結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性的主要特征，并建立評(píng)價(jià)剪切強(qiáng)度的擬合公式。得出以下結(jié)論：(1)結(jié)構(gòu)面的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)Cj、φj在加載和卸載條件下都隨結(jié)構(gòu)面爬坡角的增大而增大，Cj的增加速率加載條件下比卸載條件下大，而φj的增加速率加載條件下比卸載條件下要小。(2)結(jié)構(gòu)面在卸載條件下的強(qiáng)度與加載條件下有所不同，結(jié)構(gòu)面的破壞往往都是既有爬坡效應(yīng)又有切齒效應(yīng)，而不是發(fā)生單一爬坡效應(yīng)或切齒效應(yīng)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合得出了一個(gè)與Patton公式形式相似的適用于既有爬坡又有切齒破壞的經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)其進(jìn)行了論證。(3)加載的剪切位移曲線，分為兩個(gè)類型，軟弱型和切齒型，這與爬坡角和施加的正應(yīng)力有關(guān)。卸載的剪切位移曲線，分為兩個(gè)階段，線型和非線性階段。(4)在結(jié)構(gòu)面爬坡角相同時(shí)，其切向剛度ks和法向剛度kn都隨著正應(yīng)力的增大而增大。(5)結(jié)構(gòu)面在卸載條件下的擴(kuò)容曲線與加載條件下存在一定差異，雖然都可以分為三個(gè)階段，但是每階段代表的意義卻有所不同。徐磊等[31]針對(duì)在經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論框架內(nèi)建立巖體結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型的缺點(diǎn)，基于巖體結(jié)構(gòu)面的實(shí)際受力變形特性，采用直接法建立了一種新型巖體結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型。所建立的模型依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面切向應(yīng)力變形曲線及剪脹曲線的實(shí)際特征，將其分為峰前線性段、峰前非線性段以及峰后軟化段，并分別給出了用于描述巖體結(jié)構(gòu)面變形和強(qiáng)度等主要力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而推導(dǎo)建立了結(jié)構(gòu)面各變形階段的增量型本構(gòu)模型。最后，編寫相關(guān)計(jì)算程序，采用所建立的新型本構(gòu)模型以及被廣泛采用的Plesha模型對(duì)經(jīng)典的巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)成果進(jìn)行擬合分析。結(jié)果表明，所建立的新型本構(gòu)模型能更為合理的描述巖體結(jié)構(gòu)面的主要力學(xué)特性，且模擬能力優(yōu)于Plesha模型。雷權(quán)有[1]等通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)隧道圍巖土體、巖體以及土、巖接觸面力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,并提供數(shù)值計(jì)算所需的模型參數(shù)。得出結(jié)論：(1)提出了用土、巖接觸面的傾角、面積比、剛度比和埋深來(lái)定量描述土、巖接觸層的新方法，它們?nèi)娣从沉擞绊憞鷰r變形規(guī)律和應(yīng)力狀態(tài)的因素,而且這四個(gè)參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)易于獲取，容易被工程師所接受；(2)上述土、巖接觸帶分布特征參數(shù)對(duì)圍巖變形影響各有不同。其中，傾角主要對(duì)圍巖最大變形產(chǎn)生的位置影響較大，一般隨著傾角的增大，圍巖最大沉降位置約距拱頂偏向土體15°一45°之間。面積比對(duì)圍巖最大沉降位移的大小影響較大，最大沉降位移產(chǎn)生位置變化較小。總體來(lái)說(shuō)，傾角和面積比越大，圍巖越不利于穩(wěn)定。土、巖接觸帶分布特征參數(shù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化也是影響較大。其中，傾角對(duì)巖體一側(cè)軸力和彎矩影響較大，對(duì)土體一側(cè)影響較小。襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨傾角的增大而增大。面積比對(duì)襯砌軸力影響較小，但對(duì)襯砌彎矩影響較大，當(dāng)面積比為0.5時(shí)，也就是土、巖接觸面將隧道一分為二時(shí),最大彎矩最小。面積比等于0和1時(shí),襯砌最大彎矩最大；(3)開挖方式對(duì)存在土、巖接觸面的隧洞圍巖變形影響很大。采用先墻后拱開挖最大沉降位移最小，留核心土法最大沉降位移次之，正臺(tái)階法最大沉降位移最大，并且三者之間最大沉降位移產(chǎn)生的位置不一致，正臺(tái)階法產(chǎn)生位置為垂直線偏左30度的拱肩處，留核心土法產(chǎn)生位置較之偏右，而先墻后拱法產(chǎn)生的位置為拱頂附近。留核心土開挖襯砌在土、巖接觸面處產(chǎn)生很大的軸力，而先墻后拱法在拱頂產(chǎn)生很大的彎矩；(4)鎖腳錨管應(yīng)通過約束其沿縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度考慮。錨管的長(zhǎng)度和角度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力均有較大的影響，適宜的長(zhǎng)度和角度不僅有利于限制圍巖的變形，而且有利于發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。判斷鎖腳錨管是否有效和合理，要考慮它對(duì)圍巖變形和支護(hù)內(nèi)力的影響。一般的土質(zhì)隧道鎖腳錨管宜取3.0m。鎖腳錨管的打入角度宜取300；(5)拱頂中心線上地表處土壓力系數(shù)和內(nèi)表比與埋深和洞徑之比有很好的相關(guān)性，由此提出了用數(shù)值分析方法確定黃土隧道深淺埋狀態(tài)的新方法,用該方法確定深淺埋狀態(tài)時(shí)，不僅可以考慮洞室的埋深和大小，而且可以考慮圍巖類型和開挖方式。分析表明，用土壓力系數(shù)確定的淺埋臨界深度約為洞徑的2倍；用圍巖變形內(nèi)表比確定的淺埋臨界深度為洞徑的1.7一3.0倍；(6)圍巖發(fā)生破壞的主要原因是支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式與作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力不相符，它與開挖方式也有密切的關(guān)系。土、巖接觸帶在隧道開挖后，圍巖的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力與均質(zhì)土(巖)層的差異較大，因此，按均質(zhì)地層條件設(shè)計(jì)的支護(hù)措施在洞周某些部位必然過于保守，而在另一些部位又可能不滿足要求。在土、巖接觸帶中開挖隧道時(shí)，其支護(hù)方案在洞周邊的土層中應(yīng)適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，尤其在土體側(cè)拱肩處，從而保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形統(tǒng)一均勻；在開挖方式方面，應(yīng)進(jìn)行合理的布局，減小對(duì)土層的擾動(dòng)。提出了開挖方式和支護(hù)方案選取的原則，即“防止擾動(dòng),土為重點(diǎn)；土側(cè)強(qiáng)支，拱肩加強(qiáng)”。3研究?jī)?nèi)容（1）根據(jù)三軸剪切試驗(yàn)，得到覆土層的抗剪強(qiáng)度；（2）根據(jù)離心模型實(shí)驗(yàn)，探討了隧洞內(nèi)地層位移與支護(hù)壓力的相關(guān)性以及砂層失穩(wěn)破壞的機(jī)理；（3）根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到覆土層的抗壓強(qiáng)度；（4）采用直接法建立了一種新型巖體結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型；（5）采用土工離心機(jī)對(duì)隧道開挖進(jìn)行模擬，得到地層的變形機(jī)理；（6）根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，得到隧道圍巖土體、巖體以及土、巖接觸面力學(xué)性質(zhì)；（7）通過進(jìn)行常剛度和常應(yīng)變速率下結(jié)構(gòu)面的剪切試驗(yàn)，得到強(qiáng)度、變形等力學(xué)特性的規(guī)律；（8）利用三維有限元數(shù)值分析方法，得到隧道圍巖變形特征數(shù)值；（9）根據(jù)室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)室內(nèi)直剪試驗(yàn)及固結(jié)試驗(yàn)，得到上覆黃土的土巖接觸面的物理力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)以上研究?jī)?nèi)容，得出土巖接觸面的物理力學(xué)性質(zhì)及隧道圍巖變形特征，為工程應(yīng)用提供依據(jù)。4技術(shù)路線5經(jīng)費(fèi)人員及儀器設(shè)備參考文獻(xiàn)：[1]雷權(quán)有.黃土覆蓋土、巖接觸帶中隧道圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù)研究(碩士學(xué)位論文).西安:西安理工大學(xué).2010[2]蔣建平,汪明武,羅國(guó)煌.地下工程中巖土結(jié)構(gòu)面的影響分析.工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2003,11.[3]何滿潮,黃福昌,閏吉大.軟巖工程技術(shù)現(xiàn)狀與展望,世紀(jì)之交軟巖工程技術(shù)現(xiàn)狀與展望.北京:煤炭工業(yè)出版社,1999.04,33-4[4]徐干成,白洪才,鄭穎人,劉朝.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu).北京:中國(guó)水利水電出版社,2001[5]孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué),北京,科學(xué)出版社,1998.[6]于學(xué)馥,鄭穎人等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析.北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.[7]王思敬,張菊明.巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析原理和方法.地質(zhì)科學(xué),第1期,1976.[8]孫均.地下結(jié)構(gòu)有限元法解析.上海;同濟(jì)大學(xué)出版社,1988[9]王泳嘉,刑紀(jì)波.離散單元法及其在巖土力學(xué)中的應(yīng)用.沈陽(yáng):東北工學(xué)院出版社,1991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