CN107590357B - 一种不同施工阶段隧道稳定性判别的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同施工阶段隧道稳定性判别的方法，通过提出一个能够反映隧道围岩工程力学特性和隧道开挖及支护作用影响的新概念——围岩屈服体积比，利用开挖后隧道变形逐渐发展的过程即是围岩应力逐渐释放的过程这一力学特性，建立了隧道某一施工阶段的隧道开挖后围岩屈服体积比随围岩应力释放率的变化曲线，并利用该曲线的突变特性来判断该施工阶段隧道的稳定性。本发明具有物理概念清晰简单、使用方便且结果可靠等优点，适合于在公路隧道、铁路隧道、水工隧洞、市政隧道等类似地下工程的施工安全管理中推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种不同施工阶段隧道稳定性判别的方法，具体是对修建在地层中采用暗挖法施工的山岭隧道(公路、铁路)、市政隧道及引水隧洞等的不同施工阶段的稳定性进行判别的方法。
背景技术
采用暗挖法修建隧道，一般多采用分部施工方法，如正台阶法及三台阶法等。分部施工的主要特点就是将隧道分成若干个施工阶段，如正台阶法将隧道分成上台阶施工、下台阶施工、仰拱封闭及浇筑隧道衬砌结构等，而三台阶法将隧道分成上台阶施工、中台阶施工、下台阶施工、仰拱封闭及浇筑隧道衬砌结构等。目前，在隧道施工过程中的施工安全管理主要依据隧道极限位移进行的。而隧道的极限位移就是隧道即将坍塌丧失稳定时的位移，这就必须对隧道稳定性进行判别。隧道稳定性的判别针对的是浇筑隧道二次衬砌结构之前的几个施工阶段。现有的隧道的极限位移主要是针对仰拱封闭后的施工阶段(如铁路隧道设计规范，TB1003-2005)，而且隧道稳定性判别方法采用定性的塑性区贯通与否或采用收敛-限制法原理的围岩特征曲线的拐点位置。收敛-限制法的原理如图1所示。图中u为隧道周边的位移，u0为隧道开挖后支护施作之前的位移，Pa为隧道支护与围岩之间的接触压力，P0为初始地应力。
工程实践表明，隧道施工过程中的失稳现象多发生在隧道支护封闭之前的阶段，因而采用合理的方法对隧道施工过程中的不同施工阶段进行稳定性判别是非常有意义的。采用塑性区是否连通的方法属于定性方法，不能定量化，而且即使塑性区连通，也并不意味着隧道将要失稳，且使用极不方便。实际上，隧道围岩塑性区的贯通是隧道失稳的必要条件。因而采用该方法进行隧道稳定性的判别时是仍然有问题的。而利用图1所示的收敛-限制法原理中围岩的理论特征曲线来判别隧道稳定性时，特征曲线的最低点G是往往难以确定，且G点右侧的曲线也是无法用数值方法确定的，也即特征曲线法的拐点不能确定。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术问题的不足，提供一种不同施工阶段隧道稳定性判别的方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种不同施工阶段隧道稳定性判别的方法，包括以下步骤：
1)首先确定隧道的开挖跨度、开挖高度、隧道埋深以及施工方法，再确定隧道围岩地层的物理力学指标和初期支护参数，其中初期支护包括初期支护钢架和喷混凝土层；
2)采用FLAC3D 5.0商业软件对隧道某一施工阶段建立数值模型并进行数值模拟，建立隧道的准三维数值模型，模型左右及前后两侧约束其水平位移，模型底部约束其垂直方向位移，模型顶部为自由面，其中视地层为理想弹塑性材料，符合Mohr-Coulumb屈服准则，且地层采用8节点实体等参单元模拟，视初期支护为弹性材料，且采用三角形壳单元模拟；
3)根据初期支护钢架和喷混凝土层的支护参数及其力学性能指标计算初期支护等效为均匀材料的弹性模量；
4)将隧道初期支护弹性模量乘以一个扩大或缩小的系数进行隧道受力变形分析，直到在特定的最大不平衡力预设精度下无法收敛为止，然后在每一种支护刚度条件下，隧道围岩应力及支护受力不断进行调整并最终达到平衡，此时围岩的总的屈服区域体积除以开挖土体的体积得到围岩的屈服体积比，再通过确定隧道拱顶处围岩与支护之间的接触压力与此处初始地应力得到应力释放率，从而得到能反映隧道稳定性的围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线；
5)随着隧道位移的发展，围岩应力释放率增加，隧道围岩中逐渐出现塑性区，并且塑性区的范围随着应力释放率的进一步增加而增大，围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线也由原来的近似直线逐渐过渡为曲线，此后曲线变化速率迅速增大直至发生突变，也即隧道即将丧失稳定性而发生坍塌，从而利用围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线的突变特性来判断隧道稳定性。
具体地，所述步骤3)中的初期支护等效为均匀材料后的弹性模量计算公式为
式中，Ag和Ac分别为初期支护钢架和喷混凝土层的截面面积；A为初期支护的总，截面积，且A＝Ac+Ag；Eg和Ec分别为初期支护钢架和喷混凝土层的弹性模量。
与现有技术相比，本发明提出了一个能够反映隧道围岩工程力学特性和隧道开挖及支护作用影响的新概念——围岩屈服体积比，利用开挖后隧道变形逐渐发展的过程即是围岩应力逐渐释放的过程这一力学特性，建立了隧道某一施工阶段的隧道开挖后围岩屈服体积比随围岩应力释放率的变化曲线，并利用该曲线的突变特性来判断该施工阶段隧道的稳定性。本发明具有物理概念清晰简单、使用方便且结果可靠等优点，适合于在公路隧道、铁路隧道、水工隧洞、市政隧道等类似地下工程的施工安全管理中推广使用。
附图说明
图1为现有技术中采用收敛-限制法原理的围岩特征曲线。
图2为本发明具体实施方式中建立的隧道的准三维数值模型图。
图3为本发明具体实施方式中隧道在上台阶施工阶段的归一化围岩特征曲线。
图4为本发明具体实施方式中围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图2、图3、图4所示，本实施例的一种不同施工阶段隧道稳定性判别的方法，包括以下步骤：
1)首先确定隧道的开挖跨度、开挖高度、隧道埋深以及施工方法，再确定隧道围岩地层和初期支护参数，其中初期支护包括初期支护钢架和喷混凝土层，并根据初期支护钢架和喷混凝土层参数计算等效为均匀材料的初期支护的弹性模量。隧道围岩地层以粉质粘土地层为主，隧道下部为硬质土层—老黄土层。本实施例中隧道为三车道公路隧道，开挖跨度16.2m，开挖高度11.9m，隧道埋深60m，采用三台阶法施工。初期支护为C25喷混凝土，厚26cm，钢架采用I20b，间距0.6m，各台阶开挖支护后采用锁脚注浆锚管固定钢架，钢架锁脚锚管为2φ42，长3.5m；
2)采用FLAC3D 5.0商业软件对隧道某一施工阶段建立数值模型并进行数值模拟，建立隧道的准三维数值模型如图2所示，取隧道埋深为埋深60m，模型宽度160m，高100m，隧道纵向尺寸为隧道掘进进尺的3倍，即1.8m，在分析相关位移及应力时取中部0.6m作为研究对象。施工工法采用三台阶法，模型左右及前后两侧约束其水平位移，模型底部约束其垂直方向位移，模型顶部为自由面。模型中地层视为理想弹塑性材料，符合Mohr-Coulumb屈服准则，且地层采用8节点实体等参单元模拟，初期支护视为弹性材料，且采用三角形壳单元模拟，其中地层和支护的物理力学性能指标如下表所示：
3)根据初期支护钢架和喷混凝土层参数计算初期支护弹性模量，初期支护弹性模量的计算公式为
式中，Ag和Ac分别为初期支护钢架和喷混凝土层的截面面积；A为初期支护的，总截面积，且A＝Ac+Ag；Eg和Ec分别为初期支护钢架和喷混凝土层的弹性模量；
4)将隧道支护的初期支护弹性模量乘以一个扩大或缩小的系数进行隧道力学分析，直到在特定的最大不平衡力预设精度下无法收敛为止，然后在每一种支护刚度条件下，隧道围岩应力及支护受力不断进行调整并最终达到平衡，此时围岩的总的屈服区域体积除以开挖土体的体积得到围岩的屈服体积比，再通过确定隧道拱顶处围岩与支护之间的接触压力与此处初始地应力得到应力释放率，从而得到围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线，图3为隧道在上台阶施工阶段的归一化围岩特征曲线，图4为围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线，图3中P0为围岩初始地应力，P为隧道发生某一位移时刻的围岩压力，从图3可以看出，围岩的特征特征曲线没有出现图1中的拐点G点，因而很难利用收敛限制法的原理来判断隧道稳定性；
5)从图4中的围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线中特征可以看出，随着隧道位移的发展，围岩应力释放率增加，隧道围岩中逐渐出现塑性区，并且塑性区的范围随着应力释放率的进一步增加而增大，围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线也由原来的近似直线逐渐过渡为曲线，此后曲线变化速率迅速增大直至发生突变，也即隧道即将丧失稳定性而发生坍塌，由此可见，可以利用围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线的突变特性来判断隧道稳定性。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种不同施工阶段隧道稳定性判别的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先确定隧道的开挖跨度、开挖高度、隧道埋深以及施工方法，再确定隧道围岩地层的物理力学指标和初期支护参数，其中初期支护包括初期支护钢架和喷混凝土层；
2)采用FLAC3D 5.0商业软件对隧道某一施工阶段建立数值模型并进行数值模拟，建立隧道的准三维数值模型，模型左右及前后两侧约束其水平位移，模型底部约束其垂直方向位移，模型顶部为自由面，其中视地层为理想弹塑性材料，符合Mohr-Coulomb屈服准则，且地层采用8节点实体等参单元模拟，视初期支护为弹性材料，且采用三角形壳单元模拟；
3)根据初期支护钢架和喷混凝土层的支护参数及其力学性能指标计算初期支护等效为均匀材料的弹性模量；
4)将隧道初期支护弹性模量乘以一个扩大或缩小的系数进行隧道受力变形分析，直到在特定的最大不平衡力预设精度下无法收敛为止， 然后在每一种支护刚度条件下，隧道围岩应力及支护受力不断进行调整并最终达到平衡，此时围岩的总的屈服区域体积除以开挖土体的体积得到围岩的屈服体积比，再通过确定隧道拱顶处围岩与支护之间的接触压力与此处初始地应力得到应力释放率，从而得到能反映隧道稳定性的围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线；
5)随着隧道位移的发展，围岩应力释放率增加，隧道围岩中逐渐出现塑性区，并且塑性区的范围随着应力释放率的进一步增加而增大，围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线也由原来的近似直线逐渐过渡为曲线，此后曲线变化速率迅速增大直至发生突变，也即隧道即将丧失稳定性而发生坍塌，从而利用围岩屈服体积比随应力释放率的变化曲线的突变特性来判断隧道稳定性。
2.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述步骤3)中的初期支护被视为等效均匀材料，其弹性模量的计算公式为
式中，Ag和Ac分别为初期支护钢架和喷混凝土层的截面面积；A为初期支护的总截面积，且A＝Ac+Ag；Eg和Ec分别为初期支护钢架和喷混凝土层的弹性模量。
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