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《同济大学》 2008年
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软弱围岩浅埋偏压连拱隧道力学效应研究

蔡来炳  
【摘要】: 经过十几年的工程实践,连拱隧道已在我国公路工程得到广泛应用。然而,作为一种新颖的结构形式,连拱隧道在应用过程中也存在不少问题。本文通过对国内外222座连拱隧道的调查,分析了连拱隧道工程应用的主要特点和相关参数,进而研究连拱隧道应用中的主要问题和影响因素,认为软弱围岩、浅埋和偏压是引起连拱隧道施工事故和结构病害的主要客观因素。本文以云南省思(茅)小(勐养)高速公路连拱隧道为工程背景,采用室内试验、模型试验、现场试验和数值模拟方法研究了软弱围岩的力学性质、偏压连拱隧道的力学特性和稳定性问题,探讨了偏压连拱隧道的时间效应,提出了相应的荷载设计计算方法。 选择背景工程所处地层的泥岩A和泥岩B作为Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩代表性围岩介质,通过室内试验方法,研究泥岩的物理力学性质和参数取值。泥岩具有较高含水量和易风化特性,在自然空气中易发生表层水份挥发而产生裂隙或岩块剥落现象。泥岩的抗压强度与泥岩含水量、试件是否存在软弱面有关。室内试验发现,无软弱结构面泥岩的单轴压缩应力-应变全过程曲线可以分为5个区段:岩石内微裂隙闭合Ⅰ区段、线弹性发展Ⅱ区段、剪胀萌发Ⅲ区段、不稳定裂隙增长Ⅳ区段和峰值后Ⅴ区段。各变形区段的明显程度随岩石材料种类有所差异,如A组泥岩微裂缝闭合Ⅰ区段明显;而B组泥岩的Ⅰ区段不显著,但B组泥岩的峰值后Ⅴ区段长度大于A组泥岩,峰值后残余强度与峰值比大于A组泥岩。不同于无结构面泥岩试件,存在软弱结构面的试件应力-应变全过程曲线显现出软弱结构面压缩、结构面剪切和结构面软化等三个阶段,充分印证了岩石力学与工程理论中关于软弱结构面控制的假设。 通过泥岩的单轴压缩蠕变试验研究发现,泥岩具有很高的蠕变变形特征,蠕变量随着泥岩试件的含水量增加而增大。泥岩的蠕变性质与泥岩的排水条件有关。在不排水条件下,泥岩的流变特性可以采用Burgers模型以反映泥岩蠕变量随时间增大和蠕变破坏发生的规律;在排水压缩条件下,泥岩的流变特性可用广义Kelvin模型予以描述。另外,在排水蠕变作用下,泥岩通常产生硬化作用。道的力学和变形特性进行了较为详尽和深入的研究。无偏压作用状态下,连拱隧道的内力和变形受隧道施工工艺顺序影响较大。隧道开挖过程是围岩应力发生急剧变化的阶段,也是隧道发生大变形而引起失稳的阶段。仰拱开挖过程中,由于侧墙部位的支护结构支撑减弱,初衬支护结构下沉,引起上拱圈部位的围岩压力减小,侧墙部位初衬围岩压力增加。混凝土二衬与仰拱、中墙等部位的衬砌结构形成闭合,有效地限制隧道周边变形,明显增强了隧道支护的稳定性;期间,隧道二衬结构和初衬支护共同承担围岩松弛和蠕变产生的应力。后行隧道施工过程的应力和变化与先行隧道施工过程相似,但围岩应力释放程度明显小于先行隧道,拱顶下沉、边墙水平位移等变形比先行隧道变形小。出现这一现象的原因在于先行隧道开挖产生应力释放,使得后行隧道的初始应力水平大为降低。 在地形偏压作用下,连拱隧道整体向浅埋侧移动,浅埋侧和深埋侧的围岩出现被动压力和主动压力作用;隧道结构处于不均衡受力状态,即浅埋侧隧道边墙围岩应力大于深埋侧隧道,这种不均衡作用随着地形坡度比增加而增大;当连拱隧道在严重不均衡力作用下,结构将产生较大变形,最终导致隧道结构出现裂缝或渗漏水。地形偏压作用下连拱隧道浅埋部位拱顶沉降大于深埋部位拱顶沉降;随着地形坡度比增加,先行隧道初衬拱顶下沉变化量增加。连拱隧道偏压作用程度随隧道埋深增加而减小。当隧道埋深大于1.6倍隧道开挖宽度时,因地形坡度产生的偏压作用可以忽略不计。地形偏压作用越大,中墙偏心作用越显著,承受的弯矩也越大。 无地形偏压作用时连拱隧道地表沉降槽呈现以中墙中线为中点的非对称形状,先行隧道顶部的地表沉降影响范围大于后行隧道顶部的地表沉降影响范围,且发生在先行隧道顶部的最终地表沉降量大于后行隧道顶部。地表沉降主要发生于先行隧道和后行隧道的主洞室开挖阶段,中导洞施工阶段和隧道后期稳定阶段产生的地表沉降较小,约为最终地表沉降的10%左右。 连拱隧道时效性与地形偏压作用有相关性,无偏压连拱隧道承受的围岩压力、衬砌结构内力和隧道变形与时间成对数关系,最终趋于稳定:地形偏压作用下初衬支护位移与时间成增大变化,且受地形坡度比和埋深制约。 本文在模型试验、现场试验和数值模拟结果分析基础上,结合坡形地层自重应力与围岩强度分析,探索性提出了以地形偏压系数作为判别偏压连拱隧道的标准。结合我国行业规范《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004),从围岩应力作用率、地形偏压系数和深浅隧道不同受力角度,提出了偏压连拱隧道围岩压力计算方法,以及中墙荷载和偏心距计算公式。该计算方法,以及提出的相应工程措施与建议,可以为浅埋偏压连拱隧道的设计与施工所参考采用。
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