岩溶区深埋隧道围岩力学特性分析.pdfVIP

第 34卷 ，第1期 中 国 铁 道 科 学 V0l_34 No．1 2013年 1月 CHINA RAILW AY SCIENCE January，2013 文章编号：1001—4632 (2013)01—0043—07 岩溶区深埋隧道 围岩力学特性分析 ’ 卞晓琳 ，陈福全 ，苏 峰。，孙书伟 (1．清华大学 环境学院，北京 100084；2．福州大学 土木工程学院，福建 福州 350002； 3．同济大学 土木工程学院，上海 200092；4．中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京 100083) 摘 要：建立溶洞 隧道体系的围岩力学特性理论分析模型，采用 Schwarz交替法推导既有溶洞条件下开 挖深埋隧道时围岩应力和变形的解析解。以齐岳山铁路隧道为例，将围岩力学特性的解析结果与有限元数值结 果进行对 比，验证了模型解析解推导过程的准确性。分析结果表明：溶洞的存在使隧道开挖过程中围岩产生了 偏压现象，靠近溶洞一侧的围岩产生了明显的竖向应力集中，两侧水平应力则差别不大；靠近溶洞一侧围岩产 生了更大的水平位移，两侧最大值之 比约为 1．7；随着溶洞与隧道净距的增大，偏压现象逐渐减弱，净距大于 1．5倍溶洞直径时，可以忽略溶洞对深埋隧道围岩应力的影响。 关键词：隧道；岩溶地区；溶洞；Schwarz交替法；围岩应力 中图分类号：U451．2：P642．25 文献标识码：A 我国岩溶分布面积较大，约占国土面积的三分 之一[】]。在铁路、公路建设工程中常常遇到各类岩 1 理论模型及解析 溶 问题[2]。岩溶对隧道 的影响主要在 以下 2个方 1．1 理论模型 面：一是岩溶的发育规律复杂，一旦被揭露，大量 隧道围岩应力和变形不仅与隧道开挖前岩体的 水、泥会迅速涌人隧道 ，极易造成危害；二是岩溶 初始应力状态、物理力学性质等因素有关，而且也 的存在改变了深部岩体的原始应力场，开挖施工 与施工方法、支护时间、支护几何特征等因素有 时，围岩的应力状态与一般地下工程差别较大。文 关。在力学处理上，岩体 自重可简化为在外边界上 献 F-3]运用断裂力学理论分析了岩溶区深埋隧道 作用均匀分布的垂直荷载和水平荷载。由此引起的 发生突水、突泥的力学机理等。文献 [4—7]通过 计算误差，在洞周是不大的，并且随着隧道埋深的 相似模型试验和数值模拟方法研究了岩溶尺寸对隧 增加而减小，当埋深大于 2O倍洞跨时，可略去不 道围岩稳定性的影响以及溶洞发育程度和位置对围 计[1。建立的溶洞一隧道体系的围岩力学理论模 岩施工力学响应的影响。关于岩溶对隧道围岩应力 型如图 1所示 。 影响的理论分析_8]主要集中在简单孔形，相关理 尸2 论研究成果较少且不成熟 。 lIlJlllIJll 隧道支护设计中若不考虑岩溶的影响，将对隧 道结构的安全性非常不利 。本文将溶洞对隧道开挖 的影响简化为平面应变状态下的溶洞一隧洞 “双