三孔小净距隧道群极限状态下围岩破坏特征研究

陈 鹏, 吴 贲, 杨小礼



三孔小净距隧道群极限状态下围岩破坏特征研究

陈 鹏, 吴 贲, 杨小礼

(中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙, 410075)

平行三孔大断面小净距隧道开挖时, 围岩应力场经过多次扰动叠加发生重分布, 不再是单个隧道的简单叠加. 利用强度储备法求得极限状态下的隧道围岩各点的安全系数, 绘出开挖断面附近围岩的点安全系数分布图, 并对不同净距与埋深对围岩极限状态的破坏特点进行研究. 结果表明: 随着净距的增大, 洞周达到强度极限的围岩范围增大, 围岩自身稳定性不断提高; 埋深较小时, 边洞的拱顶变形小于中洞, 而当埋深大于25 m时, 三洞的沉降大致相等.

三孔小净距隧道; 埋深; 点安全系数; 极限状态; 围岩稳定性

目前对单孔隧道及双孔隧道极限状态下围岩破坏的特征研究已较充分, 但对于三孔小净距隧道的研究较少.

本文以韩府山隧道为依托工程, 研究三孔小净距隧道群极限状态下围岩的破坏特征. 首先使用强度储备法得到极限破坏状态下隧道周边的点安全系数, 即围岩内某点极限剪切应力强度与该点的实际剪切应力的比值. 再来分析三孔隧道群在不同的净距、不同的埋深下围岩极限状态的破坏特征, 从而为多孔隧道的设计与施工提供参考.

1 工程概括

韩府山隧道群位于南京市雨花区铁心桥街道管辖区内, 是南京铁路枢纽土建工程NJ-3标段内的控制性重点工程. 其一、二、三号隧道均为双线隧道, 穿越韩府山, 隧道最大埋深约60 m, 浅埋偏压地段较长.

韩府山一号隧道是京沪高速铁路上的一座双线隧道, 全长409 m; 韩府山二号隧道为沪汉蓉高速铁路上的一座双线隧道, 全长365 m; 韩府山三号隧道为宁安铁路上的一座双线隧道, 全长355 m. 隧道平面布置如图1所示.

韩府山隧道群的一、二、三号隧道净距很小, 约为6～10 m, 为小净距隧道. 施工时, 先施工韩府山一号隧道及韩府山四号隧道, 再施工韩府山二号隧道. 韩府山二号隧道的掌子面与韩府山一号隧道的掌子面至少要相距50 m.最后施工韩府山三号隧道, 韩府山三号隧道的掌子面与韩府山二号隧道的掌子面至少要相距50 m.

由于隧道数目的增加, 使得平行三孔大断面小净距隧道不再是单个隧道情形的简单叠加. 随着隧道的开挖, 围岩应力场经过多次扰动叠加和重分布后变得更复杂[1-6].

多孔小净距隧道施工的关键是尽量避免或减小对相邻隧道的扰动和影响, 在小净距和大断面的不利影响下, 隧道间施工相互影响更大, 隧道拱顶上方产生的松弛荷载与下沉变形比普通两车道双孔小净距隧道更大, 更易出现拉伸破坏和塌方, 支护结构体系的受力和破坏形态更加复杂, 整个隧道的稳定性更差, 施工难度和风险更大.

图1 韩府山隧道群平面布置示意图

2 隧道群净距对极限破坏状态特点的影响

首先, 求得不同隧道净距情况下围岩的剪切安全系数, 再根据这些安全系数即可得到与之对应的不同净距情况下围岩极限破坏状态. 对这些围岩极限状态进行相关研究, 了解净距对围岩极限破坏状态特点的影响.

图2为埋深= 25 m时, 多种围岩极限破坏状态下, 净距= 6, 8, 10, 12, 14, 16 m时, 洞室周边点安全系数图. 当= 6 m时, 如图2(a)所示, 围岩极限破坏状态下洞室周边发生临界破坏(点安全系数小于1.02, 即认为该点达到极限破坏状态)的区域主要为: 洞室相邻侧拱腰处(中间岩柱)和边洞外侧拱肩处, 并且从图2(a)可看出该发生破坏的区域较小, 大部分围岩均未达到破坏状态(未充分发挥其强度), 从而可知该净距下围岩稳定性较差. 其它埋深情况下, 洞周破坏特点相关分析见表1.

表1 围岩极限破坏状态下洞周破坏特点分析(H = 25 m)

从表1可以看出, 净距= 6～12 m时的破坏区域百分比增加速度要明显大于净距= 10～16 m时的增速. 从图2可以发现, 在净距较小的情况下拱顶的安全系数较大, 且中洞大于边洞, 并且随着净距的增大该安全系数值不断减小.

因此, 对于平行三孔小净距隧道, 为了能够更好地发挥出围岩自身的强度及提高围岩自身的稳定性, 应尽可能地增大隧道净距.

以埋深= 25 m为例, 若各方面条件允许, 应尽可能地增大隧道净距, 并且应尽量使之达到12 m, 因为在< 12 m的区域内, 围岩自身稳定性随净距增大而提高的速度尤为显著.

图2 极限破坏洞周点安全系数图(H = 25 m)

3 隧道群埋深对极限破坏状态特点的影响

首先, 求得不同隧道埋深情况下围岩的剪切安全系数, 再根据这些安全系数即可得到与之对应的不同埋深情况下围岩极限破坏状态. 对这些围岩极限状态进行相关研究, 了解埋深对围岩极限破坏状态特点的影响.

主要从以下2方面来研究埋深对围岩极限破坏状态特点: a. 确定洞周各点安全系数, 从而判断主要发生破坏区域(图3); b. 确定围岩位移矢量, 研究洞周各个位置的变形情况(图4). 图3及图4分别为净距= 6 m时, 围岩极限破坏状态下洞周点安全系数和洞周位移矢量示意图.

图3 极限破坏洞周点安全系数图(W = 6)

从图3发现洞室顶部的安全系数值比较大, 表明该处围岩较稳定. 从图4可以看出, 在各种埋深情况下, 洞周变形主要发生在洞室拱顶及拱肩、洞室相邻侧拱腰. 洞室相邻侧拱腰及边洞外侧拱肩发生破坏并形成相应的破坏面, 致使拱顶发生较大的整体位移, 这些位置虽产生较大位移, 但根据安全系数基本理论可知该位置处的点安全系数值不会因此而大幅度下降.

图4 围岩极限破坏位移示意图(W = 6)

4 结论

在埋深较小的情况下, 中洞变形要明显大于边洞, 且在洞室顶部位置表现得尤为明显; 随着埋深的不断增大, 边洞变形的增加速度要明显大于中洞, 且当埋深> 25 m时, 边洞拱顶沉降基本上与中洞拱顶沉降值相等.

[1] 陈鹏, 杨小礼, 黄阜．浅埋三孔隧道围岩位移场解析解研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2011, 8(1): 87-90.

[2] 王明年, 李志业, 关宝树. 三孔小间距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术研究[J]. 岩土力学, 2002, 23(6): 821- 824.

[3] 胡元芳. 小线间距城市双孔隧道围岩稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(9): 1335-1338.

[4] 杨小礼, 王作伟. 非线性破坏准则下浅埋隧道围岩压力的极限分析[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2010, 41(1): 299-302.

[5] 杨小礼, 王作伟, 陈杰. 既有隧道扩建工程及衬砌稳定性研究[J]. 交通科学与工程, 2010, 26(1): 49-52.

[6] 陈鹏, 吴贲, 杨小礼. 三孔小净距隧道围岩安全系数分析[J]. 湖南文理学院学报: 自然科学版, 2011, 23(2): 55-58.

Failure property of surrounding rock for three tunnels with small interval

CHEN Peng, WU Ben, YANG Xiao-li

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China )

As the distribution of surrounding rock stress caused by disturbance and superposition, the field of the surrounding rock stress is no longer the simple sum of single tunnel when parallel tri-tunnel with large-span and small-distance is excavated. By obtaining the point safety coefficient of limit state by the strength reserve method, the figure of the point safety coefficient distribution near excavation section is drawn. What’s more, the damage characteristics of limit state of surrounding rock with different interval and buried depth is analyzed. The result shows that the area of the surrounding rock reaching the strength limit and the stability increases with different interval. The crown settlement of side tunnel is smaller than the middle one when the buried depth is small and that of the three tunnels is roughly equal when the depth is larger than 25 m.

three tunnels closely built; coverdepth; point safety coefficient; limit state; stability of the surrounding rock

U 451+.5

1672-6146(2012)01-0059-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.01.016

2011-11-17

中铁四局集团有限公司资助项目(2260)

陈鹏(1986-), 男, 硕士, 研究方向为小净距隧道工程. E-mail: chenpeng6891@126.com

(责任编校:江 河)