小净距公路(双洞)隧道围岩破坏模式研究
2021-07-03
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第18卷第3期 中国地质灾害与防治学报 V01.18 No.3 2007年9月 The Chinese Journal of Geological Hazard and Control Sep.2007 小净距公路(双洞)隧道围岩破坏模式研究 曹林 ,胡居义 ,黎冬林 (1.机械工业第三设计研究院,重庆400039;2.重庆交通科研设计院,重庆400067; 3.四川省煤田地质工程勘察设计研究院,四川成都610072) 摘要:我国是一个多山的国家。随着高速公路的迅猛发展,在山丘区修筑高速公路,由于线路及地形的限制,必然伴随 着大量公路隧道的出现。小净距隧道是目前公路隧道中最常见的一种型式。在我国目前还处于研究和发展阶段。论 文在现有单洞隧道围岩破坏模式分析的基础上,开展了小净距双洞公路隧道围岩破坏模式的研究。通过文献综述、 现场量测以及数值分析成果,归纳总结了小净距隧道的5种典型破坏模式:挤压破坏、拉伸破坏、中夹岩柱剪切破坏、 爆破震动破坏及复合型破坏。针对不同的破坏模式。论文详细阐述其破坏规律和特点,以便在设计中人们能够事先 知道其薄弱环节,在施工时能够及时采取有效的处理措施,从而确保整个隧道施工和运营的安全。 关键词:小净距公路(双洞)隧道;围岩;破坏模式;数值分析;重庆花沟遂道 文章编号:1003—8035(2007)03—0065—05 中图分类号:U456;U457 文献标识码:A 0前言 当隧道埋深较大,小净距隧道在后行洞的开挖过 程中,先行洞通常发生隧道四周向净空内收敛,整个 目前,很多学者对单洞隧道的破坏模式进行了大 隧道产生挤压变形。这种变形的发生往往产生围岩 量的研究“ ,并取得了丰富的研究成果。根据相关 的塑性变形和剪切变形。这种破坏模式称为挤压破 文献资料,一般单洞的破坏模式可以分为以下5种类 坏模式(图1)。 型:张裂塌落、块体落石破坏、剪切破坏与复合破坏、 岩爆破坏、潮解膨胀破坏。 \ 1 小净距隧道最显著的特点是两隧洞距离很近,中 夹岩柱(即软弱夹层)的厚度较薄,两隧道的相互影响 程度较大。小净距隧道的开挖方式复杂,开挖方法也 多种多样。在隧道施工过程中,隧道存在多次应力状 态,发生多次应力重分布,使得围岩的受力过程复杂。 图1挤压破坏模式 这在不同程度上都加大了对围岩的扰动,极大程度上 Fig.1 Failure mode of extrusion 破坏了围岩的原有平衡状态。因此其破坏模式除继 为了说明这种破坏模式的存在,本文以重庆花 承单洞之外,还有其自身的许多特点。 沟隧道ZK180断面的现场监测数据为例来说明。两 2围岩的破坏模式及规律研究 隧道净距15.0m,隧道埋深53.0m。图2(a)、2(b)、2 (C)分别为ZK180左隧道(先行隧道)拱顶下沉量测曲 根据地形地貌、不同的地质条件、隧洞断面形状 线、水平收敛量测曲线、隧道两侧拱腰测力锚杆轴力 尺寸、两隧道的净距大小,小净距隧道的破坏模式也 量测曲线。 不尽相同。本文通过大量相关文献资料、重庆金山大 现场量测结果表明,在后行洞开挖时,先行洞拱 道西延段花沟隧道现场量测成果以及数值分析等成 顶产生明显下沉,水平净空收敛也明显增大。由于后 果,总结归纳了小净距公路(双洞)隧道围岩主要的破 行洞的开挖引起先行洞洞拱顶附加下沉约4.5mm,引 坏模式。并将其划分为5种类型:挤压破坏、拉伸破 坏、中夹岩柱剪切破坏、爆破震动破坏、复合型破坏。 收稿日期:2006—07—24;修回日期:2007—05—25 以下分别述之。 作者简介:曹 林(1977一),男,结构工程师,硕士,主要从事 2.1挤压破坏 结构工程和岩土工程的设计与科研工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国地质灾害与防治学报 66 ZH0NGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO 2007钲 一Ⅲ田v删髓 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 20 40 60 时间(d) (a)拱顶下沉 1 1 ^1 目1 疑l 20 40 60 时间(d) (b)水平收敛 35.0 30.0 25.0 。2O・O 霉15.0 撂10.0 5.0 0.0 (c)锚杆轴力 图2花沟隧道左洞ZK180现场量测曲线 Fig.2 Measured curves of HuaGou left tunnel ZK180 1一右侧锚杆最外测点;2一左侧锚杆最外测点 起附加水平收敛位移约2.0mm(图2)。另外,从锚杆 的轴力变化图来看,由于后行洞的开挖引起先行洞左 右两侧锚杆轴力均增加。表明两侧均向隧道净空内 收敛。上述综合分析表明,由于后行洞的开挖使得先 行洞整个向洞内收敛,隧道截面变小(图2)。 当出现挤压破坏模式时,往往存在以下情况: 2.1.1 先行洞围岩压力明显增大,隧道周围压应力 增大。当压应力大于岩体抗压强度时,岩体出现压碎 现象,并产生剪切破坏。隧道周围塑性区增大,当塑 性区扩展到一定程度时,隧道发生破坏。 2.1.2 当先行洞的二衬在后行洞开挖前未施作时, 由于隧道向净空内收敛,整个隧道断面变小,有可能 出现二衬截面达不到设计要求。即隧道开挖预留宽 度不够的情况。 2.1.3 当先行洞的二衬在后行洞开挖前已经施作 时,由于隧道围岩向净空内收敛,使得二衬所受压力 日 增加。有可能使得二衬的安全储备不够。更严重者,0 帅 当二衬强度达不到抵抗由于后行洞开挖引起增加的 围岩压力时,二衬开裂。从而整个隧道失稳破坏。6 日 2 2.2拉伸破坏 拉伸破坏有两种情况:一种是先行隧道远离后行 隧道的拉伸破坏,本文称之为远离型拉伸变形破坏模 式;另一种则是先行隧道向后行隧道靠拢的拉伸破 坏,本文称之为靠拢型拉伸变形破坏模式。这两种破 坏模式产生的条件不同。 当隧道埋深较小,或者虽然埋深较大,但是地层 水平应力较大时,在后行洞的开挖过程中,先行洞通 常发生向后行隧道靠拢的拉伸变形。即靠拢型拉伸 变形(图3)。另一种情况是隧道存在偏压。当先行 洞在埋深深的一侧,而后行洞在埋深浅的一侧时,一 般由于后行洞的开挖使得先行洞出现靠拢后行洞的 拉伸变形模式。 i 、 lf-l/ ’ \ f 先行隧道 马 {应 f 1 后仃隧道 { 图3靠拢型拉伸变形破坏模式 Fig.3 Failure mode of closed extended 另外,隧道存在偏压时,当先行洞在埋深浅的一 侧,而后行洞在埋深深的一侧时,一般由于后行隧道 的开挖使得先行隧道出现远离后行隧道的拉伸变形 模式(图4)。 本文以重庆花沟隧道ZK115断面的现场监测数 据为例来说明。两隧道净距10.0m,隧道埋深15.0m。 图5(a)、5(b)、5(c)分别是左隧道拱顶下沉现场量测 曲线、水平收敛量测曲线、隧道两侧拱腰测力锚杆轴 力量测曲线。 现场量测结果表明,在右洞开挖时,左洞拱顶产 生下沉。左洞水平净空收敛略有增大,幅度很小。从 锚杆的轴力变化图来看,由于右洞的开挖引起左洞左 维普资讯 http://www.cqvip.com 7 6 5 一ⅢⅢ一删徵蟮踊 4 3 2 l 0 8 7 6 5 4 3 2 l O 一 一巅 第3期 曹林,等:小净距公路(双洞)隧道围岩破坏模式研究 67 船/ //一 、 、 ■ 图4远离型拉伸变形破坏模式 Fig.4 Failure mode of extended distorion 0 10 2O 3O 4O 5O 6O 时间(d) (a)拱顶沉降 0 10 20 3O 4O 5O 60 时间(d) (b)水平收敛 3O 一25 20 15 姆lO O 0 10 20 30 40 5O 6O 时间(d) 日1 日2 fc1锚杆轴力 图5花沟隧道左洞ZKll5现场量测曲线 Fig.5 Measured curves of HuaGou left tunnel ZKll5 1一左侧锚杆最外测点,2一右侧锚杆最外测点 侧锚杆轴力增加,而右侧锚杆轴力减小,表明隧道向 右侧隧道倾斜。上述综合分析表明,由于右洞的开挖 使得左洞整个向后行隧道靠近。好象右洞的开挖对 左洞产生拉伸作用似的。 由于后行隧道对先行隧道的拉伸作用,使得先行 隧道产生偏压。整个隧道向一侧倾斜。当发生这种 变形趋势时,往往出现以下情况: 2.2.1 当先行洞的二衬在后行洞开挖前未施作时, 由于隧道向一边倾斜,必然使得隧道围岩一侧切向拉 应力增加。另一侧切向压应力增加。如果单洞开挖 情况下围岩侧边的压应力小于增加的拉应力,那么围 岩受拉,容易产生拉破坏。同样,增加压应力围岩可 能产生剪切破坏。 2.2.2当先行洞的二衬在后行洞开挖前已经施作 时,由于隧道向一边倾斜,必然使得一侧二衬弯矩增 大。另一侧减小。甚至出现拉应力。也有可能使得 二衬的安全储备不够,二衬开裂。从而整个隧道结构 失稳破坏。 2.3中夹岩柱剪切破坏 小净距隧道最重要的一个特点是中夹岩柱(即软 弱夹层)厚度较薄,特别是当中夹岩柱厚度小于0.7B 洞跨度时,通常隧道围岩破坏从中夹岩柱破坏开始。 中夹岩柱较薄,由于隧道的开挖,围岩应力重分布,竖 向应力向中夹岩柱转移,使得中夹岩柱压应力集中。 如果侧壁支护结构强度不够或者没有采取很好的支护 措施,那么岩柱由原来的三向受力状态转变为双向受 力状态。大量试验资料表明,围岩双向受力状态的承 载能力,要低于三向受力状态,且中夹岩柱竖直方向产 生较大压应力而水平方向则出现很大的卸荷区。侧向 产生很大的塑性膨胀,极大程度降低其承载能力,中夹 岩柱发生塑性流动,产生剪切破坏。图6是近距大跨 隧道在岩柱厚度较小的情况下,整个中夹岩柱出现塑 性区。其左右两侧塑性区贯通,发生剪切破坏。 (一图6中夹岩柱剪切破坏模式 ) Fig.6 Failure mode of shear for rock pillar (注:图为数值模拟的围岩等效塑性应变云图, MX表示出现最大等效塑性应变的位置) 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国地质灾害与防治学报 68 ZH0NGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO 2.4爆破震动破坏 《公路隧道设计规范》规定,为了确保小净距隧道 的安全,应对相邻双洞最大临界震动速度按净距、围 岩级别、支护实施阶段分别进行控制。最大临界震动 速度可通过试验确定。无资料时可参照《爆破安全规 程》(GB 6722)取值。 爆破震动是小净距隧道施工中很关键的一个环 节。现场测试及分析表明,在后行隧道爆破开挖中, 靠近后行隧道的先行隧道侧墙围岩的爆破震动加速 度、速度、位移明显大于远离后行隧道的一侧侧墙。 且围岩径向最大位移明显大于切向最大位移 。 以重庆花沟隧道进口端的爆破震动测试数据为例说 明,监测组采用TOPBOX508S振动信号自记仪进行爆 破震动测试,主要测试4个数据。即靠近后行隧道的 先行隧道侧墙和远离后行隧道的先行隧道侧侧墙围 岩的水平震动速度和垂直震动速度(图7)。 从图7看出,靠近后行隧道的先行隧道一侧侧墙 爆破水平振动最大速度为14.115cm/s,垂直振动最大 速度为5.834cm/s;远离后行隧道一侧侧墙爆破水平 振动最大速度为4.705cm/s,垂直振动最大速度为 1.882cm/s。表明中夹岩柱的爆破震动速度远大于隧 道另一侧。且水平震动速度也明显大于垂直振动速 度。因此,后行隧道在开挖爆破施工中对先行隧道影 响较大。 如果没考虑到后行隧道施工对先行隧道爆破震 动的影响,爆破药量过大,那么很可能由于爆破震动 使得先行隧道围岩受到较大干扰。当爆破震动速度 超过规范值或围岩的承受能力时,围岩发生破坏。如 果后行洞开挖前先行洞已经施作了二衬,那么也可能 使得先行隧道防水层开裂、二衬结构层开裂破坏。 2.5复合型破坏 隧道围岩的破坏模式多种多样。往往小净距公 路隧道的破坏不仅单独存在以上某一破坏模式,一般 都伴随着多种破坏模式。如双洞的变形模式往往伴 随着单洞情况破坏模式产生。双洞的破坏模式也往 往是几种变形模式的组合。如挤压变形时通常伴随 有拉伸变形或者爆破震动破坏。中夹岩柱剪切破坏 也往往伴随有挤压变形和拉伸变形的存在。本文把 以上多种破坏模式的组合称为复合型破坏。 3结论与建议 本文通过对小净距(双洞)公路隧道围岩破坏模 (a)靠近后行隧道的先行隧道侧墙爆破水平振动波形 IlIJI JI l山… … … Ifl『『lII ” 。 一…一 (b)靠近后行隧道的先行隧道侧墙爆破垂直振动波形 v(cm/s) ~ … (c)远离后行隧道的先行隧道侧墙爆破水平振动波形 v(cm/s) .1. 1I. ,’ " (d)远离后行隧道的先行隧道侧墙爆破垂直振动波形 图7小净距隧道爆破震动测试曲线 Fig.7 The blasting vibration curves of dose spaced tunnels 图中: 一指爆破震速;£一爆破延迟时间 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 曹 林,等:小净距公路(双洞)隧道围岩破坏模式研究 69 式的研究,将其归纳为5种典型破坏模式。并对其破 式研究[J].岩石力学与工程学报,2007,23(s2):4921— 坏模式的产生原因及条件进行了详细的分析。 4925. 小净距隧道围岩的破坏模式受多方面因素的影 [6] 关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京:人民交通出 响。本文仅仅从现有文献资料、现场测试及数值分析 版社,2003. 成果归纳总结,可能不全面、不完善。因此有必要开 [7] 王明年.邻近隧道施工对既有隧道的影响[D].成都:西 南交通大学,2002. 展多种工况下的小净距隧道的模型试验,并与现场测 [8] 刘惠.招宝山超过小净距双线隧道的安全控爆研究 试成果进行比较,从而更全面的分析在不同条件下的 [J].工程爆破,2003,6(1):49—55. 破坏规律和特点。 [9] 姚勇,何川,晏启祥,等.董家山隧道小净距段爆破控制 的数值模拟[J].岩土力学,2004,25(SO):501—506. 参考文献: [1O] 姚勇,何川,晏启祥,等.董家山隧道小净距段爆破控制 『1] 王思敬,杨志法,刘竹华.地下工程岩体稳定分析[M]. 研究[J].公路,2005,(11):212—216. 北京:科学出版社,1984. 刘慧.邻近爆破对既有隧道影响的研究[D].北京:铁道 [2] 朱玮,许劲松.破裂结构围岩破坏模式的模糊数学分析 部科学研究院,1998. [J].大连理工大学学报,1990,30(2):221—226. [12] 阳生权.小线间距施工隧道爆破地震影响下既有隧道 [3] 赵洪波.围岩破坏模式识别的支持向量机研究[J].岩 围岩线性动力分析[J].工程爆破,1998,4(1):1—6. 土力学,2005,26(2):235—238. [13] 阳生权,刘宝琛.小间距平行隧道爆破震动加速度测试 [4] 高玮,杨明成,郑颖人.隧道围岩破坏模式的进化神经 [J].爆破器材,1999,28(6):1—4. 网络识别[J].岩土力学,2002,23(6):691—694. [14] 彭道富,李忠献,杨年华.近距离爆破对既有隧道的振 [5] 赵兴东,段进超,唐春安,等.不同断面形式隧道破坏模 动影响[J].中国铁道科学,2005,26(4).73—76. Failure modes of wall rocks of adjointing tunnels CAO Lin。,HU Ju—yi ,LI Dong—lin (1.Third Design and Research Institute..MI China,Chongqing 400039,China; 2.Chongqing Communications Research&Design Institute,Chongqing 400067,China; 3.Investigation and Design Research Institute of Sichuan Coal Field Geological Engineering,Chengdu 610072,china) Abstract:China is a mountainous country,with the quickly development of highway,highway tunnels necessory because of the restrictions of terrain and line,.neighburhood tunnels is the most common types of highway tunnels,is under research and development phase.This paper is based on the analysis of failure mode of single tunnel,develop the study of the neighburhood two tunnels’failure mode.and classifies its failure mode into five typical models according to the conclusion of liteIaltuI-e summarize、measurement and numerical calculation as follows: )failure mode of extrusion;②failure mode of extended;③failure mode of shear for middle rock pillar;④failure of blasting vibration;⑤failure of composite type.This article particularly expatiate on the characteristics in allusion to different failure mode,SO designer can advanced realize the weakness and take effective measures in the process of construction. Key words:adjointing tunnels;wall rocks;failure modes;numerical analyses;Huagou tunnel,Chongqing