围岩稳定性（共10篇）
围岩稳定性 篇1
地下工程围岩的稳定性对工程的正常运营是至关重要的。地下工程围岩的稳定性主要与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关[1], 并且还与开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。本文将对围岩稳定性监测的手段进行讨论, 详细的论述利用锚杆工作载荷与围岩稳定性的关系来全程动态检测围岩稳定性的方法。
1 地下工程围岩稳定性因素
1.1 岩石性质及岩体的结构
围岩的岩石性质和岩体结构是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度, 可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩, 塑性围岩主要包括各类黏土质岩石、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等, 通常具有风化速度快, 力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质, 故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要指各类坚硬体, 由于岩石本身的强度远高于结构面的强度, 这类围岩的强度取决于岩体结构。
从岩体的结构角度, 可将岩体结构划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体, 其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制, 结构面对围岩的影响不仅取决于结构面的本身特征, 还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。软弱夹层对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素, 软弱夹层的强度较低, 不利于隧道围岩的稳定。
1.2 岩体的天然应力状态
岩体的天然应力是岩体的自重应力、构造应力及残余应力在某一个具体地区以特定方式作用的结果。大量实践资料证明, 大多数地区岩体的天然应力状态水平应力大于垂直应力。一般情况下, 隧道轴向与水平主应力垂直, 以改善隧道周边的应力状态, 当水平应力很大时, 隧道方向最好与之平行以保证边墙的稳定性。岩体的天然应力对隧道的影响主要取决于垂直于隧道轴向水平应力的大小与天然应力的比值 (ζ) , 它们是围岩内应力重分布状态的主要因素。最大天然主应力的数量级及隧道轴向的关系, 对隧道围岩的变形特征有明显的影响, 因为在最大主应力方向围岩破坏的概率及严重程度比其他方向大。
1.3 地质构造
褶曲和断裂破坏了岩层的完整性, 降低了岩体的力学强度, 岩体经受的构造变动次数愈多, 岩层的节理裂隙就愈发育, 岩体的稳定性也就愈差。因此, 隧道应尽可能避免设在坚硬和软弱岩层之间的岩层破碎带、褶皱或断层带;在无法避免的情况下, 隧道应尽量设在坚硬岩层中, 或尽量把坚硬岩层作为顶层围岩。褶皱的形式、疏密程度、轴向与隧道轴线的交角不同, 围岩的稳定性不同, 这是由于褶皱的核部岩层受到强烈的张力和压力的作用, 故核部的岩层就比翼部的岩层破碎得多, 因此, 隧道横穿褶皱翼部比横穿核部有利。如果隧道通过断层, 断层宽度愈大, 走向与隧道轴向交角愈小, 在隧道内出露的愈长, 对围岩稳定性影响愈大。另外, 断层破碎带物质的碎块性质及其胶结情况也都影响围岩的稳定性。
1.4 地下水
围岩岩体中地下水赋存条件与活动状况, 既影响围岩的应力状态又影响围岩的强度, 进而影响隧道围岩的稳定。围岩中地下水状态一般可以分三级, 即干燥、有渗水、潮湿。实践证明, 只要隧道围岩是干燥的, 即便是通过软弱的或破碎的岩层时, 围岩的稳定性较好或危害比较微弱。当隧道处于含水层中或隧道的围岩透水性较强, 即隧道围岩中有渗水或潮湿时, 地下水对隧道围岩稳定性的影响比较明显, 主要表现在静水压力作用、动水压力作用、软化作用和溶解作用、对可溶岩体的溶蚀作用及对滑动面的润滑作用等。
2 围岩稳定性与围岩控制
围岩稳定性评价是地下工程围岩稳定性的基础, 也是地下工程规划选点、可行性评估、设计、工程造价定额预算及工程施工的重要依据。地下工程整体稳定性评价常采用的方法可以分为:定性评价法、解析分析法、数值计算及模拟试验法四大类。工程上主要采用定性评价法, 分类的目的是对围岩的整体稳定程度进行判断, 并指导开挖与系统支护设计。围岩分类的思路, 首先对围岩体质量进行评价, 然后结合考虑工程因素对围岩的稳定性进行判断;根据测试及类比, 建议供设计参考使用的地质参数;确定各类围岩的开挖、支护准则。一个比较科学、合理并符合地下工程围岩实际情况的围岩分类, 是人们正确认识地下工程围岩工程地质特性的共同基础, 可以指导工程地质勘测和地下工程设计及施工, 有助于合理选择设计理论和方法, 提供支护设计参数以及施工方法和施工工艺。围岩的稳定性主要是靠围岩本身的强度和支护的共同作用形成的共同体。
3 围岩稳定性监测
现场量测是新奥法的三大支柱之一。地下工程信息化施工主要是以现场量测为手段的一种设计、施工方法, 这种方法的最大特点是可在施工时一边进行隧道围岩变形及受力状态的各种量测, 一边把量测的结果反馈到设计、施工中, 从而最终确定施工方法、开挖顺序和支护参数, 使设计、施工更符合现场实际。
对于地下工程稳定性的监测与预报是保证工程设计、施工科学合理和安全生产的重要措施[4]。隧道新奥法施工技术就是把施工过程中的监测作为一条重要原则, 通过监测分析对原设计参数进行优化, 施工中坚持“预探测、管超前、严注浆、小断面、短进尺、强 (紧) 支护、早封闭、勤量测”的二十四字方针[5,6]。
4 锚杆工作载荷与围岩稳定性
锚杆作为支护系统的一个重要组成部分被广泛地应用于地下巷道围岩的加固与支护中。在这些工程应用中, 根据围岩的性质以及服务特点采用全长锚固锚杆、部分锚固锚杆以及端锚式锚杆, 对围岩进行加固。不同的锚杆甚至相距很近的锚杆中所承受的拉应力也由于锚固条件的不同而不同。即使是同一根锚杆由于开挖过程中应力的重新分布, 锚杆的受力也会在服务期限内发生改变。这些应力的作用会造成锚杆位移甚至断裂, 大大降低了支护系统的稳定性。锚杆的安装作业以及操作工人的锚固技巧也影响锚杆中的预应力与锚固质量, 因此, 非常有必要对锚固质量、锚杆的完整性以及锚杆中的应力状态进行实时监控。当前的检测手段主要是以破坏性的测试方法为主, 给工程施工带来很多不方便。
地下结构围岩稳定性处在随时空不断变化的状态之中, 是一个非确定性问题。在围岩及其支护结构失稳之前采取有效的加固措施, 达到主动控制围岩变形及其稳定性的目的。围岩应力的动态、实时监控可为我们超前获取围岩压力活动信息, 主动采取必要的控制措施提供有效可靠的技术手段。
锚杆无损监测是近年来发展的一项新的监测技术。基于锚杆荷载无损检测的地下结构围岩稳定性评估与预测, 就是在巷道围岩变形的关键点处, 通过特征锚杆在激发荷载作用下动态响应 (加速度) 的现场检测和实时分析, 获取特征锚杆工作荷载的变化信息, 随时掌握巷道围岩压力与变形的活动规律。根据锚杆工作荷载与围岩变形特征的对应关系, 对地下结构围岩及支护结构的稳定性做出实时判断和安全评估[7,8]。为地下支护结构的优化设计、加固补强提供及时可靠的决策依据。变信息相对滞后为超前获取, 被动防护为主动加固。
5 结语
地下工程围岩稳定性是一个极其复杂的问题, 在实际工程中更是受到了许多因素的影响。许多学者花费了大量时间与精力研究这个问题, 在巷道支护参数的确定方面取得了很大进展。在围岩稳定性监测方面, 提出了许多检测手段与方法, 但是, 在实际施工过程中, 大多数检测手段还是以经验为主, 所以, 把监测数据与围岩稳定情况联系起来并且能够定量分析成为了学者近年来研究的重点, 本文介绍的利用锚杆无损监测把锚杆工作载荷与围岩稳定性评价联系起来的方法是很有效的, 这种方法拥有定量分析、全程监测、不会损坏锚杆 (原有支护强度) 等优点, 值得大力研究发展。这种监测体系的建立必然对地下工程施工有重大的推动作用。
摘要：对影响地下工程围岩稳定性的自然因素进行了详细分析, 讨论了围岩稳定性与围岩控制的方法与思路, 介绍了围岩稳定性的监测方法和手段, 论述了锚杆工作载荷与围岩稳定性的相互关系, 用锚杆无损监测的方法来全程监测围岩稳定性对研究围岩稳定及工程施工具有很大的指导意义。
关键词：围岩稳定性,锚杆,围岩控制,锚杆无损监测
参考文献
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围岩稳定性 篇2
文章结合始祖山公路隧道工程,采用数值模拟方法对该隧道施工全过程进行分析,并结合现场监测数据对模拟结果进行比较.结果表明:数值模拟结果与现场监测数据相近,具有较高的`可靠性,通过数值模拟可以有效的反映隧道开挖施工过程中围岩的变形情况以及可能出现的危险情况,对隧道的施工有一定的指导意义.
作 者：蒋国富 贾艳领 戴文远 JIANG Guo-fu JIA Yan-ling DAI Wen-yuan 作者单位：广西交通科学研究院,广西,南宁,530007 刊 名：西部交通科技 英文刊名：WESTERN CHINA COMMUNICATIONS SCIENCE & TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(1) 分类号：U452 关键词：公路隧道 数值模拟 软弱围岩 围岩位移 隧道监测
围岩稳定性 篇3
[关键词] 锚喷支护 围岩松动圈支护理论 悬吊支护理论
锚喷支护是目前我国煤矿应用最多的支护形式。据统计，我国每年锚喷支护的巷道达1000km以上。但长期以来，对锚喷支护机理缺乏统一的认识，锚喷的支护参数确定一直沿用工程类比法。最近几十年来出现的围岩松动圈支护理论能够合理地解释锚喷支护机理，明确支护对象，准确地确定支护参数，受到力学界的高度重视。该理论在现场得到了广泛应用，并取得了较为显著的经济效益。
1、围岩松动圈与支护的关系
围岩松动圈是开巷后的次生应力和岩体自身强度相互作用而形成的松弛破碎带。按照该理论，中等稳定岩石的松动圈在0-0.4m和0.4-1.5m之间，围岩松动圈的大小现在可以用专用仪器准确测出。并且，围岩松动圈的大小与支护的难易程度成线形关系（正相关）。这样它就解决了以往任何支护理论均未解决的支护对象问题，由此支护的机理和支护的作用得到了合理的解释。
2、小松动圈围岩的支护机理
对于这类围岩，因为其整体性好，松动圈较小，一般在0.4m之内，一般可不进行支护或弱支护。但为了防止围岩风化，可进行简单的喷砼支护。根据喷砼支护机理，可按以下方法确定。
（1）按冲切破坏计算
本设计是按最不利条件，即假定从拱基线左、右两点开始，在与水平面成70度的方向上的两条裂隙交于一点，造成三棱柱围岩的冒落而作用于喷层，使喷层冲切破坏，计算时，巷道轴线方向取1m长计算。
最大围岩的重量G=B2/4×（tg70。-π/2）×1×y----（1）
式中:B---巷道跨度， m；
y---岩石容重，t/m3；
围岩与喷层接触面的周长U≈πR+2；
抵抗冲切的最小喷层厚度T=G/（P×U）-----------（2）
式中：P---砼抗拉强度，取P=6kg/cm2；
（2）按粘结破坏计算
T=3.65[G/（U×R）] 4/3×（K×/E）---------------（3）
式中：R------设计粘结强度，R=3kg/cm2；
K------岩石的弹性拉伸系数，K=1000kg/cm2；
E-------喷层的弹性模量，E=1.29×105 kg/cm2；
3、中松动圈围岩的支护机理及应用实例
松动圈在0.4-1.5m的围岩，碎胀变形较大，因此采用锚喷联合支护。锚杆的作用是将松动圈内的岩体悬吊在松动圈以外的岩体上，即悬吊作用。锚杆是主要的支护结构，喷射砼则仅对围岩进行封闭和对锚杆间围岩起局部支护作用。工业性实验证明，中等松动圈以悬吊支护理论进行支护设计，机理明确，参数合理，支护效果好，经济效果明显。例如羊场湾煤矿一号副斜井，掘进断面为12.3 m2，该井筒穿过砂岩、细砂岩和粉砂岩，为中等稳定岩层。设计中采用∮14mm钢筋砂浆锚杆，参数计算如下：
（1）锚杆长度L
L=Lp+H1+H2-------------------------------- （4）
式中：Lp-----围岩松动圈尺寸， mm；
H1----锚入松动圈以外岩体的长度，取300 mm；
H2----锚感的外露长度，取50mm；
L=1500+300+50=1850 mm；设计中取1900 mm。
（2）锚杆间、排距
Q= Lp×D2×y--------------------------------（5）
式中：Q-------锚杆的最小锚固力，t；
D-------锚杆的间排距，m。
实测该类锚杆的最小锚固力为16.7kN（计算取1.7 t），岩石的平均容重为2.55 t/ m3，计算其间排、距为：
D=[Q/（Lp×y）]1/2-----------------------------（6）
经计算D=0.86 m，取0.8 m。
该井筒自2004年10月竣工以来，至今完好，与其他理论指导下的锚喷支护形式相比，每米巷道可节省117.45元，共节省投资117.45元/ m×1034 m =12.14万元，工期提前56天。
4、技术经济效益分析
对于中等稳定岩层，传统的支护工艺是料石砌碹和普通锚喷支护，锚喷支护参数多沿用工程类比法，因而支护参数确定不准确。按照围岩松动圈的大小来确定支护参数，其数据是准确的、合理的。
分析灵武矿区岩层状况，大多属于中等稳定岩层，其围岩松动圈均在0.4-1.5 m之间。因此，研究围岩松动圈支护理论，按照松动圈锚喷支护机理，推广应用锚喷支护技术，在灵武矿区的开发建设中有重大意义。
参考文献：
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土体隧洞围岩稳定性分析方法分析 篇4
1.1 破坏机理
在对土体隧洞进行开挖之前, 岩体基本上都处于一种天然应力平衡状态, 这种状态下的岩体相对比较稳定。当隧洞开挖之后, 由于隧洞自身形成了一个自由空间, 从而使原本的平衡状态遭到破坏, 原本处于挤压状态下的围岩, 在隧洞周边进行卸载后, 原有的支撑力消失, 岩体本身的应力获得了重新调整, 并向洞室空间变形, 此时, 若是洞体的应力大于岩体强度, 便会造成围岩破坏, 从而引起隧洞周围部分的岩体从母岩中分离、脱落, 严重时会导致围岩坍塌等恶性后果。
1.2 破坏形式
通常情况下, 岩土较为常见的破坏形式有以下两种:一种是拉裂破坏, 另一种是剪切破坏。前者具体是指岩土的拉伸应力超过土体本身的极限抗拉强度;后者则是指岩土剪切面上的应力超过峰值剪切强度。在自然条件下, 土体基本都处于受压状态, 它的破坏形式一般都市由剪切带发展而形成破裂面。在对隧洞围岩稳定性进行分析的过程中, 需要明确隧洞围岩是否存在破裂面及其所在的位置, 这也是研究隧洞破坏机理的关键性问题之一。为了便于分析, 下面采用一个较为简单的模型试验, 采用比例为0.2:0.6:0.2的水泥、石膏、滑石粉这三种材料模拟强度较高的土体, 并在模型土体当中挖一个浅埋隧洞, 然后使用压力机对模型施加压力, 当压力增加至30k N时, 隧洞两侧墙角的周围开始出现裂缝, 并逐步向墙体中心位置发展。当压力增至40k N时, 裂缝呈现出贯穿状态, 同时又相继出现了新的裂缝。当压力增大至56k N时, 裂缝继续扩展, 直至土体脱落。该试验表明, 随着压力的不断增大, 土体的裂缝会持续扩展, 直至土体破裂, 此时围岩则处于失稳状态。
2 土体隧洞围岩稳定性的分析方法
2.1 解析分析法
在对围岩稳定性进行分析的过程中, 常使用复变函数法计算围岩应力和变形, 由此能够获得弹性解析解。一般情况下, 解析法多数都被用于圆形隧道围岩稳定性求解, 如果隧洞的洞室为非圆形时, 便需要借助保角变换的方法, 在这一过程中, 映射函数是求解的关键之所在。解析法本身具有以下优点:精确度高、分析速度快、可进行规律性研究等等, 该方法比较适用于埋深较深的隧洞工程围岩稳定性分析。
2.2 有限元分析法
这是一种非常典型的数值分析法, 该方法自上个世纪70年代提出至今, 现已非常成熟。通过有限元分析, 能够求解弹性、弹塑性、粘塑性等问题, 是岩体应力应变分析较为常用的方法之一。有限元分析法比较突出的特点是在分析过程中考虑了岩体的不连续性和非均质性, 能够给出岩体应力分布和变形大小, 同时可以按照应力和应变规律对结构的变形破坏机理进行分析。采用有限元法对隧洞围岩稳定性进行分析时, 要充分考虑以下两个条件:其一, 要准确了解隧洞所在地的地质变化情况, 如岩体深部的岩性变化界限、节理裂隙的分布规律等等;其二, 要了解介质物性, 即岩体各个组成部分的复杂应力及其变化作用下的强度和变形特性等等。上述两个条件是分析中不可或缺的重要因素, 其直接关系到分析结果的准确性, 在实际应用中, 必须对此加以注意。
2.3 离散单元分析法
自DEM模型被首次提出后, 该方法在岩土工程问题的解决中获得了广发应用。该分析方法的基本思想是岩土之间的相互作用同时受表征位移、加速度的运动方程支配, 利用迭代求解, 能够显示出岩体的动态破坏过程。离散单元比较典型的功能是可以如实反映出岩块间接触面的滑移、倾翻等大位移情况, 同时, 还可以计算岩块内部的应力分布及变形情况, 借助动态松弛法求解动力稳定问题更加容易, 其常被用于分析节理岩体与锚杆的相互作用。
2.4 边界元法
该方法将偏微分方程转换为求解对象边界上的积分方程式, 再进行离散化之后求解。通过转换可以使解析对象降低一维, 这样一来对于常规的线性问题只需要对区域边界进行单元分割即可, 与其它分析方法相比, 边界元法具有计算时间较短、计算范围较大等优点。需要注意的是, 在应用该方法时, 要确保边界不是奇异边界, 否则会对分析计算造成影响。
2.5 不确定性分析法
大量的研究结果表明, 隧洞围岩稳定性的影响因素主要包括以下几种:地层岩性、地应力状态、构造面组合形态以及地下水赋存等。这些因素均具有不确定性的特点, 这种不确定性表现在随机性、模糊性等方面上。鉴于此, 可以采用模糊数学和可靠度的方法对岩体进行分析。自可靠性理论被广泛应用与岩土工程领域一来, 该理论获得了较为快速的发展, 并被引入到隧洞围岩稳定性的分析当中。以不同的岩体破坏判据为前提, 建立极限状态方程, 再借助概率的计算方法可以求出结构的破坏概率, 这样便可以对其稳定可靠性进行分析。由于隧洞工程及其稳定性的界限具有一定的模糊性, 所以也可应用模糊数学理论进行研究分析。采用模糊动态聚类法能够获得地下围岩的稳定性分类模式, 这为工程设计以及各种安全措施的制定提供了可靠依据。
2.6 试验分析法
该方法是研究岩体力学性质最为常用的方法之一, 通过相关试验能够准确获得岩体力学参数。例如, 通过回弹试验和摄影测量结果, 能够建立出结构面的抗剪切强度;采用岩体三轴卸荷试验能够分析出结构面夹角对岩体各向异性的影响规律;利用剪切试验可以获得不同正应力水平条件下的应力, 即变性关系曲线与剪切强度参数, 同时还可以估算出岩体的压缩模量, 这为隧洞边坡稳定性分析提供了可靠的计算参数。
2.7 其它方法
通过专家学者的不断研究, 提出了一些围岩稳定性分析的新理论和方法, 如非线性稳定性理论, 其中较为典型的有突变理论, 可以借助该理论及其相关方法来揭示围岩体破坏的演化过程;分形理论可以预测出围岩的失稳破坏。此外分析方法有人工神经网络、灰色模型等等。这些理论和方法的提出, 为围岩稳定性分析提供了新的途径。
3 结束论
总而言之, 隧洞围岩失稳是一个较为复杂的过程, 在这一过程中, 常常会伴随出现变形和位移, 其属于非线性科学方面的问题。为了对其力学行为进行准确的预测和控制, 就需要借助非线性理论。鉴于隧洞工程本身的复杂性, 对其围岩稳定性的评价尽可能不要依赖于某一种分析方法, 而是要以计算机技术为基础, 综合运用各种分析方法, 以此来获得最为准确的分析结果。
摘要：本文首先对土体隧洞围岩的破坏机理及其主要形式进行分析, 并在此基础上提出了土体隧洞围岩稳定性的分析方法。期望通过本文的研究能够对隧洞工程的结构设计有所帮助。
关键词：隧洞工程,围岩,稳定性,分析方法
参考文献
[1]邓争荣.构皮滩水电站大跨度导流隧洞软岩段围岩稳定性分析及支护措施研究[D].武汉大学.2010 (5) .
围岩稳定性 篇5
要高度重视地下洞室围岩的稳定性问题，防止围岩掉块、片帮乃至塌方等事件。
围岩稳定受区域、山体稳定性和地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等多方面的影响。
例如，山体完整性差、洞顶及傍山侧山体厚度不足、洞口地段的边坡上陡下缓甚至有滑坡、崩塌等现象存在、岩层倾向山外，围岩是黏土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩、破碎松散及风化岩体、吸水易膨胀的岩体，围岩处于向斜褶曲核部、断层破碎带及断层交汇区，洞室轴线沿充填胶结差的大断层或断层带布置，洞室走向与缓倾岩层走向平行，围岩处于地下水量大、有高压含水层的岩体内，围岩内压应力集中或出现拉应力，这些都对围岩的稳定性不利。
地下工业工程布置
1.遵循厂房工艺流程的基本要求
合理的工艺流程要求做到短、顺、不交叉、不逆行。因此，从保证生产的合理和提高生产效率出发，要求安排好各主体厂房、各主要通道在相互位置和高程上的关系，使这一关系适应工艺流程的要求，并经过洞口把地下部分的生产与地面上联系起来。这种布置方式与现场的地形、地质等具体结合起来，就基本上确定了地下厂房的总体布置方案。
(1)工艺流程比较简单，对厂房布置没有严格的要求。例如，没有固定产品的生产，为科研服务的生产，或新产品的研制等，常常没有固定的工艺流程，可以的从地质、结构和施工等方面考虑厂房的合理布置。
(2)工艺流程有严格的顺序，但厂房布置的灵活性仍较大。这种情况在机械制造类的生产中比较明显。从原料运入，到机械加工和装配，由各种运输方式互相连接，形成一条比较严格的生产流水线。
(3)工艺流程有固定的程序，某些工业生产需通过系列大型设备或管道系统进行，像发电、核能利用、贮油和某些生产，其特点是厂房必须适应严格的工艺流程和设备条件，因而布置方式比较机械。大型主厂房之间的关系必须首先满足工艺流程短、顺等要求，所以，必然形成主厂房布置集中或尽量靠近的状况，以减少通道中的能量损失。这个要求与从地质、结构和施工等危度出发希望大型洞室不要过于集中常有较大的矛盾，特别是大型洞窒直接相交，对岩石稳定和结构处理等都有影响，因此，应根据具体条件综合考虑这两方面因素。
1.造价工程师《土建工程》教材精讲:工程地质
2.造价工程师《土建计量》：提高围岩稳定性的措施
3.2017造价工程师《土建工程》试题
4.20造价工程师考试《土建工程》命题走势的分析
5.2017年造价工程师考试《土建工程》复习及应试技巧
6.造价工程师考试重点知识点:土建工程
7.造价工程师《土建工程》临考提分试题
8.2017造价工程师《造价管理》试题
9.2017年造价工程师考试时间公布
公路隧道围岩稳定性分析与支护 篇6
在世界经济不断的飞速发展过程当中, 我国的公路隧道建设工程在施工技术上得到了很大的突破与改进, 这促进了我国公路隧道建设的发展, 如今, 我国所拥有的公路隧道已经占据了世界之首, 成为了当今公路隧道拥有量最多的国家。但是公路隧道建设工程在建设的过程中十分的复杂繁琐, 必须充分考虑各种各样的因素影响, 所以我们必须要事先做好对这些因素的调查, 这样才能更好的建设公路隧道, 完成建设目标。
1 公路隧道围岩稳定性的研究方法
在世界飞速发展的现代社会中, 我国的公路隧道建设工程越来越多, 所以如何安全的建设公路隧道工程就成为了公路建设的关键, 然而隧道围岩的稳定性作为公路隧道建设的重点, 已经有许多的学者对它进行了全面的研究探讨, 以下几点是具体的研究方法:
1) 力学分析方法。
在一些深埋的隧道当中, 隧道围岩的岩体大多数都具有比较强烈的流变性, 反之, 一些浅埋的只具有比较明显的流变性, 所以岩体的这些特性被用来进行公路隧道的围岩稳定性的力学分析, 这个理论很好的利用了地质的变化, 运用数学的力学原理来计算公路隧道围岩的应力分布状况, 这有助于分析公路隧道围岩的稳定性, 也有助于增强工程的质量。
2) 人工智能法。
在最近的几年当中, 计算机网络技术随着时代的进步在飞速的发展, 所以力学分析在分析公路隧道围岩的稳定性当中已经不再是唯一的方法, 随着计算机的迅速发展, 遗传算法和神经学科等人工智能学科得到了快速的兴起, 它成为了很多学者提出公路隧道围岩稳定性分析方法的理论基础, 成功的利用了人工智能这个学科对公路隧道围岩的稳定性进行了合理的分析和判别。
3) 围岩分类法。
在各个公路隧道围岩稳定性的分析方法当中, 围岩分类法是其中运用最多的相对比较简单的方法, 公路隧道围岩的稳定性分析通过RQD, RMR, Z系统, Q系统这几个分类方法对围岩的岩体来进行分类, 但是因为围岩的岩体会受到许许多多方面的影响发生变形或者破坏机理, 所以必须采取模糊数学这个方法来进行处置。
2 公路隧道围岩稳定性的影响因素
我国的公路隧道在我国公路建设过程中占据着重要的地位, 所以笔者在下文中分析几个影响公路隧道围岩稳定性的因素, 具体如下:
1) 围岩的岩体的坚硬程度。
围岩主要分为两种, 一种是包括粘土岩、吸水易膨胀岩和破碎松散岩等几种岩类的塑性围岩, 另一种是包括各种强度比较高的硬质岩石。这两类围岩各自有各自的特性, 但是它们的特性也让我们明白了围岩强度的影响因素是岩石的岩性。不同岩性的围岩它们的物理力学性质也大大的不同, 围岩的坚硬程度决定了公路隧道围岩的稳定性, 表1是不同的岩石的物理力学的参数表, 可以让我们一目了然的了解岩石的强度问题。
2) 岩石的地质构造原理。
岩体是地质经过大自然长久的年月累积所形成的不同结构的一种岩石, 它由于地质的运动和平移, 使得岩体在这个过程中形成了各种各样的地质结构界面和形状, 这些结构界面对围岩的稳定性有着重大的影响, 经过专家分析, 岩体在地质活动中变质的次数越多, 活动就越强烈, 公路隧道围岩的稳定性就越差, 反之, 变质的次数越少, 活动就越弱, 公路隧道围岩的稳定性就越好[1]。
3) 地下水。
我国作为拥有公路隧道最多的国家, 公路隧道所引起的事故也有很多, 但是在这些事故中, 隧道的塌方事故在这其中占了很大的一部分, 而塌方的原因大多数都是因为地下水的活动所引起, 地下水的活动使得围岩受到物理和力学的作用, 影响了公路隧道围岩的稳定性。
3 公路隧道的支护
在公路隧道施工过程中, 要使得公路隧道的建设更加的坚固, 必须要和围岩一起建立一个能够承受各种负载的隧道架构, 我们称之为支护。
以下是公路隧道的几种支护方式:
1) 隧道的超前支护。
公路隧道的超前支护是一种保证隧道安全进出洞口的有效的辅助施工的措施, 它可以在一定的时间内支撑隧道围岩的岩体, 使得隧道围岩的稳定性得到一定的保障, 表2是隧道超前支护的常用类型, 可以清楚的了解每一个类型的适用条件。
2) 锚杆喷射混凝土支护。
锚杆喷射混凝土支护措施主要是通过锚杆和混凝土与围岩相互作用形成一个结构, 这样可以防止隧道围岩的变形, 可以平均隧道围岩的受力程度, 也可以防止岩体坍塌。锚杆喷射混凝土支护在施工的过程中所需要采用的锚杆的数量、中间隔的距离、喷层的厚薄、深度以及肋形支撑的尺寸都要根据测量的情况来确定[2]。
3) 二次衬砌支护。
对隧道进行二次衬砌的支护是为了保证公路隧道工程建设完成后围岩的稳定性, 保证隧道不会坍塌, 保证它运行的安全性。二次衬砌支护方式在施工过程中要事先做好二次衬砌的内力计算, 这样才能知道施工过程中的受力情况, 才能很好的进行施工, 图1是公路隧道二次衬砌支护施工的施工工艺图, 这能让我们更好的了解二次衬砌的施工技术过程[4]。
4 公路隧道支护的注意事项
公路隧道在进行支护施工过程中, 必须要明白施工前、施工中的注意事项, 这样才能保证支护施工完美的进行。在支护施工前要注意做好需要材料的购买和督促材料的及时送到, 还必须做好施工人员工作前的培训和做好承包合同的签订和考核, 施工前的准备工作是对后期工作的保证。在施工过程中要注意做好防水防火的工作, 并且要杜绝半幅施工的事情发生[5]。
5 结语
公路隧道建设是我国公路建设最重要的工程之一, 在公路隧道建设过程中, 公路隧道围岩的稳定性分析和公路隧道的支护是公路隧道建设的重要关键, 公路隧道围岩的稳定性分析是公路隧道围岩安全的重要保障, 它可以减少公路隧道施工过程中的安全事故的发生。公路隧道的支护措施能够很好的保护隧道的建设, 让隧道安全的竣工。
摘要：对力学分析方法、人工智能法、围岩分类法三种公路隧道围岩稳定性的研究方法作了介绍, 研究了公路隧道围岩稳定性的影响因素, 总结了公路隧道的支护方法及注意事项, 为公路隧道的建设提供安全保障。
关键词：隧道,围岩,稳定性,支护
参考文献
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[2]廖军, 杨万霞.公路隧道开挖围岩稳定性数值模拟研究[J].公路交通科技 (应用技术版) , 2010 (11) :165-168.
[3]吴文清, 严绍洋.公路隧道围岩变形分析[J].山西建筑, 2012, 38 (2) :180-181.
[4]宋成科, 王成虎, 黄禄渊, 等.结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析[J].防灾减灾工程学报, 2012 (5) :611-616.
围岩稳定性 篇7
1 工作面巷道煤岩体裂隙分布
1.1 岩层裂隙探测。
在巷道掘进过程中, 围岩会产生可恢复的变形以及不可恢复的位移, 其特点是由塑性变形转化为弹性变形, 又由弹性变形转化为塑性变形, 当裂隙面贯通后, 岩体完整性遭到破坏, 岩体破碎, 这是岩体变形破坏的基本形式, 也是所有不同埋深岩体变形破坏的共同特征。无论是变形还是破坏, 除受岩体本身强度影响外, 还与其内部裂隙发育情况有关。所以, 岩体内部裂隙情况的掌握, 对于巷道围岩稳定性分析、支护参数的设置有着重要影响, 尤其是全国煤矿进入深部开采阶段, 安全形势日趋严峻, 巷道支护俨然已是难题。
目前, 有很多岩体探测、记录以及分析设备, 可以推断、预测岩层相关参数、内部裂隙发育状况以及工程围岩变形破坏形势。可以有效的用于分析顶板离层垮落冒顶、支护状况以及突水等灾害, 为矿山安全以及其它学科的围岩问题提供及时、有效、可靠的技术参数。
前述矿井2#煤层工作面回风巷道围岩裂隙探测的钻孔位置见图1, 典型探测见图2。
1.2 探测结果分析。
通过钻孔探测发现, 2#煤层底板裂隙较少, 只可见部分原生裂隙, 且没有形成破碎松动区域, 所以, 巷道形成后, 顶板岩层较为稳定;2#煤层回采巷道存在一定的松动区域, 其周围裂隙较为发育, 有部分塌孔现象导致观测无法进行;同时, 不同位置的围岩其松动、破碎程度差异很大。
综合分析可见, 在煤层中, 顶部裂隙大于底部;仅顶部煤层而言, 与底板近的部位裂隙区规模大于与顶板近的部位;顶部煤层破碎程度远高于底部煤层。通过全钻孔分析可知, 该矿井2#煤层回采工作面裂隙区域的平均深度为1.1m左右。
1.3 围岩控制
1.3.1通过以上分析可知, 巷道中弹性区主要分布在岩层中, 塑性区主要分布于煤层中, 因此, 掘进完成行程巷道后, 可保持较长时间的稳定状态, 所以, 对于支护而言, 重点应考虑巷道周围煤层支护;1.3.2围岩中裂隙的分布体现了其非弹性区的不均匀和非对称性, 因此, 考虑有针对性的支护形式时, 可考虑锚杆的多型号、非等排距设置;1.3.3锚杆布置应根据塑性变形实行设计, 才可达到理想的支护效果。
2 2#煤层回采巷道支护参数计算
2.1 锚杆长度设计。
根据经典的松动圈理论公式:
其中:a为裂隙区域深度, 根据计算, 取a=800mm;b-锚固长度, 一般不小于250mm, 取b=350mm;c-锚杆外露长度, 取c=80mm。
另外, 取锚杆长度为1500mm。
2.2 锚杆直径及间距。支护强度:根据实测数据与类比分析, 2#煤层锚网支护主要考虑顶部煤层, 其强度最终确定为75KN/m2。
间排距:根据试验结果及经验参考, 确定煤层锚杆间排距为750mm×750mm。
锚杆直径:按下式计算:
其中K-安全系数, 取K=1.4;Q-支护强度;Bx、By-分别为锚杆间、排距。
经计算, 锚杆直径为d=16mm。
2.3 锚固剂。
通过煤体计算单位出长度锚固力:
按照岩体计算单位长度锚固力:
用树脂锚固剂计算单位长度锚固力:
锚固的长度:
通过计算, 每组锚杆使用一支K2350型树脂锚固剂即可, 长度500mm。
2.4 其它构件参数。
锚杆托盘:采用现有托盘, 规格为:长×宽×厚=118×118×7.8mm;金属网:拟采用8#冷拔丝编织网孔为60mm×60mm的经纬网。
3 结论
通过使用钻孔摄像窥探技术, 观测到回采巷道煤层及其顶底板利息额发育状况, 计算出2#煤层围岩松动圈范围及破碎情况, 得出该顶底板较为稳定的结论。进而为支护参数的设计提供可靠依据, 到达经济、合理及安全支护的目的。
摘要：在煤层巷道掘进过程中, 围岩变形经历了从塑性到弹性再到塑性, 直至裂隙面形成导致岩体破碎的过程, 这是岩体典型完整的破坏变形特征。通过对岩体内部原有及次生裂隙的观测, 从而评级其稳定性, 为围岩支护与控制提供参考依据, 优化支护参数, 达到控制围岩服务生产的目的。
关键词：变形,围岩稳定,支护,煤层
参考文献
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[2]付国彬.巷道围岩破裂范围与位移的新研究[J].煤炭学报, 1995, 20 (3) :304-310.
围岩稳定性 篇8
我国西部地区, 水利工程发展尤为迅速, 然而西南地区地形复杂, 河谷大多狭窄陡峻, 以修建大容量高水头的枢纽工程为主, 因此不可避免的需要布置引水水工隧洞。水工隧洞的围岩稳定性是确保其安全及正常运营的关键因素。在国内外, 由于隧洞围岩失稳造成的事故时常发生, 因此对水工隧洞围岩稳定性进行分析尤为重要。刘新颖[1]等基于流固耦合分析理论, 利用快速拉格朗日有限差分法对隧洞围岩的稳定性进行了分析, 得到了围岩开挖后的应力场及位移场的分布特征。任喜平[2]采用非线性有限元法对羊曲水电站泄洪洞开挖施工过程中围岩稳定性进行了分析, 得到了隧洞围岩位移变形及应力分布规律。李宗利[3]等基于渗流场的影响建立了深埋圆形隧洞的弹塑性解。
水工隧洞围岩的稳定性受到很多因素的影响, 其中由于开挖引起围岩岩体卸荷, 地应力重新释放, 改变围岩应力场的分布是一个重要的因素。因此在隧洞开挖过程中进行必要的支护衬砌对隧洞的围岩稳定性起着重要的作用。考虑到岩体是一种各向异性、非均质、含有复杂裂纹的弹塑性材料, 虽然基于一定的边界条件并且建立相关的微分方程可得到围岩稳定性的解析解, 但是求解过程繁琐复杂, 甚至得不到解。随着计算机及数学方法的快速发展, 复杂的力学模型和边界条件都可以借助数值模拟实现。本文将通过数值分析的方法分析水工隧洞开挖过程中支护结构对隧洞围岩稳定性的影响。依据围岩稳定性分析的结果决定是否要采取必要的支护加固措施, 使围岩的变形减小, 以保证围岩的稳定性, 进而对设计和施工起到一定的指导作用。
1 水工隧洞围岩稳定性数值分析
1.1 有限元模型的建立
取水工隧洞的某一横断面进行分析, 将水工隧洞看作是一个平面应变问题, 其轴向影响力可忽略, 以ANSYS程序作为模型分析软件。由圣维南原理 (假设有一个平衡力系作用在弹性体的一个很小的范围内, 则这个平衡力系引起的应力在远离作用区处弹性体内可忽略) 可知, 只有在一定的范围之内, 水工隧洞围岩才受应力重分布的影响。
通过已有的实践经验及相关规范可知, 土质洞室边界范围的确定应考虑水工隧洞的开挖深度和跨度。该水工隧洞的有限元分析模型的左、右两侧边界和底部边界取为隧洞开挖洞径的5倍, 考虑到隧洞上覆土压力2.2MPa (100m深) , 上边界取为85米。在模型的左、右两侧施加位移约束约束X方向的位移, 在底部施加位移约束约束Y方向的位移。有限元计算模型如图1所示。
1.2 计算参数及屈服准则
水工隧洞围岩及混凝土等的物理力学参数如下表1所示, 屈服准则采用Drueker-Prager准则。
1.3 计算方案与模拟方法
隧洞的施工方法、山体的地质情况以及是否采用锚杆或衬砌支护会影响水工隧洞围岩位移场及应力场的变化。因此本次计算考虑施工过程中未支护和支护两种工况, 支护方案为围岩采用SF-IIIa, 施工方法采用全断面开挖, 初期支护为10cm厚C20喷射混凝土, 间距为25*25cmφ8钢筋网;二衬为35cm厚C25混凝土。
1.4 计算结果与分析
水工隧洞围岩稳定性及围岩的位移场变化, 受到隧洞开挖和支护的直接影响, 开挖引起的岩体卸荷以及支护, 对围岩都会产生一定的破坏和扰动。
围岩稳定性的一个重要判断依据就是围岩的变形的大小, 因此弄清楚围岩的变形情况, 可有效的保证施工安全, 从而避免不必要的工程事故。
1) 围岩位移场的对比分析。
由图2、图3可知:水工隧洞围岩在支护与未支护两种工况下, 首先是洞室周边的位移变化明显, 最主要的特点是拱顶逐渐下沉, 仰拱慢慢突起, 边墙逐渐向洞外扩展。由上述分析可知, 拱部、拱脚、仰拱是施工的主要控制部位, 有必要对这些部位进行加固补强。
通过上述分析及图2、图3可知:隧洞在开挖过程中, 如果未进行支护, 其垂直位移和水平位移比有支护时大很多。如表2所示, 很显然看出, 围岩支护后位移均得到了相应的减小。
2) 围岩应力场的对比分析。
由图5可以清晰看出隧洞在无支护条件下:在洞室周围, 主应力的大小变化明显, 而远离洞室时, 变化较小;围岩的基本应力场呈对称分布, 且在最大主应力区域出现了较大的拉应力状态;最大主应力发生在隧洞顶部。隧洞无支护情况下, 最大主应力约为7.8MPa。
隧洞有支护的情况下:最大主应力约为5.0MPa。在隧洞各转角部位, 围岩的最大主应力场变化非常明显, 由于开挖完成后对隧洞进行了及时的支护, 所以洞室周围围岩基本没有拉应力, 都是以压应力出现。通过对比还可知, 只有在未支护的情况下, 拱顶拱底和二次衬砌内部有局部呈现拉应力状态。
2 结语
本文对水工隧洞在开挖过程中有无支护结构的围岩稳定性进行了数值分析, 主要得到了以下结论:
1) 在开挖过程中, 围岩不论支护与否, 首先是洞室周边的位移变化明显, 最主要的特点是拱顶逐渐下沉, 仰拱慢慢突起, 边墙逐渐向洞外扩展。因此需要对这些控制部位 (拱部、拱脚、仰拱) 进行局部的加强。
2) 隧洞在开挖过程中, 若未进行支护, 其垂直位移和水平位移比有支护时大很多, 围岩支护后位移均得到了相应的减小。
3) 隧洞在开挖过程中, 最大主应力发生在隧洞顶部, 在隧洞各转角部位, 围岩的最大主应力场变化非常明显。如果没有及时进行支护, 隧洞拱顶拱底和二次衬砌内部有局部会出现拉应力。
参考文献
[1]刘新颖, 曹平, 刘涛影, 等.不衬砌水工隧洞围岩稳定性数值模拟分析[J].铁道科学与工程学报, 2012, 9 (3) :45-50.
[2]任喜平.羊曲水电站泄洪洞围岩稳定性有限元分析[J].水资源与水工程学报, 2014, 25 (5) :211-218.
围岩稳定性 篇9
为了解溶洞分布形态对围岩稳定性的影响,以龙潭特长隧道为依托工程分别对拱顶的不同溶洞分布进行数值模拟,详细工况见表1。
如图1所示,为表达方便特做以下规定: A点表示拱顶位置,B点表示拱腰位置,C点表示拱隅角位置,D点表示拱底位置;R表示溶洞半径,L表示溶洞与隧道的净距。
2 计算模型与计算参数
据Saint Venant原理及相关文献资料,计算模型以该隧道ZK72+752断面为典型断面进行建模,模型范围为113.6 m(水平宽度)×86.5 m(竖向高度),左、右边界为水平方向约束,底部为竖直方向约束,顶部为自由面,并施加5.041 MPa的均布压力P,以模拟模型上部186 m岩(土)体的自重影响。
计算所选用的力学参数如表2所示。
3 分析阶段
根据龙潭隧道原施工图设计文件,隧道周围为Ⅳ类围岩,采用全断面法,分析阶段见表3。
4 计算结果分析
4.1 围岩周边变形的特征
图2～图7揭示出以下特点:
1) 溶洞周围出现的应力集中使得原本水平分布的应力出现竖向分布,随着半径的增大这种影响就越大。
2) 隧道开挖后Uy随着溶洞半径的增大而减小,随着净距L的增加而变大。
3) 从理论上可以理解为溶洞本身已成环稳定,在隧道开挖后,其顶部正是两种集中应力相互作用最明显的区域,由于两者对顶部围岩的力学效应相反,因而使得隧道顶部的应力集中大部分被缓解,从而使得开挖溶洞下方的断面时顶部竖向位移随溶洞尺寸增大而减小。
如上所述,隧道拱顶出现溶洞单从Uy角度看,溶洞的半径越大,溶隧净距越小,Uy越小,隧道反而越安全,因此,以下需从应力和安全系数角度来分析其受力特征。
4.2 塑性区分布特征
通过对图8～图9的分析比较,得到以下结论:
1) 塑性区主要分布在拱底仰拱部位,拱顶处在压力区范围内安全系数较高。
2) 当溶隧净距一定(以L=0.50 m为例)时,随着溶洞半径的增加:随着半径的增大拱腰开始出现塑性区,并进一步向拱顶扩展与溶洞周位的塑性形成贯通,拱底塑性区变化不大。
3)当溶洞半径一定时(以最不利R=4.00 m为例)随着溶洞与拱顶边缘净距的增加,塑性区逐渐减小并向两侧收缩,剪应力和压力集中区的应力在增加。
4)拱顶溶洞的影响主要在于增大了拱部的塑性区范围。
4.3 隧道周遍应力分布特征
4.3.1 拱顶A点
A点系化如图10～图13所示。
拱顶溶洞分布对拱顶A点影响如下:
1)L≥2 m 时,溶洞分布对拱顶围岩的稳定性影响很大,L减小,R增大,拱顶σ1急剧减小并有出现拉应力的趋势;拱顶σ2则急剧增大,拱顶τxy急剧增大,安全系数急剧变小。
2)L>2 m时,σ1、σ2、f呈线形变化,除拱顶τxy变化不大外,其余变化趋势基本同上。
4.3.2 拱腰B点的变化
B点变化如图14～图17所示。
拱顶溶洞分布对拱腰的σ1、σ2、f影响不大,仅使拱腰的τxy变小。
4.3.3 仰拱隅角处C点的变化
C点变化如图18～图21所示。拱顶溶洞分布对仰拱隅角σ1、τxy、f影响不大,仅使σ2变小。
5 结 论
隧顶溶洞分布对围岩稳定性的影响主要表现在以下几个方面:
1) 隧道顶部溶洞对拱部围岩稳定性的影响较大,对边墙和底部的应力场影响不大。
2) 当溶隧净离L≤2 m时,溶洞对拱部围岩的稳定影响非常明显;L>2 m时拱顶溶洞对拱部τxy影响不大,其拱顶A点σ1、σ2、f与溶洞的半径和净距呈线性变化如下:
3) 溶洞直径与围岩开挖释放位移存在关系,值得注意的是在拱顶附近的周边释放位移与溶洞的大小成反比,而在隧道边墙及底部的周边释放位移与溶洞的大小成正比,正好与塑性区的结果互相印证。
4) 溶洞影响的分界范围大约是溶洞尺寸3～4倍,超过此范围溶洞对围岩的影响可以忽略。
摘要：隧道顶部存在溶洞时,将对整个隧道围岩的应力重分布产生较大的影响。利用有限元程序对隧道顶部存在溶洞的公路隧道围岩稳定性进行一系列的数值模拟研究,探讨隧道顶部溶洞大小及位置对围岩稳定性的影响,并得出一些经验关系。
关键词：隧道,溶洞,稳定性,数值模拟
参考文献
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围岩稳定性 篇10
关键词：隧洞,断面形状,稳定性,ANSYS
0 引 言
随着我国国民经济的发展,水工隧洞的形式和数量日益增多,建设规模不断扩大,在灌溉、发电、城镇供水、泄洪、排沙、放空水库以及施工导流等方面得到了广泛的应用,水工隧洞工程的重要性也愈加明显。那么如何在保证隧洞安全稳定的前提下,以最经济的方法建设隧洞,是摆在广大设计人员面前十分迫切的任务。隧洞的位置选定以后,周围介质和初始应力场等条件是客观存在、不能改变的,设计中只能不断地调整隧洞断面的几何形态以改善围岩的应力分布和稳定性。所以隧洞断面形状的好坏对隧洞工程的安全及造价具有显著的影响,选择合理的开挖断面具有重要的经济意义和工程应用价值[1]。
隧洞断面形状不仅受建筑界限和使用功能的影响,同时也要考虑隧洞开挖施工对围岩的影响。不同断面形状的隧洞开挖引起围岩的受力可能不同,围岩的稳定性也就不同。目前国内外已有的水工隧洞断面形状多为圆形、矩形、直墙圆拱形和蛋壳形四种[2,3,4,5,6],本文运用ANSYS软件系统分析了四种断面形状隧洞开挖引起位移、应力和塑性区的分布特点,供隧洞工程设计和施工参考。
1 隧洞开挖的ANSYS仿真模拟
1.1 工程概况
青海省都兰县千瓦水电站引水隧洞位于青海省海西蒙古族藏族自治州都兰县境内。该隧洞工程全长1 357.8 m,起讫里程2+963.9～4+321.7。隧洞大部分洞室埋深在30～75 m之间,隧洞地表多为第四系地层覆盖,其下为洪积灰白色砂岩,粗砂含量50%～60%,砾石30%～40%,粗砂成分为长石、石英及岩屑,砾石成分为花岗岩,再下为华力西期花岗岩,表层有风化现象,根据区域地质资料和现场踏勘调研测试,千瓦水电站引水隧洞围岩类型主要为Ⅳ、Ⅲ级。
1.2 计算模型
在满足隧洞横断面设计净空条件要求的情况下,本文分别对圆形、矩形、直墙圆拱形和蛋壳形四种断面形状的隧洞进行建模计算分析,以便获得最优的断面形状。由于计算的目的是就一定围岩条件下比较各断面的优劣,本文隧洞开挖采用全断面一次开挖,假定岩体为各向同性均匀的理想弹塑性介质;隧洞及围岩的受力和变形是平面应变问题;垂直地应力场为重力场,忽略其构造应力;初期支护承受全部荷载,不考虑二次衬砌的作用。
选取隧洞开挖模型尺寸6 m×6 m(宽×高),根据圣维南原理,对于隧洞开挖后的应力和应变,仅在隧洞周围距洞室中心点3～5倍隧洞开挖宽度的范围内存在影响[7],本文计算范围自隧洞边缘向两侧及向下均取5倍隧洞直径。隧洞埋深为50 m,因此建立的模型长为66 m,高度为86 m,计算模型的边界条件是,两侧的垂向边界采用水平方向约束,底边界采用垂直方向约束,顶部为自由面。
初期支护采用C20,15 cm厚喷射混凝土+长度2 m@1.0 m径向锚杆。有限元计算中围岩及锚杆加固区用PLANE42单元模拟,衬砌混凝土用BEAM3单元模拟,在开挖模拟过程中隧洞二次衬砌没有考虑,因此不用进行单元模拟。围岩及加固区选用DP材料,喷射的混凝土采用弹性材料,围岩及支护结构物理力学指标参数见表1。
2 结果分析
2.1 隧洞围岩位移分析
图1为各断面隧洞开挖后围岩水平位移分布图。隧洞开挖后,围岩变形表现在拱顶下沉,拱底隆起,拱顶竖向下沉位移大于底部围岩的隆起位移,对于圆形隧洞,拱顶下沉位移为13.88 mm,拱底隆起位移为5.95 mm(图1(a)),围岩水平向位移相对较小,最大水平位移没有出现在洞周,而是在加固圈周围,与洞中心成约45°角的加固圈周部位有最大值,其大小为0.53 mm,水平向位移最大值部位呈对称性分布,并且在左右下侧拱角部位最大水平向位移分布较广些,随着向洞室周边距离的增大,水平向位移逐渐减小(图1(b))。
矩形断面隧洞开挖后,围岩的竖向位移与圆形断面相比,跳跃明显,最大竖向位移出现在洞顶处,最大值为16.21 mm,拱底处围岩拱起,最大拱起位移为8.10 mm(图1(c)),水平向最大位移主要出现在左右两侧壁中部,最大值1.33 mm,拱顶和拱底水平位移较小,位移值为0.15 mm(图1(d))。
直墙圆拱形断面隧洞开挖后,最大的竖向位移出现在圆拱顶部,最大下沉量为14.0 mm,底板部位向上隆起,最大隆起位移为8.0 mm(图1(e)),水平向位移在两直边墙的中部达到最大值,为0.77 mm,向两侧逐渐减小(图1(f))。
蛋壳形断面隧洞围岩最大的竖向位移出现在拱顶处,最大位移值为13.91 mm,略大于圆形断面,底端处反拱位移值为7.95 mm,没有出现较大的位移跳跃,位移分布较均匀(图1(g))。水平向位移分布也与圆形断面相似,与洞中心成约45°角的加固圈边界部位出现最大值,最大值为0.55 mm(图1(h))。
2.2 隧洞围岩应力分析
图2为各种断面隧洞开挖后围岩的应力分布图。从四种断面主应力云图中可以看出,随着隧洞的开挖修建,整个地层大部分区域都是受压的,只是在隧洞附近一个很小的区域范围内出现拉应力,围岩不同位置应力情况各不相同,对于圆形隧洞,最大主应力值集中发生在洞室的顶拱和底拱处,向两侧逐渐减小,最大拉应力值为0.62 MPa,围岩应力分布较均匀(图2(a)、(b))。
从矩形隧洞开挖后围岩的主应力云图中可以看出,矩形断面隧洞开挖后的应力场出现多处应力集中现象,隧洞围岩的最大应力出现在拱顶和拱底的中部,最大应力值均达到1.13 MPa(图2(c)、(d))。
直墙圆拱形隧洞开挖后上下部分应力场分布差别较大,上部圆拱和两直边墙部位围岩应力较小,最大主应力值为0.55 MPa,应力分布较均匀,下部底板出现应力集中,最大值为1.1 MPa,应力集中区域从墙角向围岩内部扩散,并导致边墙及底板以外部分区域围岩所受压应力减小(图2(e)、(f))。
蛋壳形隧洞开挖也不会引起周围围岩较大的应力集中,最大应力值出现在拱底,其值为0.84 MPa(图2(g)、(h))。
2.3 隧洞围岩塑性区分析
图3为各种断面隧洞开挖后围岩的塑性区分布图。圆形断面隧洞开挖后,周围围岩没有出现塑性区。
矩形断面隧洞开挖后,在矩形洞室的上下拱角及拱底等多个部位的围岩出现塑性破坏,其中拱底部位塑性区范围更大,最大塑性区厚度达到4 m左右,塑性区分布不均匀(图3(a))。
由于直墙圆拱形隧洞上下结构形式的差异,在圆拱部位,没有出现塑性区,在两直边墙墙角部位出现塑性区,并从墙角向内部围岩延伸,塑性区厚度为3 m左右(图3(b))。
蛋壳形断面隧洞塑性区主要分布于底端两拱脚部位,塑性区厚度2 m左右(图3(c))。
4种断面形状隧洞的围岩位移和应力比较见表2,从表中可以看出,综合洞室开挖后围岩的位移、应力、塑性区范围这三方面因素,断面形状的优劣依次为圆形、蛋壳形、直墙圆拱形、矩形。圆形断面隧洞稳定性最好,但蛋壳形隧洞与圆形断面隧洞相比具有更大的使用空间和使用宽度,在满足相同净空的要求下,圆形洞室开挖量大,衬砌和加固圈的用量相应也增加,经济效益不好,蛋壳形断面稳定性仅次于圆形断面,但能显著降低开挖量,节约成本,因此蛋壳形为最合理断面形状。
3 结 语
采用有限元软件ANSYS分析了四种断面形式的隧洞开挖后围岩的位移、应力和塑性区分布,得到以下结论:
(1)不同断面形状的隧洞开挖后,围岩的位移、应力和塑性区分布不同。圆形断面和蛋壳形断面隧洞的位移值小,洞周拉应力值小,应力分布比较均匀,矩形断面和直墙圆拱形断面隧洞的位移值大,拉应力值大,围岩的塑性区厚度大。
(2)各种断面隧洞开挖后,洞顶的位移最大,此部位的围岩最容易发生松动破坏,松动的围岩作用在支护结构上,增加了支护结构承受的荷载,因此在设计和施工中对此部位需要重点监测。
(3)由于隧洞的开挖,在隧洞附近局部区域范围内出现拉应力,而围岩出现拉应力对洞室稳定十分不利,实际工程中,要充分考虑出现拉应力的位置,并采取相应的加固措施。
(4)通过对各种断面隧洞开挖后围岩的稳定性分析,得到圆形断面位移、应力分布均匀,并且洞周没有出现塑性区,圆形断面是最优的断面形状,但是圆形断面隧洞使用空间和经济效益不好,综合考虑这些因素后,认为蛋壳形断面为合理断面形状。
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