深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究
王凤云
(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)
Stability analysis and its anchorage control of soft rock mass for a deep tunnel
WANG Fengyun
(College of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei,Anhui 230601,China)
摘要 近年来,随着我国地下基础设施的蓬勃发展,进入大规模地修建地铁项目阶段,城市之间的高铁项目如火如荼地建设中,同时采矿工程不断深入和大型水利工程的修建等。在这些建设过程中,常出现开挖后围岩的失稳破坏而发生塌方,特别是深埋条件下具有强度低、大变形特点的围岩失稳问题尤为突出。因此,开挖后软弱围岩稳定性分析及其加固控制对隧道工程设计和安全施工具有重要的意义。
目前,对围岩的力学理论及应用研究取得了一定的成果,但是仍然跟不上现有的隧道工程建设,出现了理论研究明显落后于施工经验的局面,导致频频发生工程事故,究其原因是对开挖隧道后围岩变形特性的认识不足,缺乏及时加固控制的意识。本研究针对这些问题,以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式系统研究了开挖隧洞后围岩变形破坏的力学本质,揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。完成的主要研究工作和成果总结如下:
(1) 从隧洞开挖后周边围岩的应力状态发生内力重分布为出发点,提出了应变软化模型下围岩的弹塑性有限差分解法,比较不同方法计算结果验证该方法的正确性,参数分析结果表明:剪胀特性对隧道洞壁处围岩的位移和塑性区半径影响较大,需要重点考虑岩体的剪胀性;临界软化系数对围岩的塑性区半径和残余区半径的影响较大;H-B屈服准则中“a”强度参数对判断围岩的稳定性具有重要影响,在计算过程中谨慎取值,建议采用广义H-B屈服准则;基于圆筒理论的弹性应变公式,同样适用于开挖隧道后应变软化围岩的稳定性分析中。
(2) 针对围岩的剪胀性和应变软化随围压变化的特性,根据剪胀性和应变软化是否考虑围压变化,建立不同的剪胀模型组合,探究了不同质量岩体的力学参数对塑性区围压变化的依赖性。研究结果表明,根据不同质量岩体塑性区内的力学参数对围压的依赖性不同,由于质量较好岩体的围压依赖性较低,建议采用剪胀角和临界软化系数均为固定的剪胀模型,但是质量较差岩体的围压依赖性较强,建议采用剪胀角和临界软化系数均随围压变化的剪胀模型。
(3) 基于统一强度理论,考虑中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响,揭示了中间主应力对围岩特征曲线、纵向位移曲线和塑性区内非线性剪胀性的影响规律。结果表明,围岩稳定性研究的力学模型对分析结果影响较大,弹塑性模型未考虑围岩材料强度的弱化,计算结果偏小,不建议采用;中间主应力可以有效抑制塑性区半径和隧道洞壁处位移的发展,充分发挥围岩承载潜力,不考虑中间主应力效应的莫尔库伦强度准则,计算结果保守,可适当考虑围岩的承载潜力,而双剪强度准则计算结果偏小,不建议采用;纵向塑性发展上,考虑中间主应力的围岩在隧道掘进方向上的位移收敛速度增加,可以适当推迟支护结构施加的时间;对于塑性区内剪胀角变化的影响,中间主应力系数和临界软化系数分别体现在剪胀峰值和剪胀角的变化率上。
(4) 通过室内模型试验和FLAC3D数值模拟,再现了开挖隧洞后毛洞,施加短锚杆和长锚杆工况下IV级围岩的渐进性破坏过程和研究了锚杆对围岩的锚固效应。开挖隧洞后围岩的渐进性破坏顺序是边墙处的围岩首先发生剪切破坏,随后拱腰处剪切破坏,最后拱顶塌陷破坏;施加锚杆后的围岩,特别是拱顶部分围岩由于锚杆的加固作用形成了“加强梁”的作用,使得拱顶所能承受的最大沉降及其破坏荷载显著增加;锚杆的长度需要穿过拱顶塑性松动区(塑性残余区),否则,被锚固的围岩与上部未被锚固的围岩之间存在“分层”现象;锚杆可以显著改变围岩内部径向应力,表现在锚杆末端处围岩的径向应力增加。
(5) 锚杆通过与围岩之间的相互作用,其末端的锚固段将洞壁附近拉拔段的围岩“紧箍”起来使得洞壁处周边围岩变形减小;锚杆两端剪应力较大,特别是锚杆末端,应防止锚杆末端的剪应力较大超过砂浆与锚杆之间剪切强度而发生脱落;锚杆施作时机对锚杆应力分布和围岩变形控制影响较大,需要及时施作锚杆以达到较好的锚固效果,以免无效锚固;锚杆对具有大变形和弹性模量小的软弱围岩锚固效果较好,而对质量较好、弹性模量较大的硬岩锚固效果并不显著。
关键词 :
隧道工程 ,
围岩稳定性 ,
塑性区 ,
洞壁处位移变形 ,
剪胀特性 ,
中间主应力 ,
锚杆锚固效应
Abstract :
[1]
韩子俊1,2,刘洪涛1,2*,郭林峰1,3,韩 洲1,2,镐 振4,贾后省5,刘勤裕1,2,梁嘉璐1,2,王浩瞩6,陈子晗1,7. 区域主应力矢量与层状结构协同控制下巷道塑性破坏行为 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1827-1841.
[2]
毛玉铤1,2,何满潮1,2,刘方洲3,白 星4,杨晓杰1,2,陶志刚1,2*. 大比尺隧道物理模型蠕变试验系统研制与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1627-1638.
[3]
张世殊*. 高地温隧道热害链生机制与风险防控II——致灾构造辨识与防控措施 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1277-1303.
[4]
梅贤丞1,2,崔 臻1,2*,盛 谦1,2,陈 健1,2,费 扬1,2,唐浪洲1,2,赵 旭3,黎若寒4,黄景琦5. 跨活断层隧道“强震–错动”耦合效应的物理模拟研究(I):试验系统与方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1304-1320.
[5]
张世殊*. 高地温隧道热害链生机制与风险防控Ⅰ——热害效应与孕育地质特征 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 955-979.
[6]
贺 鹏1,王 彬1,刘 宁2*,麻正虎1,高要辉2,刘珂鑫1. 基于自动化参数建模与迭代优化的隧洞智能支护设计平台研发与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1199-1216.
[7]
曹成勇1,2,3*,张寻龙1,陈湘生1,2,3,宋程鹏4,韩伟杰5. 盾构隧道超深圆形竖井开挖变形承载特性分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 808-824.
[8]
龙 腾1,2,管国荥1,2,陈 健1,2,夏 勇3,唐碧华3,孙 博3,崔 臻1,2*,张佳威4,张翔宇5. 群洞效应对穿越活动断层高压水工隧洞群抗错断性能的影响研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(2): 509-524.
[9]
汪洪星1,李珂瑶1,张 超2*,阮俊浩1,王丽萍1,刘 伟3,巫尚蔚1. 基于贝叶斯网络的隧道围岩变形动态预测模型 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(2): 553-577.
[10]
刘保国1,2*,来海祥1,2,史小萌1,2,储昭飞3,赵金鹏4,于明圆5. 非静水应力场中考虑初期支护蠕变的深埋圆形隧道黏弹性解析解 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(2): 342-352.
[11]
邓弘毅1,刘 超1*,崔 杰1,刘 海1,黄襄云2. 考虑海水–海床–结构耦合效应的海底盾构隧道地震响应规律 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(1): 204-217.
[12]
晏庆明1,2,3,崔 岚1,2,盛 谦1,2,郑俊杰4,朱泽奇1,2,唐雄俊5. 浅埋岩质盾构隧道围岩压力计算方法及适用性研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 240-257.
[13]
吕从聪1,曹 立1,李宗利2,卢晓春1,田 斌1,吴振超1. 衬砌渗透性对穿越软弱破碎带深埋富水隧洞围岩稳定性的影响研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 78-89.
[14]
刘忠波1,2,朱 勇1,2,周 辉1,2,张传庆1,2,王 栋3. 深埋长大隧道热红外像素级地温预测方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 215-227.
[15]
黄大维,卢文剑,罗文俊,陈 凯,陈后宏. 盾构施工对上部地层受荷变形影响试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S1): 51-60.