隧洞稳定性（共3篇）
隧洞稳定性 篇1
1 土体隧洞围岩的破坏机理及其主要形式
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) .
[2]李晓红.王宏图.贾剑青.杨春和.隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别[J].岩土力学.2009 (6) .
隧洞稳定性 篇2
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.
隧洞稳定性 篇3
本文基于耦合理论,通过有限元法软件以某隧洞为数值模型,研究对围岩本构参数(包括弹性模量、泊松比、摩擦角、凝聚力和渗透系数)对围岩稳定性的影响进行单因素敏感性分析,以位移来衡量各项参素的独立作用对围岩稳定性影响的敏感程度,从而确定影响围岩稳定性的主次要因素。
1 数值模型的建立
某水电站深埋长隧洞直径13 m,埋深700 m,隧洞轴线处水上400 m。数值模型选取工程区内隧洞最大埋深断面作为计算模型,该范围近似为以某引水隧洞轴线为圆心的一个圆。由于引水隧洞轴线方向较长范围内围岩的性质比较单一,可将三维空间问题简化为二维平面应变问题。
单元采用平面空隙流体/压力单元CPE4P,材料屈服准则采用摩尔-库伦塑性屈服准则,边界条件:
1)位移边界条件,模型下边界受位移约束;
2)应力边界条件,模型左右施加垂直于边界的高地应力荷载;
3)孔隙水压力,模型左右两边受到垂直于边界的压力荷载。
求解方法分析步设置:首先施加地应力平衡,然后施加重力荷载、高地应力荷载、孔隙水压力,数值模型及边界条件如图1所示。
2 敏感性分析
敏感性分析法是系统分析中分析系统稳定性的一种方法,广泛的应用在水利工程领域中[12,13,14]。根据不确定性因素每次变动数目,敏感性分析可以分为单因素敏感性分析和多因素敏感性分析。即在一个系统其特性P主要由i个因素所决定,即满足函数关系:P=f(φ1,φ2…φi-1,φi,φi+1,…φn),P在某一基准状态下的系统特性为P*[15]。在任一确定i-1个因素的情况下,让第i个因素在它可能变动的范围内变化,观察系统特性P偏离基准状态P*的趋势和程度,这种分析法叫做单因素敏感性分析法。本文基于流固耦合理论,采用单因素敏感性分析法,分析影响稳定性的因素:弹性模量、泊松比、摩擦角、凝聚力和渗透系数,影响因素及基准值如表1。
根据公式(1),以b4组为基准变量,以位移来衡量各项独立参数对围岩稳定性影响的敏感程度。
其中Ui第i个位移值,Ujz是基准位移值,Umax为最大位移值,Umin为最小位移值,计算得到的单因素敏感性分析结果如表2所示,数值结果折线图如图2所示,其中以b4基准得到的位移变化云图和空隙水压力如图3～图4所示。
从表2和图2可知:泊松比对隧洞的影响很小,在实际施工时可以忽略;摩擦角和凝聚力对施工有一定的影响,应予以考虑。弹性模量对隧洞的位移影响较大,且位移随着弹性模量的增加而减小,较大的弹性模量可以使位移减小。渗透系数对隧洞位移的影响很大而且非线性变化增长,在施工前应对渗透系数进行准确测试,以进行设计用来指导施工。
3 结论
1)在数值模拟过程中,将泊松比,摩擦角,弹性模量,凝聚力,渗透系数等作为影响因素,分析了单因素的变化对围岩稳定性影响的敏感性程度,确定了影响围岩稳定性的主次要因素。
2)计算实例中,通过参数的敏感性分析识别出了弹性模量和渗透系数是影响围岩稳定性的主要因素,泊松比、摩擦角、凝聚力是影响围岩稳定性的次要因素。通过参数敏感性分析为提高围岩稳定性提供方法。