及时支护隧洞变形规律研究及稳定性评价.pdfVIP

No.5 第5 期 水利水运工程学报 2014 年 10 月 HYDRO-SCIENCE AND ENGIl泪盈:RING Oct. 2014 及时支护隧洞变形规律研究及稳定性评价 刘乃飞1 ，李宁1 气郭晓刚3 (1.西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安 71∞48; 2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工 程国家重点实验室，甘肃兰州 73∞∞; 3. 奥地利维也纳农业大学，维也纳维也纳 999013 ) 摘要:针对软岩及土质隧洞围岩强度低、稳定性差及现有隧洞围岩稳定性评价方法对及时支护隧洞的不适用 性，通过数学模型试验系统研究了弹性模量、泊松比、秸聚力、内摩擦角、埋深、洞径和侧压力系数等与需及时支 护隧洞拱顶围岩变形和喷层受力的相互关系，并据此探讨了以支护结构安全性为标准的隧洞围岩稳定性评价 新理念。该理论在新疆库尉输水工程的成功应用表明其具有较好的可靠性。数值试验结果显示各因素对拱顶 围岩变形和喷层应力影响显著，且对大主应力的影响尤为明显，随变形的发展喷层拱顶处应力主轴对调，大、小 主应力名称互换。喷层大主应力随弹性参数的增大而增大，随强度参数的增大而减小。该研究成果能为软岩 隧洞工程的设计和施工提供理论指导。 关 键 词:软岩隧洞;拱顶变形;变形规律;喷层应力;数值分析:稳定性评价 中图分类号: TV554 文献标志码:A 文章编号: 1αJ9-640X(2014)臼拍53-(泡 随着我国经济建设的蓬勃发展，水电、金属矿山、交通运输等各行业均取得了举世瞩目的成绩[1] ，并逐 渐将工程建设场所转向水文工程地质比较恶劣的地区，特别是在软岩及土质地区修建了一大批隧洞工程。 据不完全统计，仅近 10 年新增的输水隧洞中，软岩隧洞就占新增隧洞总长的24.0% [2J 。根据国际岩石力学 学会的定义，软岩是指单轴抗压强度在0.5 -25 MPa 之间的一类岩石[3] ，具有强度低、遇水易软化和稳定性 差等特点。在软岩中开凿地下洞室，最主要的问题就是解决施工过程中的安全问题，保证施工过程中的围岩 稳定，减少塌方，避免人员伤亡和财产损失。然而实际上在软岩或土质地层修建地下洞室的过程中均发生过 不同程度塌方事故，这逐渐引起了科研人员的关注，软岩隧洞的变形特征和稳定性问题开始得到研究。付敬 等[4J 采用三维黠弹塑性数值方法研究了围岩的流变特性与时效变形。刘小伟等[5J 研究了浅埋红层软岩隧 洞的变形和应力变化特征。李叶等[6J 通过原位测试、室内试验和监测手段研究了软质围岩变形特征和机 理。曹东杰[7J 对穿越软岩等复杂地质条件下隧洞支护体系的受力特性及其稳定性进行了评估。张鹏等川 结合工程经验建立了隧洞顶拱变形与塑性区、松动区半径大小的关系式。杜守继[8J 和焦苍等[9J 采用有限差 分软件分别研究了软岩隧洞受力变形特征和软弱围岩在开挖过程中的大变形机理。黄林伟等[ω] 从软岩隧 洞开挖和支护两个方面探讨了软岩隧洞变形机理。戴宏亮等[IIJ 分析推导了软岩隧洞锚固区流变问题的理 论模型和解法。李鸿博[町、张青龙[日]等对软岩隧洞变形的空间效应和时间效应进行了研究，并分析了软岩 隧洞的变形机理。上述研究成果为我国隧道工程建设的顺利开展做出了巨大贡献，但这些研究工作多服务 于具体的工程项目，且没有给出及时支护情况下软岩隧洞的应力和变形规律，因此开展具有普遍意义的需及 时支护隧洞的变形规律及稳定性方面的研究尤为重要。 本文通过设定详尽的数值试验方案分别研究在不同洞径、不同埋深、不同强度参数和不同弹性参数等条 收稿日期: 2014-05-25 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ;西安理工大学博士学位论文创新基金(207-∞211306 ) 作者简介:刘乃飞(1985-) ，男，陕西神木人，博士研究生，主要从事隧道工程、边坡工程、水热力三场藕合方面的研究。 E-mail: liunaifeiI985@126.com 54 水和j 水运