均質(zhì)隧洞破壞機(jī)理及其設(shè)計方法

均質(zhì)隧洞破壞機(jī)理及其設(shè)計方法一、傳統(tǒng)隧洞破壞機(jī)理〔基于松散體理論〕1、深埋隧洞破壞機(jī)理地層形成普氏壓力拱,承受壓力拱下土體重量2、淺埋隧洞破壞機(jī)理隧洞上部土體坍塌，存在應(yīng)力傳遞深埋隧洞的壓力拱太沙基淺埋理論二、現(xiàn)代隧洞破壞機(jī)理(基于彈塑性理論)2004年鄭穎人等應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法求破裂楔體拉布希維茲楔體噴混凝土破裂面隧洞圍巖平安系數(shù)有限元強(qiáng)度折減法計算過程：不斷降低巖土C、值和抗滑力，直到破壞。強(qiáng)度降低的倍數(shù)就是隧洞的平安系數(shù)并能求出圍巖的破裂面2深埋隧洞的滑裂破壞面水泥、石膏、滑石粉的比例為0.2：0.6：0.2

密度（kpa）E(MPa)C(Kpa)

1.78342700.3211621.8隧洞跨度8cm洞高12cm洞深15cm40×52×15cm模型尺寸：

隧洞模型

試驗方案方案隧洞跨度/cm側(cè)墻高/cm拱高/cm方案一882方案二883方案三884方案四864方案五844模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果比照分析

(a)方案一

(b)方案二

(c)方案三

(d)方案四

(e)方案五模型試驗數(shù)值模擬模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果方案側(cè)墻高拱高模型試驗極限荷載/kN數(shù)值模擬極限荷載/kN模型試驗數(shù)值模擬

破裂面與洞壁最大距離一82625713.413.1二83595514.314.1三84565315.615.3四64616012.912.8五44686611.711.5深埋隧洞破裂面位置確定圍巖等效塑性應(yīng)變與潛在破裂面(a)1號路徑破裂面發(fā)生在位移或塑性應(yīng)變突變處，一般是塑性應(yīng)變最大的地方。(b)2號路徑(c)3號路徑(d)4號路徑等效塑性應(yīng)變與X坐標(biāo)關(guān)系曲線圖(e)5號路徑土質(zhì)深埋隧洞側(cè)向破壞的工程監(jiān)測〔1〕隧洞拱頂錨桿受力小，兩側(cè)受力大?！?〕鋼架水平收斂位移平均19mm，大于拱頂與拱腳差異沉降平均9.8mm3淺埋隧洞的滑裂破壞面

(a)模型破壞(壓力28KN)(b)數(shù)值模擬〔壓力26KN〕淺埋隧洞破壞面洞跨8m，埋深3m4不同埋深下隧洞的破壞過程〔1〕矩形洞室埋深1米，平安系數(shù)0.3埋深3米，平安系數(shù)0.52洞跨12m高5m

埋深1米，在頂部中間破壞。埋深3m，在肩部破壞，平安系數(shù)隨埋深增大。c=40kpa埋深7米，平安系數(shù)0.65埋深8米，平安系數(shù)0.64埋深9米，平安系數(shù)0.66隨埋深增加逐步形成淺埋壓力拱埋深9m形成淺埋壓力拱平安系數(shù)逐漸增大埋深10米，平安系數(shù)0.69埋深12米，平安系數(shù)0.7埋深10m淺埋壓力拱逐漸消失形成深埋壓力拱〔拱高5M)埋深9~10m是深淺埋的分界線按標(biāo)準(zhǔn)公式hq為12m埋深15米，平安系數(shù)0.7逐漸形成兩個破裂面壓力拱高不變平安系數(shù)不變埋深18米，平安系數(shù)0.7埋深30米，平安系數(shù)0.67埋深50米，平安系數(shù)0.61平安系數(shù)根本不變拱頂與側(cè)壁出現(xiàn)兩破裂面平安系數(shù)隨深度減少明顯出現(xiàn)兩側(cè)先破壞平安系數(shù)隨深度減少兩側(cè)破壞矩形隧洞破壞機(jī)理：1、隨埋深從拱頂破壞到拱肩破壞2、開始時平安系數(shù)增加，逐漸形成淺埋壓力拱，最大拱高9m3、埋深10m后，淺埋壓力拱消失，形成深埋壓力拱，拱高約5m，平安系數(shù)不變4、9~10m為深淺埋分界標(biāo)準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)公式為12m5、10~18m,普氏拱高度不變，平安系數(shù)不變6、18m后，破壞逐漸先從側(cè)向開始，隨埋深增加，平安系數(shù)減少，出現(xiàn)側(cè)向破壞后的塌落拱〔2〕拱形洞室埋深4米，平安系數(shù)0.87埋深7米，平安系數(shù)0.84埋深1m拱頂中間破壞埋深4m，拱腰破壞埋深7m，拱肩破壞與矩形不同，隨深度增加平安系數(shù)減少。拱形洞室受力優(yōu)于矩形洞室。埋深3.5米，平安系數(shù)0.88埋深10米，平安系數(shù)0.82埋深8米，平安系數(shù)0.82淺埋壓力拱逐漸形成拱頂破壞埋深9米，平安系數(shù)0.82埋深9m,淺埋壓力拱形成拱頂破壞埋深10m,淺埋壓力拱逐漸消失同時出現(xiàn)側(cè)向破壞,不形成深埋壓力拱埋深12米，平安系數(shù)0.81埋深15米，平安系數(shù)0.8埋深12m、15m,淺埋壓力拱逐漸消失隧洞側(cè)向破壞，埋深10米是深淺埋分界線標(biāo)準(zhǔn)為12米埋深30米，平安系數(shù)0.77埋深20米，平安系數(shù)0.78先側(cè)向破壞隨埋深增加，平安系數(shù)不斷減少側(cè)向破壞后形成塌落平衡拱埋深50米，平安系數(shù)0.75

埋深4米，平安系數(shù)0.87埋深4米，平安系數(shù)1.32〔3〕不同強(qiáng)度時拱形洞室等效塑性應(yīng)變圖比較強(qiáng)度不同，平安系數(shù)不同，圖形根本相同。

埋深3.5米，平安系數(shù)0.88埋深3.5米，平安系數(shù)1.37c=40kpac=70kpa埋深8米，平安系數(shù)為1.22埋深8米，平安系數(shù)0.82埋深9米，平安系數(shù)1.20埋深9米，平安系數(shù)0.82埋深7米，平安系數(shù)為1.25埋深7米，平安系數(shù)0.84埋深10米，平安系數(shù)為1.18埋深10米，平安系數(shù)0.82埋深12米，平安系數(shù)1.15埋深12米，平安系數(shù)0.81埋深15米，平安系數(shù)為1.12埋深15米，平安系數(shù)0.8埋深20米，平安系數(shù)為1.07埋深20米，平安系數(shù)0.78埋深30米，平安系數(shù)為1.03埋深30米，平安系數(shù)0.77埋深50米，平安系數(shù)為0.9深、淺埋分界線取決于洞形與洞跨埋深50米，平安系數(shù)為0.75拱形隧洞破壞機(jī)理：1、隨埋深從拱頂破壞到拱肩破壞2、拱形洞室受力明顯優(yōu)于矩形洞室，隨埋深增加，平安系數(shù)減小，先逐漸形成淺埋壓力拱，最大拱高9m3、埋深10m后，淺埋壓力拱消失，形成兩個破裂面。10為深淺埋分界標(biāo)準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)公式為12m4、不存在普氏壓力拱，隨埋深逐漸轉(zhuǎn)為側(cè)向破壞。5、12m后，破壞明顯先從側(cè)向開始，隨埋深增加，平安系數(shù)減少6、深淺埋分界與洞形洞跨有關(guān),與強(qiáng)度關(guān)系不大三、目前隧洞設(shè)計中存在的問題1、設(shè)計方法不符合實際，如形變壓力采用荷載-結(jié)構(gòu)法，使設(shè)計偏于保守。2、采用形變壓力法沒有客觀破壞標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計保守。

開挖后塑性區(qū)

破壞時塑性區(qū)

3、現(xiàn)行隧洞破壞狀態(tài)判據(jù)研究1)以洞周位移或收斂位移為判據(jù)存在的問題測點位置不同，位移值不同，位移標(biāo)準(zhǔn)也不同，不知道最敏感的測點位置力學(xué)分析中，沒有以位移表述的破壞標(biāo)準(zhǔn)，極限位移值按經(jīng)驗確定.彈性模量E對洞周位移影響很大彈性模量()2030405060拱頂最大垂直位移(cm)9.47.34.74.43.6側(cè)墻最大水平位移(cm)7.65.13.83.02.5安全系數(shù)1.621.621.621.621.62表1不同彈性模量的計算結(jié)果巖土的彈性模量很難測準(zhǔn)，嚴(yán)重影響計算結(jié)果

斷面形狀、尺寸不同，收斂位移界限不同Ⅴ類圍巖不同斷面的相對收斂位移界限標(biāo)準(zhǔn)三心圓拱>扁平直墻拱>窄高直墻拱小斷面〔5×7.5×5〕>大斷面(10×15×10)圍巖類別毛洞斷面部位隧洞斷面形狀三心圓直拱扁平直拱窄高小斷面大斷面Ⅴ拱頂0.290H～0.559H0.257H～0.481H0.164H～0.310H0.134H～0.258H側(cè)墻0.350D～0.672D0.192D～0.362D0.472D～0.896D0.212D～0.410D2)以塑性區(qū)大小為破壞判據(jù)的問題位移值大小主要取決于彈模，塑性區(qū)大小主要取決于強(qiáng)度力學(xué)分析中還沒有以塑性區(qū)大小的破壞標(biāo)準(zhǔn)，塑性區(qū)大小的判據(jù)也按經(jīng)驗確定圖1開挖后圍巖的塑性區(qū)

(=0.20)

圖2開挖后圍巖的塑性區(qū)〔=0.25〕圖3開挖后圍巖的塑性區(qū)(=0.30)

不同的泊松比對塑性區(qū)大小有很大影響圖4開挖后圍巖的塑性區(qū)(=0.35)圖5開挖后圍巖的塑性區(qū)(=0.40)〔圖6開挖后圍巖的塑性區(qū)(=0.45)表3不同泊松比的計算結(jié)果泊松比不易測準(zhǔn)，對塑性區(qū)大小影響很大,但對平安系數(shù)影響很小0.200.250.300.350.400.45圍巖塑性區(qū)面積(㎡)294.5638.3912.858.968.718.68圍巖塑性區(qū)最大深度(m)14.006.262.761.571.281.20安全系數(shù)1.6241.6261.6251.6251.6261.627泊松比

不同數(shù)值分析軟件對塑性區(qū)大小的影響ANSYS軟件計算的塑性區(qū)

PLASIX軟件計算的塑性區(qū)FLAC軟件計算的塑性區(qū)

采用不同軟件計算的塑性區(qū)大小PLAXIS>FLAC>ANSYS分析軟件ANSYSPLAXISFLAC圍巖塑性區(qū)面積(㎡)8.9624.7822.40圍巖塑性區(qū)最大深度(m)1.573.092.80安全系數(shù)1.621.601.64

斷面形狀尺寸不同,標(biāo)準(zhǔn)不同塑性區(qū)面積比:三心圓拱>扁平直墻拱>窄高直墻拱小斷面經(jīng)驗破壞判據(jù)塑性區(qū)深度為洞跨的1—1.5倍大斷面經(jīng)驗破壞判據(jù)塑性區(qū)深度為洞跨的0.75—1倍四、黃土隧洞剪切平安系數(shù)計算材料破壞分為剪切破壞與拉破壞黃土隧洞平安系數(shù)可分為剪切平安系數(shù)與拉裂平安系數(shù)黃土隧洞在施工與運行中破壞主要由土體強(qiáng)度降低引起，建議采用強(qiáng)度儲藏平安系數(shù)不斷降低抗剪強(qiáng)度，直到破壞，求出剪切平安系數(shù)。工程概況某無襯砌黃土洞室，跨度3米，側(cè)墻高1.5米，埋深30米。矢跨比取0、1/6、1/3、1/2、2/3，拱高取0.0、0.5、1.0、1.5、2.0米；表5土體物理力學(xué)參數(shù)彈性模量泊松比容重粘聚力內(nèi)摩擦角()

抗拉強(qiáng)度400.35170.05250.02折減、計算結(jié)果〔FLAC〕表6不同矢跨比條件的下剪切平安系數(shù)、矢跨比拱高（m）只折減、折減、抗拉強(qiáng)度00.01.721.731/60.51.711.711/31.01.671.681/21.51.641.642/32.01.591.59不同矢跨比的剪切平安系數(shù)〔ANSYS〕、粘聚力()內(nèi)摩擦角（）跨度(m)拱高(m)矢跨比剪切安全系數(shù)0.052530.51/61.69(1.71)11/31.65(1.68)1.51/21.62(1.64)0.021830.51/60.9311/30.901.51/20.88兩種軟件計算誤差小于2%老黃土中洞室平安，新黃土中洞室不平安開挖后的塑性區(qū)

破壞時的塑性區(qū)拱高0.5米等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面開挖后的塑性區(qū)

破壞時的塑性區(qū)等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面拱高1米開挖后的塑性區(qū)

破壞時的塑性區(qū)等效塑性應(yīng)變和潛在破裂面拱高1.5米

隧洞設(shè)計計算方法:Ⅰ、II級巖體可按風(fēng)險設(shè)計。III、IV、V級可按穩(wěn)定性計算設(shè)計，一般可采用形變壓力計算。既要保證圍巖的一定平安度，又要保證襯砌到達(dá)足夠平安度，當(dāng)不能保證圍巖長期穩(wěn)定時，必須采用松動壓力計算。五、有襯砌時黃土洞室設(shè)計隧洞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)〔穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)〕確實定(1)對初期支護(hù)：圍巖應(yīng)力釋放50%后，施加初期支護(hù),要求圍巖具有1.15～1.20的平安系數(shù)，初襯建議平安系數(shù)1.30左右,確保施工平安.(2)對二次支護(hù)：在初期支護(hù)以后施加二襯，要求圍巖平安系數(shù)高于1.15～1.20。對于襯砌按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定平安系數(shù)大于2.0～2.4，確保長期平安

〔1〕不做初期支護(hù)時的設(shè)計黃土洞室毛跨7米，高6.5米，矢跨比1/2，埋深40米，襯砌厚度25cm，表土體力學(xué)物理參數(shù)變形模量泊松比容重粘聚力內(nèi)摩擦角抗拉強(qiáng)度400.35170.05250.02圖開挖后圍巖塑性區(qū)支護(hù)圍巖安全系數(shù)未支護(hù)時0.84采用強(qiáng)度折減法求圍巖平安系數(shù)無論深埋或淺埋，襯砌承受形變壓力，但不需求結(jié)構(gòu)上形變壓力，可直接求出襯砌內(nèi)力，由此可得襯砌平安系數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計算：一般情況下，只考慮抗壓平安系數(shù)，由材料抗壓強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)承載能力KN≤φαRabh〔標(biāo)準(zhǔn)要求K>2.4或2.0〕特殊情況下，按抗裂要求計算：當(dāng)軸向力偏心矩e0≥0.20h時，由材料的抗拉強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)承載力KN≤1.75φRabh/(6e0/h-1)彎矩圖

軸力圖襯砌平安系數(shù)無初期支護(hù)時,襯砌結(jié)構(gòu)平安系數(shù)表襯砌厚度h/m開挖后應(yīng)力釋放率最不利位置彎距/(KN?m軸力/MN偏心距e0/m襯砌安全系數(shù)圍巖安全系數(shù)0.2550%拱腳4282.740.151.621.22初期支護(hù)：錨噴支護(hù)，噴層厚度15cm計算時，錨桿支護(hù)以增加10%粘聚力代替二次支護(hù)：厚25cmC30混凝土設(shè)計平安系數(shù)要求：初期支護(hù)圍巖平安系數(shù)大于1.15~1.20襯砌平安系數(shù)大于1.30二次支護(hù)襯砌平安系數(shù)，大于2~2.4〔2〕有初期與二次支護(hù)時的設(shè)計表襯砌以及圍巖平安系數(shù)表初期支護(hù)應(yīng)力釋放率二次襯砌應(yīng)力釋放率最不利位置彎距/(KN?m)軸力/MN偏心距襯砌安全系數(shù)圍巖安全系數(shù)初期50%1.321.21二次50%0拱腳5191.620.3203.211.42洞跨12m初襯厚度為30cm二襯厚度60cm老黃土,C=0.05=25新黃土,C=0.022=20〔3〕鐵路雙線隧道雙模筑復(fù)合式襯砌計算①老黃土襯砌以及圍巖平安系數(shù)表初期支護(hù)應(yīng)力釋放率二次襯砌應(yīng)力釋放率彎距/(KN?m)軸力/MN偏心距e0/m襯砌安全系數(shù)圍巖安全系數(shù)0（未支護(hù)）————0.750（只加錨桿）————0.8350%（加錨桿）0（不做二襯）470.9034.460.1061.951.18初期支護(hù)平安系數(shù)50%（加錨桿）二襯厚40cm016303.060.5333.1