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      上軟下硬地層隧道掌子面穩(wěn)定性及塌方形態(tài)

      2019-02-18 08:58:10安永林李佳豪歐陽(yáng)鵬博
      中國(guó)鐵道科學(xué) 2019年1期
      關(guān)鍵詞:黏聚力塌方摩擦角

      安永林,李佳豪,曹 前,岳 健,歐陽(yáng)鵬博

      (1.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;3.長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

      在地層應(yīng)力作用下,地層往往呈現(xiàn)不同程度的風(fēng)化,通常上部為全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化,下部為弱風(fēng)化。若隧道通過(guò)此復(fù)合地層,則掌子面會(huì)遇到上軟下硬的情況,隧道開挖會(huì)造成圍巖變形受力不均勻,施工不慎或支護(hù)不當(dāng)會(huì)引起塌方,如土家灣隧道[1]。

      國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合地層以及盾構(gòu)開挖面支護(hù)力做了相關(guān)研究:Rui Carrilho Gomes[2]利用數(shù)值軟件模擬分析了2種地層條件下隧道地震響應(yīng);Salvador Senent[3]基于極限分析法討論了層狀地層中隧道局部塌方可能性;kos Tóth[4]統(tǒng)計(jì)分析了隧道掘進(jìn)機(jī)TBM掘進(jìn)速率與復(fù)合地層的關(guān)系; K.M. Neaupane[5]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了復(fù)合地層變形。Wenkai Feng[6]基于FLAC3D建模研究了軟硬地層圍巖的變形規(guī)律。Broms[7]總結(jié)了開挖面坍塌破壞和鼓出破壞與地表超載以及地層強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系,并提出了隧道穩(wěn)定系數(shù)的概念,Davis[8]進(jìn)一步應(yīng)用極限分析法分析了4種破壞模式下的隧道穩(wěn)定系數(shù)的上、下限解;Anagnostou G[9]構(gòu)建了開挖面?zhèn)}筒破壞模式,并基于極限平衡法推導(dǎo)了開挖面支護(hù)力公式;劉招偉[10]討論了穿越長(zhǎng)江水下軟硬不均地層隧道修建技術(shù);熊良宵[11]基于數(shù)值仿真分析了隧道開挖面接近地質(zhì)界面時(shí)圍巖位移特征及其影響因素;王國(guó)富[12]研究了突變地質(zhì)界面盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)壓力;邱龑[13]分析了富水砂層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性及其失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。上述文獻(xiàn)從不同層面對(duì)復(fù)合地層隧道以及盾構(gòu)隧道做了分析,但是很少對(duì)復(fù)合地層礦山法隧道掌子面的穩(wěn)定進(jìn)行研究。

      本文主要對(duì)上軟下硬地層隧道掌子面的穩(wěn)定性及塌方形態(tài)進(jìn)行研究,首先定義掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)a無(wú)量綱參數(shù);然后應(yīng)用強(qiáng)度折減有限元法,研究不同a下掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)及其塌方形態(tài),分析掌子面的變形和地表沉降槽形狀,討論掌子面應(yīng)力拱效應(yīng)與傳遞路徑;提出結(jié)合強(qiáng)度折減有限元法,用虛擬支護(hù)力研究新奧法隧道掌子面的穩(wěn)定,并同有限元模擬結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比分析;最后對(duì)影響掌子面穩(wěn)定的因素做參數(shù)分析。

      1 數(shù)值模型及掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)

      1.1 數(shù)值模型

      武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道DIIK1562+793—DIIK1562+960里程段,開挖方法是三臺(tái)階法,在上臺(tái)階掌子面存在上軟下硬地層情況,上部為填土層,下部為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。三維有限元模型的長(zhǎng)×寬×高為50 m×70 m×50 m,取掌子面位于掘進(jìn)10 m處。圍巖采用實(shí)體單元模擬,因?yàn)橹攸c(diǎn)是分析掌子面的穩(wěn)定性,特別是掌子面塌方的情況,所以認(rèn)為支護(hù)段為同步支護(hù)且是剛性的[11]。模型采用的邊界條件:模型四周及底面采用法向約束,模型頂面為自由面。建立的數(shù)值模型如圖1所示。力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

      圖1 數(shù)值模型(單位:m)

      表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

      1.2 掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)

      軟硬地層分界以及隧道位置如圖2所示。圖中:H軟為軟弱地層厚度;H為掌子面開挖高度;δ為拱頂覆土厚度。為了分析不同軟弱地層厚度(即軟硬地層分界位置不同)對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響,定義掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)a無(wú)量綱參數(shù),其計(jì)算公式為

      (1)

      圖2 地層軟硬分界

      由式(1)可知:a≤0,表示掌子面處于硬的地層中,未涉及軟弱地層;0

      為了更好地分析掌子面存在軟弱地層情況,將掌子面全是硬地層以及全是軟地層也進(jìn)行建模,并做對(duì)比,為此,取a=-1.00,0,0.33,0.50,0.67,1.00,2.00進(jìn)行有限元模擬分析。

      2 掌子面穩(wěn)定性分析方法

      為了獲得掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)和臨界失穩(wěn)塌方形態(tài),首先進(jìn)行有限元模擬,然后采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析。強(qiáng)度折減法原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[14],即根據(jù)式(2)不斷折減抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ,使其達(dá)到臨界狀態(tài),此時(shí)的折減系數(shù)K即為掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)。同時(shí),為了對(duì)比有限元模擬結(jié)果,采用極限分析法研究掌子面全部處于軟弱地層中的穩(wěn)定情況。

      (2)

      式中:c′為按K值折減后的黏聚力;c為圍巖黏聚力;φ′為按K值折減后的內(nèi)摩擦角;φ為圍巖內(nèi)摩擦角。

      3 有限元模擬結(jié)果分析

      3.1 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)

      圖3給出了不同a下的K,從圖中可以看出,整體上曲線分為以下3段。

      第①段,a≤0,此段K基本沒(méi)有變化,此時(shí)掌子面不存在軟弱地層,隧道施工很安全。

      第②段,0

      第③段,a≥1,掌子面全部處于軟弱地層中,且軟弱地層已達(dá)到中臺(tái)階,軟弱地層的相對(duì)厚度對(duì)掌子面的穩(wěn)定性影響較小。

      圖3 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)

      3.2 掌子面破壞形態(tài)

      由上述分析可知,只有在掌子面范圍內(nèi)存在上軟下硬地層時(shí),上部軟弱地層才對(duì)掌子面穩(wěn)定性有影響。因此下面分析掌子面范圍內(nèi)存在上軟下硬地層,即a=0.33,0.50,0.67時(shí)掌子面的破壞形態(tài)。

      不同a下掌子面失穩(wěn)時(shí)的位移如圖4所示。由圖可知:隨著a的增加,掌子面前方圍巖發(fā)生位移的范圍增大;當(dāng)a較小時(shí),位移只發(fā)生在上軟層的局部,而下硬層的位移較小。

      圖4 不同a時(shí)掌子面失穩(wěn)時(shí)的位移

      不同a時(shí)掌子面前方塌方體形態(tài)如圖5所示。由圖可知:隨著a的增加,掌子面前方塌方體的體積增大,塌方范圍擴(kuò)大,包括塌方體的高度和深度都在增加;塌方體上部形狀類似于一個(gè)帽子(中間面形狀類似拋物線),下部邊界類似于對(duì)數(shù)螺旋線。

      圖5 不同a時(shí)掌子面前方塌方體形態(tài)

      不同a時(shí)掌子面變形形態(tài)如圖6所示。由圖可知:掌子面上軟層的位移要較下硬層的位移大很多,這主要是因?yàn)橄掠矊拥淖冃文A勘壬宪泴拥淖冃文A看?,在同樣荷載作用下,變形模量小的位移要大;另外由于掌子面四周圍巖的約束作用,導(dǎo)致掌子面軟弱地層中心的位移要較四周的大,呈現(xiàn)一個(gè)鼓出的狀態(tài),且最大位移發(fā)生在掌子面軟弱地層厚度的中心偏下位置,如當(dāng)掌子面全部處于軟弱地層中時(shí),最大位移在掌子面中心偏下位置。因此,掌子面中心偏下位置是掌子面位移控制的關(guān)鍵,在施作掌子面正面支護(hù)時(shí)(如掌子面錨桿),這個(gè)部位應(yīng)加密加強(qiáng)。

      圖6 不同a時(shí)掌子面變形形態(tài)

      3.3 地表沉降槽形狀

      a=0.50時(shí)地表沉降云圖和沉降槽形狀如圖7所示,可見(jiàn),隧道中心對(duì)應(yīng)的地表沉降最大,向四周逐漸減小,形成1個(gè)凹坑;a取其他值時(shí)情況與此類似。

      圖7 地表沉降變形云圖與沉降槽形狀

      軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)與掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)、地表最大沉降之間的關(guān)系見(jiàn)表2。由表2可知:臨界塌方時(shí),地表沉降槽的最大沉降和掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)均隨著a的增大而減小。這是由于對(duì)于同樣的圍巖,a增大,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低,即圍巖折減得少,發(fā)生掌子面塌方時(shí),所以變形才減小。

      表2 軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)與掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)、地表最大沉降之間的關(guān)系

      3.4 掌子面臨界失穩(wěn)時(shí)應(yīng)力傳遞路徑

      不同a時(shí)應(yīng)力傳遞路徑如圖8所示,由圖8可得如下結(jié)論。

      (1)隨著a的增加,掌子面前方的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,最大主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn),且發(fā)生應(yīng)力偏轉(zhuǎn)的范圍擴(kuò)大,也即開挖的影響范圍在擴(kuò)大。

      (2)掌子面上軟地層的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)影響范圍較下硬地層的更大,表明開挖對(duì)上軟地層的影響較下硬地層影響大,更易導(dǎo)致上軟地層的局部失穩(wěn)。

      (3)當(dāng)應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn),形成拱形,即存在拱效應(yīng),上部荷載通過(guò)應(yīng)力拱進(jìn)行傳遞,此處是掌子面縱向拱效應(yīng)。隨著掌子面軟弱地層厚度的增加,應(yīng)力拱的范圍在擴(kuò)大,且傳遞到掌子面下部的力更大,因此更應(yīng)注重掌子面下部的加固,這個(gè)也印證了3.2小節(jié)中結(jié)論,掌子面中心偏下是位移控制的關(guān)鍵。

      圖8 不同a時(shí)應(yīng)力傳遞路徑

      4 掌子面穩(wěn)定的極限分析

      4.1 極限分析掌子面穩(wěn)定的原理

      利用文獻(xiàn)[16]求解支護(hù)力的公式并結(jié)合強(qiáng)度折減法分析上軟下硬地層掌子面的穩(wěn)定性。為了將極限分析的結(jié)果應(yīng)用于礦山法,此處將支護(hù)力稱為虛擬支護(hù)力,對(duì)圍巖的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減,應(yīng)用折減后的參數(shù)求解掌子面虛擬支護(hù)力,當(dāng)虛擬支護(hù)力為0時(shí)的折減系數(shù),即為掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)。

      4.2 虛擬支護(hù)力計(jì)算公式

      掌子面極限分析受力原理如圖9所示。圖中:掌子面的破壞模式由2個(gè)剛性塊體 ①及③和1個(gè)剪切區(qū) ②構(gòu)成,塊體①是1個(gè)頂角為2φ的三角形OO′B;塊體③是1個(gè)等腰三角形OAE,AE線與水平方向的夾角為β=π/4+φ/2;剪切區(qū)②是1個(gè)以對(duì)數(shù)螺旋線BE圍成的剪切區(qū)OBE,點(diǎn)O為對(duì)數(shù)螺線中心點(diǎn),點(diǎn)B和點(diǎn)E分別為對(duì)數(shù)螺線的起點(diǎn)和終點(diǎn);σs為地表超載;σt為掌子面虛擬支護(hù)力;C為隧道覆土厚度;D為隧道開挖高度;h為O′到工地的距離;la為地表塌陷寬度;va為塊體①的速度;vOE為剪切區(qū)②在E點(diǎn)的速度;vOB為剪切區(qū)②在B點(diǎn)的速度;vC為塊體③的速度。

      圖9 掌子面極限分析受力原理

      根據(jù)極限分析原理[15],掌子面虛擬支護(hù)力計(jì)算公式為

      σt=γDNγ+σsNs-cNc

      (3)

      式中:γ為圍巖重度;Nγ,Ns,Nc分別為重度、超載和黏聚力的承載系數(shù), 具體含義參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

      4.3 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)

      不同折減系數(shù)下的掌子面虛擬支護(hù)力如圖10所示,從圖可得如下結(jié)論。

      (1)當(dāng)折減系數(shù)為2.40時(shí),虛擬支護(hù)力為0,也即掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)為2.40。

      (2)隨著折減系數(shù)的增大(即圍巖性質(zhì)變差),掌子面所需要的虛擬支護(hù)力呈現(xiàn)非線性增大,且在折減系數(shù)小于2.40時(shí),增加的梯度較大,然后增加的梯度較小。

      (3)如果曲線從右向左看,隨著折減系數(shù)的降低(即圍巖性質(zhì)得到改善),掌子面所需要的虛擬支護(hù)力降低,且降低幅度越來(lái)越大,表明通過(guò)改善圍巖性質(zhì),如注漿等,可以有效降低掌子面虛擬支護(hù)力,提高掌子面的穩(wěn)定性。

      圖10 不同折減系數(shù)下掌子面虛擬支護(hù)力

      5 結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

      5.1 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比

      當(dāng)a=0.67時(shí),采用本文的有限元強(qiáng)度折減法得到的掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)是2.90,而采用極限分析法所得掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)為3.42,比有限元強(qiáng)度折減法要大。分析其原因主要有以下兩方面。

      (1)斷面形式的不同,文獻(xiàn)[16]應(yīng)用于盾構(gòu)隧道圓形開挖面的支護(hù)力研究,本文隧道開挖是新奧法施工馬蹄形隧道。

      (2)極限分析的破壞模式頂部為圓錐形,而有限元模擬的塌方頂部類似于拋物線,兩者形狀不太一致,破壞模式的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有所差異。

      5.2 掌子面破壞形態(tài)對(duì)比

      圖11給出了文獻(xiàn)[17—19]中掌子面的塌方情況,對(duì)比圖5與圖11可以得出如下結(jié)論。

      圖11 掌子面試驗(yàn)塌方形態(tài)

      (1)3個(gè)文獻(xiàn)在上部的破壞模式有些差異。其中,文獻(xiàn)[17]的上部類似錐體,且為局部塌方破壞,這與極限分析的結(jié)果類似。文獻(xiàn)[18]的上部是1個(gè)斜向上的圓錐體,也為局部破壞。文獻(xiàn)[19]隨著覆跨比C/D的不同呈現(xiàn)不同的破壞模式,覆跨比小時(shí)為冒頂塌方,覆跨比大時(shí)為局部破壞;塌方體頂部像拋物線狀,中間部分類似筒狀,下部為對(duì)數(shù)螺旋體。

      (2)3個(gè)文獻(xiàn)掌子面塌方體下部曲線均類似于對(duì)數(shù)螺旋線,這與本文有限元模擬結(jié)果及極限分析結(jié)果均一致。

      6 參數(shù)影響規(guī)律

      由公式(2)和公式(3)可知,影響掌子面穩(wěn)定系數(shù)的參數(shù)主要有圍巖的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、重度γ、開挖高度D、地表超載σs和覆跨比C/D等,下面分析各參數(shù)對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

      6.1 圍巖黏聚力對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

      黏聚力對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖12所示,可見(jiàn)隨著黏聚力的增大,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)提高,當(dāng)c<10 kPa時(shí),掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)小于1。可以認(rèn)為,圍巖性質(zhì)差或黏聚力小,會(huì)使得掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低,且降低幅度很大。這也是在松散圍巖地段易發(fā)生塌方的原因(松散圍巖的黏聚力很小,無(wú)自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時(shí)間很短)。

      圖12 黏聚力對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

      6.2 圍巖內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

      內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖13所示,可見(jiàn)隨著內(nèi)摩擦角的增大,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)得到提高,但是提高的幅度不一樣。

      圖13 內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

      對(duì)比圖12和圖13可知,提高圍巖黏聚力比提高圍巖內(nèi)摩擦角更能改善掌子面穩(wěn)定性,也即掌子面穩(wěn)定性對(duì)黏聚力更加敏感。

      6.3 黏聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的共同影響

      掌子面失穩(wěn)時(shí),圍巖弱化表現(xiàn)出黏聚力和內(nèi)摩擦角均降低,因此很有必要研究黏聚力和內(nèi)摩擦角共同對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響。

      黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖14所示,由圖可得如下結(jié)論。

      圖14 黏聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定性的共同影響

      (1)黏聚力和內(nèi)摩擦角共同對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響,并不是1個(gè)平面,而是1個(gè)曲面,表明黏聚力和內(nèi)摩擦角共同對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響也表現(xiàn)出非線性特性。

      (2)圖14(a)中,把等值線的拐點(diǎn)用虛線連接起來(lái)(圖中的虛線),則其類似于地形圖中的山脊線,即此虛線上掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)最高,兩側(cè)最低,故稱此虛線為最優(yōu)路徑。

      (3)當(dāng)黏聚力低于5 kPa時(shí),不論內(nèi)摩擦角如何大,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)始終小于1,表明弱膠結(jié)松散圍巖地段更易發(fā)生塌方,不能自穩(wěn),必須采取加固措施,這個(gè)與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于圍巖自穩(wěn)能力的判斷相吻合。

      6.4 圍巖重度對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

      圍巖重度對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖15所示,可見(jiàn)隨著圍巖重度的增加,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低。

      圖15 重度對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

      6.5 隧道開挖高度D對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

      開挖高度對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖16所示,可見(jiàn)隨著開挖高度的增加,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低,但是降低的幅度不一樣。因此,對(duì)于軟弱圍巖,應(yīng)采取分部開挖,降低一次開挖的高度。

      圖16 開挖高度對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

      6.6 覆跨比C/D對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

      覆跨比對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖17所示,由圖可得如下結(jié)論。

      (1)當(dāng)C/D≤0.75時(shí)(即覆土厚度C≤3.42 m),隨著C/D的增加,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低。

      (2)當(dāng)0.753.42 m),隨著C/D的增加,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)得到提高。

      所以,對(duì)于超淺埋段,掌子面的穩(wěn)定性隨著覆土厚度的增加而降低。此段最好采用明挖法施工,無(wú)條件采用明挖的,宜采用淺埋暗挖法施工,切實(shí)做好掌子面的超前支護(hù)與加固。

      (3)當(dāng)C/D≥3.00時(shí),掌子面穩(wěn)定性系數(shù)不變。當(dāng)C/D≥3.00時(shí)可以認(rèn)為隧道是深埋的,此時(shí)深埋對(duì)掌子面的穩(wěn)定性不影響,這與圖11(c)中深埋的情況類似。

      (4)該曲線存在極值,這可以將其作為確定隧道合理埋深的參考條件之一。

      圖17 C/D對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

      6.7 軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

      軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)a對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖18所示,由圖可得如下結(jié)論。

      (1)隨著a的增加,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低;

      (2)從曲線的斜率來(lái)看,當(dāng)a≤0.3時(shí),降低最快;其次是0.3

      圖18 軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

      6.8 地表超載對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

      2種不同覆跨比時(shí)地表超載對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖19所示,由圖可得如下結(jié)論。

      (1)當(dāng)C/D=2.26時(shí),隨著地表超載的增大,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)呈線性降低。因此,在掌子面穩(wěn)定性差且淺埋地段,對(duì)地表超載要進(jìn)行控制,如限速、禁止堆載等。

      (2)當(dāng)C/D=3.00時(shí),隨著地表超載的增大,掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)不變。這是由于隧道埋深較深,地表超載通過(guò)拱效應(yīng)向兩側(cè)傳遞擴(kuò)散,不會(huì)傳遞到掌子面。另外,根據(jù)Boussinesq公式或Saint.Venant原理,也可知地表超載隨著隧道埋深的增加,其影響的程度逐漸降低。

      圖19 地表超載對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

      7 結(jié) 論

      (1)軟硬地層分界線在拱頂及以上位置,上部軟弱地層的厚度不影響掌子面的穩(wěn)定;此時(shí)應(yīng)關(guān)注已支護(hù)段安全。軟硬地層分界線在掌子面,軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)越大,穩(wěn)定性越??;掌子面中心上部的軟弱地層對(duì)穩(wěn)定性的影響更大。軟硬地層分界線在掌子面以下,軟弱地層的厚度對(duì)掌子面的穩(wěn)定性影響較小。

      (2)隨著軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)的增加,掌子面前方塌方體的體積增大,塌方范圍擴(kuò)大,包括塌方體的高度和深度都在增加;塌方體上部形狀類似于一個(gè)帽子,下部邊界類似于對(duì)數(shù)螺旋線。最大位移值在掌子面軟弱地層中心偏下位置,此處是掌子面位移控制的關(guān)鍵。

      (3)掌子面應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn),形成拱形,存在縱向拱效應(yīng),上部荷載通過(guò)應(yīng)力拱進(jìn)行傳遞;隨著軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)的增加,應(yīng)力拱的范圍在擴(kuò)大,且傳遞到掌子面下部的力更大,因此更應(yīng)注重掌子面中心偏下部的加固。

      (4)黏聚力較內(nèi)摩擦角更能影響掌子面穩(wěn)定性,低黏聚力圍巖更易發(fā)生塌方;黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定性的共同影響存在最優(yōu)路徑。

      (5)掌子面穩(wěn)定性隨著重度、開挖高度的增大而增大,隨著軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)的增大而減小,曲線梯度均呈現(xiàn)前陡后緩,因此應(yīng)從降低圍巖含水量、減小開挖高度等方面改善掌子面穩(wěn)定性。覆跨比C/D對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響存在極值,此可作為確定隧道合理埋深的參考條件之一。地表超載只在淺埋情況下才影響掌子面的穩(wěn)定性。

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