隧道穿越破碎山体围岩稳定性研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 铁３８　道建筑　Ｊｕｎｅ，２００７　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３．１９９５（２００７）０６．００３８．０４　隧道穿越破碎山体围岩稳定性研究　陈根锁　（中铁十五局集团有限公司南京工程指挥部，南京２１０００２）　摘要：结合南京九华山隧道穿越破碎山体的工程实际，取断裂带近区山体围岩，建立双连拱隧道穿越断　裂带三维计算模型，对隧道开挖过程中破碎带围岩变形和应力情况进行三维非线性计算分析。从而判　断围岩是否稳定，并采取相应支护措施，为施工中需注意的重点部位提出建议。　关键词：围岩　断裂带　应力　变形　稳定性　中图分类号：Ｕ４５９．２；Ｕ４５１　．２文献标识码：Ｂ　南京九华山浅埋大跨双连拱隧道需穿越破碎山　双连拱隧道，不仅结构形式具有特殊性，且工程地质构　体，因“十运会”的召开，工期异常紧张。为保证工程正　常施工，就必须对隧道穿越破碎山体围岩稳定性进行　研究。　造、工程地质条件和水文条件极复杂，山体纵断面如图　１所示。　暗挖隧道不良地质为洞口淤泥段、断裂破碎带及　断裂破碎影响带。隧道所经围岩类别为：Ｉ、Ⅱ、Ⅲ类　１　工程概况　九华山暗挖隧道（Ｋ５＋３０５～Ｋ５＋７５０，全长４４５　ｍ，（普氏分类）。岩体地下水渗透性强且不均一，地下水　位较高，开挖面以上水头高达１４　ｍ，且涌水量大，易产　生突发涌水危害。　断面尺寸３２．５　ｍ　Ｘ　１０．８　ｉｎ）是目前国内跨度最大的　；ｌ　秦虹大桥翻Ｏ　—■　一　辨　＋靠ｒ　面，／　一，—一　蠢磊’　《　／　／　／　／／　／　ｒ　ｌｕ　／　／　　。Ｉ／　ｆ　Ａ　／　，／／１，　ｍ　ｋ／ｌ　，　　１　！　ｌｈ／　／，＼、＼　＼　．　、～　。。！　／　／一　７－　／／／　，／　　图１　九华山山体纵断面示意图　２隧道围岩破坏机理　围岩的破坏机理是力学分析的基础，因此研究隧　道围岩的稳定性，必须明确隧道围岩的破坏机理。　２．１岩石的破坏机理　图２岩石的破坏方式示意图　岩石的应力、应变增长到峰值以后，岩石就要发生　破裂。图２是岩石两种破坏方式的应力一应变曲线。　从破坏机制的角度看，岩石的破坏机制有张裂破坏、剪　切破坏和塑性流动破坏。　２．２　围岩的破坏方式与破坏机制　围岩的破坏方式和破坏机制本质上同岩石一样，　互相渗透。围岩的破坏方式也有脆性破坏和延性破　坏。常见围岩的破坏方式和破坏机制如表１。　３　围岩稳定性及其分析方法　３．１　围岩稳定分析的基本途径　　・但具有较强的综合性，有时不是单一的破坏过程，而是　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第６期　隧道穿越破碎山体围岩稳定性研究　３９　表１常见隧道围岩的破坏方式　破坏方式　破坏机制　破坏形式说明　脆性　张裂　应力超过抗拉强度，层状围岩在　顶部、侧墙折断，沿结构面拉裂　延性　剪切　应力超过抗剪强度，沿结构面滑　移，侧墙产生剪切破坏　延性　塑性流动　围岩遇水膨胀，产生塑性流动延　性破坏　围岩稳定分析途径可以分成两大类型，第一类是　立足于经验统计，如工程类比法；第二类是着重于理论　和数值分析，如块体极限平衡法、有限单元法、边界元　法、离散元法、拉格朗日元法等。　３．２围岩稳定分析方法　由于拉格朗日元法优越于其它分析方法，因此，本　研究采用该方法进行数值模拟。拉格朗日元法采用差　分方法求解，首先要将求解的区域划分成四边形的网　格，在边界和巷道周围等不规则处也可用三角形网络　拟合。拉格朗日元法的计算循环如图３所示，假定某　一时刻各个节点的速度为已知，则根据高斯定理可求　得单元的应变率，进而根据材料的本构关系就各单元　的新应力，进入下一个计算循环。．　图３拉格朗１３元法的计算循环　４三维计算模型的建立　根据《地质超前预报报告》、《岩土工程勘察报告》　等资料建立九华山隧道暗挖段Ｋ５＋３７５　Ｋ５＋５０９的　三维模型图，如图４所示。此段隧洞穿越长度为１３４　ｍ　的山体，断面形式为双连拱，中导洞跨度６　ｍ，高　８　ｍ；　两主洞跨度１４　ｍ，高１０　ｍ；断裂带水平宽度１２　ｍ，与水　平面夹角为３０。。采用三维数值计算程序分析双连拱　隧道穿越断裂破碎带变形和受力状况。模型按摩尔一　库仑模型考虑，各项物理参数见表２。　断裂带与一般Ⅱ类围岩之间定义接触面，物理参　图４九华山隧道暗挖段山体模型　表２模型物理参数　围岩类别　岩体基本　变形模量　泊松比　粘聚力　内摩擦　重度　质量级别　Ｅ｜ＧＰａ　Ｃ，ＭＰａ　角，（。）　，（ｋＮ／ｍ３）　断裂带　Ｖ　１．３　Ｏ．３５　Ｏ．２　２７　２２．５　Ｉ类围岩　非断裂带　Ⅳ　６　Ｏ．３　Ｏ．７　３９　２４．５　Ⅱ类围岩　数为：粘聚力为２　ＭＰａ；内摩擦角为４５。；抗剪刚度为５０　ＭＰａ／ｍ；标准刚度为５０　ＭＰａ／ｍ；厚度为０．１　ｍ。　模拟开挖过程中，选取三个主隧道截面，分别为　Ｋ５＋３９５、Ｋ５＋４４５和Ｋ５＋４８５进行监测。　５破碎带山体变形计算及分析　表３所示为隧道开挖变形量计算值。　模拟开挖各监测点的沉降量见图５　图６。图中，　横坐标表示开挖进深，单位ｍ；纵坐标为观测点变形　量，单位为ｍｍ。破碎带进尺大约为Ｋ５＋４３０　４６０。即　开挖进深５５—８５　ｍ范围。破碎带的下沉量最大，入口　处的变化次之，通过破碎带后的围岩变化量最小。　图５顶拱下沉量曲线　＿一　—ｒ＿　ｊ　－　．ｒ．　－＿ｒ●－—　．▲●　Ｍ‘▲－　■■■‘　０　５Ｏ　１ＯＯ　１５Ｏ　开挖距离／ｍ　图６仰拱下沉量曲线　维普资讯 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铁道建筑　ｍｍ　６２　ｍ　１．Ｏ４３　０．８７４　０．７８０　１，６２１　１．４６１　表３隧道变形量计算值　开挖距离　拱顶下沉量　Ｋ５＋３９５　仰拱下沉量　收敛量　拱顶下沉量　Ｋ５＋４４５　仰拱下沉量　１０　ｍ　０．９６７　０．８８９　０．０３４　１，６２３　１．５０ｏ　２０　ｍ　１．０１８　Ｏ．９１５　０．０１６　１，６２８　１．５０５　３０　ｍ　１．０４９　０．８８８　０．５８０　１，６３４　１．５１０　４０　Ｉｉ＂１　１．０４９　Ｏ．８８１　０．４２０　１，６３９　１．５１６　５０　ｉｎ　１．０４４　０．８７５　０．７７０　１．６４１　１．５１８　７４　ｍ　１．Ｏ４８　０．８７６　０．７８０　１．６８４　１．４５７　８４　ｍ　１．０５３　０．８８１　０．７８０　１．９２０　１．５ｏ４　９５　ｍ　１．０５３　Ｏ．８８１　０．６７０　１，９２０　１．５０８　１１Ｏ　ｍ　１．０５６　Ｏ．８８１　０．５０ｏ　１，９３０　１．５１０　收敛量　拱顶下沉量　Ｋ５＋４８５　仰拱下沉量　收敛量　０．Ｏ６０　０．５８３　０．４９６　０．０３４　０．０６０　０．５８８　０．４９６　０．０３０　０．０８０　０．５８８　０．４９６　０．０７６　０．１２０　０．５８８　０．４９６　０．０８４　０．１２０　０．５８９　０．４９７　０．１１６　０．８６０　０．５９　０．４９８　０．１０ｏ　１．７０ｏ　０．５９３　０．５０ｏ　０．１０ｏ　３．６ｏＯ．　０．５９５　０．５０ｏ　０．１３０　１．７０ｏ　０．５９７　０．５Ｏ４　０．１７０　１．７０ｏ　０．６２２　０．４９２　０．１０ｏ　重１　．．，．　一　’　’　●—ｒ＇。　▲　—＿’　２０　４０　６０　８０　１００　１２０　塞　０　◆　◆　．．．．…・月　－●　Ｊ＿．，　●◆—　’　１００　１２０　ｏ　２０　４０　６０　８０　１００　１２０　０　０　２０　４０　６０　８０　开挖距高，ｍ　（ａ）Ｋ５＋３９５截面收敛量曲线　开挖距离／ｍ　（ｂ）Ｋ５＋４４５截面收敛量曲线　开挖距离，ｍ　（ｃ）Ｋ５＋４８５截面收敛量曲线　图７三个主隧道截面的收敛量曲线　如图７所示为Ｋ５＋３９５、Ｋ５＋４４５、Ｋ５＋４８５三个主　隧道截面的收敛量曲线图。　Ｋ５＋３９５截面距洞口２０　ｎｌ，收敛量曲线在开挖到　Ｋ５＋３９５截面附近时出现波动，在开挖到５５　ｍ～８５　ｍ　变化较小，开挖至破碎带，收敛量曲线斜率显著增大，　通过破碎带后收敛量曲线变化率略为减小。　６数值计算结果与原位观测对比分析　表４所示为施工监测提供的隧道收敛量监测数　范围，进入破碎带，收敛量曲线斜率明显增大，通过破　碎带后收敛量曲线趋于平缓。　Ｋ５＋４４５截面距洞口７０　１＇／１，处于破碎带中，收敛量　曲线在开挖之初变化很小，开挖至接近Ｋ５＋４４５截面　据。图８所示为隧道收敛量曲线。由于仪器布设等因　素的制约，在实际监测中无法监测未开挖断面的变形　情况。选取收敛量计算值曲线与实际监测范围一致的　区段，与实测值曲线进行比较，曲线走势相似，可以此　证明计算值的准确性。　时收敛量稍有增加，当开挖至破碎带，收敛量曲线斜率　显著增大，通过破碎带后收敛量曲线变化率略为变小。　Ｋ５＋４８５截面距洞口１１０　Ｉｎ，收敛量曲线在开挖初　表４隧道收敛量监测值　ｍｍ　开挖距离　３０　ｍ　４０　ｍ　５０　ｎｌ　６０　ｍ　６３　ｍ　６５　ｍ　７０　ｍ　７４　ｍ　８０　ｎｌ　８３　ｍ　８５　ｍ　９３　ｎｌ　９５　ｍ　１０ｏ　ｍ　１１０　ｍ　Ｋ５＋３７５　１．６　０．４８　０．０１　０．３２　０．３８　０．２６　０．２９　０．２１　０．０６　０．０２　Ｋ５＋４４５　Ｋ５＋４８５　２．７６　１．６５　０．０７　０．１７　０．１５　０．０２　０．３１　０．２８　０．２９　Ｏ．１９　０．１３　Ｏ．１１　０．２２　Ｏ．１７　Ｏ．３１　ｌ０　一　主　８　羹　４　０　２０　４０　６０　８０　ｌ００　０　０　Ｊ　，　—１　　，　厂一　上ｆ　ｆ＿ｒ　Ｙ　●　Ｆ　ｌ＝　兰笪ｌ　，　：．——　５０　ｌ００　１５０　开挖距离／珂　（ａ）Ｋ５＋３９５截面计算值曲线　开挖距离／ｍ　（ｂ）Ｋ５＋４４５截面计算值曲线　开挖距离／ｍ　（ｃ）Ｋ５＋４８５截面计算值曲线　图８三个截面收敛量实测值与计算值曲线　维普资讯 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铁２００７年第６期　道建筑　４１　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３．１９９５（２００７）０６．００４１・０３　地铁运行引起地表振动的现场测试与分析　郑　晓，刘胜群　（江西理工大学经济管理学院，江西赣州　３４１０００）　摘要：通过对上海地铁一号线某区段进行的现场测试，对地铁运行所引起的地表振动规律进行了分析。　测试结果表明：在轨道结构上振动速度时程曲线呈现准周期特性，振动具有明显的脉冲、尖峰特性。列　车速度越高，高频振动所占的比例越大，但振动主要为低频振动。相比于轨道结构的振动速度曲线，地　面振动速度时程曲线表现出振动经过一定距离传播后相互叠加的特性，振动速度的幅值也有大幅度的　减小。随着距轨道距离的增大，速度的幅值也逐渐衰减。　关键词：地铁振动现场测试　中图分类号：Ｕ２３１文献标识码：Ｂ　地铁列车振动对周边环境的不利影响已逐渐被现　物的振动水平，通过不同测点数据传递函数分析，研究　了波的传播规律。Ｊｏｒｇｅ．Ｊａｋｏｂｓｅｎ对不同类型场地土的　振动随距离的衰减规律进行了研究。一般而言，地铁　交通引起的环境振动，振幅和能量都比较小，从安全的　代地铁设计所重视。其中列车荷载引起的低频振动由　于其衰减缓慢传播距离远，通常影响范围达线路两侧　１００　２００　ｍ，且对周边建筑中的低频高精度仪器的工　作环境影响较大，成为减振隔振的重点…。目前，分　析地铁列车所引起的环境振动最直接、最有效的手段　是通过现场测试。虽然现场测试的费用（包括人力、物　角度讲，它不会造成象地震那样的剧烈损害。但是，这　种振动的作用是长期存在和反复发生的。长期作用于　建筑物，将引起结构的动力疲劳和应力集中。严重时　还会引起结构的整体或局部的动力失稳，如地基产生　液化、基础下沉或不均匀下沉，墙体裂缝，建筑物倾斜　甚至局部损坏，从而影响结构的安全和正常使用。　力、财力）比较高，但可以直接获得直观、可靠的振动信　息，从而有利于更好地理解振动产生的原理，振动特征　及各因素的影响效果等。本文通过对上海地铁一号线　某区段进行的现场测试，对地铁运行所引起的地表振　动规律进行了分析，得到了一些有益的结论。　２测试系统简介　２．１测试仪器　１地铁运行对环境的影响　Ｊ．Ｍｅｌｋｅ等提出了一种基于脉冲激励和测试分析　的诊断测试方法，用于预测城市区域地铁线附近建筑　测试仪器是由拾振器、电荷放大器、数据采集系统　以及电脑组成。将加速度计固定在测点上，记录列车　经过时的地面振动加速度时程曲线。通过电荷放大器　７结论与建议　由图５一图７的各监测点变形量计算结果可见，　变形的分布规律是从山体中部向一侧逐渐变小，在岩　性较差的部分，随着向岩性较好区域发展，变形量显著　前的最大应力值出现在山体模型底部，而开挖后应力　最大值大致出现在岩性较好区域中部。尤其在应力集　中的隧洞侧壁及基底位置需要重点加强。　参　考　文　献　降低，在岩性较好部分变形量变化比较平缓，接近隧道　口部，变形量分布趋于稳定；沿隧道纵向隧道拱顶变形　较大，隧洞与安全通道的交接点变形量也较大，说明此　处在隧道施工中应予以重点注意。　［１］申玉生．双连拱隧道围岩稳定性模型试验研究［Ｊ］．公路隧　道，２００６，（１）：１．４．　［２］周小平．四角田隧道围岩稳定性三维有限元数值分析［Ｊ］．　重庆建筑大学学报，２００８，２８（１）：５９．６２．　隧道开挖围岩应力显示，开挖前及开挖之初山体　越往下应力值越高，开挖后，隧洞洞壁部位的应力值较　高，岩性较好区域的应力值比岩性差的区域高。开挖　修回日期：２００７—０２—２７　（责任审编　赵其文）