富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析.pdf
《富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023石章入,杨钊,刘朋飞,等.富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析J.公路交通技术,2023,39(3):108-114.SHI Zhangru,YANG Zhao,LIU Pengfei,et al.Stability analysis of tunnel excavation in water-rich fully weathered granite stratumJ.Technology of Highway a
2、nd Transport,2023,39(3):108-114.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.016基金项目:湖北省科技厅项目(2021EJD012)收稿日期:2022-11-11作者简介:石章入(1992),男,湖北省黄冈市人,硕士,工程师,研究方向为岩土与隧道工程施工技术。E-mail:2205499704 。富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析石章入,杨 钊,刘朋飞,贺祖浩,詹才钊(中交第二航务工程局有限公司,武汉 430040)摘 要:隧道穿越富水全风化花岗岩地层时,隧道开挖会引起地下水径流改变,洞内掌子面附近渗流会引起围岩中细颗粒物质流失,改变围岩土体的
3、组成并降低其力学性能,影响围岩整体稳定性,极易诱发其失稳坍塌。基于室内三轴 CD 试验获取全风化花岗岩内摩擦角、粘聚力及抗剪强度等指标,采用强度折减法对隧道稳定性进行定量分析,并研究了降水措施对隧道稳定性的影响。研究结果表明:1)开挖后全风化花岗岩中细颗粒逐渐流失,引起干密度、粘聚力及内摩擦角降低,进而降低围岩抗剪强度及自稳性,诱发隧道失稳坍塌;2)隧道稳定性安全系数随着渗流导致围岩软化发展而减小,拱顶沉降及仰拱回弹变形则随之显著增加,开挖后塑性区范围逐渐增大,从拱脚向拱腰发展,并逐步向地表扩展;3)洞周采取降水措施可降低洞周含水率,能提高隧道开挖稳定性,可直接提高围岩的安全系数。关键词:全风
4、化花岗岩;隧道稳定性;强度折减法;降水文章编号:1009-6477(2023)03-0108-07 中图分类号:U457+.2 文献标识码:BStability Analysis of Tunnel Excavation in Water-rich Fully Weathered Granite StratumSHI Zhangru,YANG Zhao,LIU Pengfei,HE Zuhao,ZHAN Caizhao(CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,Wuhan 430040)Abstract:In water-rich weathered g
5、ranite strata,tunnel excavation lead to the change of groundwater flow,and the seepage near the tunnel face causes the loss of fine particles,the change of composition and the deterioration of mechanical properties of surrounding rock,wich also affects the stability of tunnel surrounding rock and in
6、duces instability and collapse.The indexes of friction angle,cohesion and shear strength of fully weathered granite are obtained through the indoor triaxial CD test,the tunnel stability is quantitatively analyzed by strength reduction method,and the influence of dewatering measures on tunnel stabili
7、ty is studied.The research results show that:1)The fine particles in the fully weathered granite gradually lost after excavation,which caused the dry density,cohesion and internal friction angle to decrease,thereby reducing the shear strength and self-stability of the surrounding rock and inducing t
8、unnel instability and collapse;2)The safety factor of tunnel stability decreases with the development of surrounding rock softening caused by seepage,while the settlement of the vault and the rebound deformation of the invert increase significantly.After excavation,the plastic zone gradually increas
9、es,developing from the arch foot to the arch waist and extending to the surface;3)Taking precipitation measures to reduce the water content around the tunnel can improve the stability of tunnel excavation,which is more direct and effective to improve the safety factor.Keywords:fully weathered granit
10、e;tunnel stability;strength reduction method;dewatering 隧道失稳塌方是浅埋暗挖隧道施工中常见的风险事故,严重危害人员安全、工程施工进度和质量。隧道失稳坍塌不仅与岩土体岩性、构造、强度相关,还与水的作用及人为因素有关1。当岩土层中有高渗透性土层时,在高水压作用下极易导致地下水渗流,进一步影响开挖面的稳定2-3。隧道穿越风化花岗岩地层,将面临开挖后因地下水渗流诱发围岩失稳坍塌的问题。尽管风化花岗岩在天然状态下具有较好的力学性能,但开挖扰动后其透水性增强,且由于风化花岗岩的水稳性较差,遇水后易软化崩解,致使岩体碎裂形成散体、强度急剧衰减4。因此
11、,在风化花岗岩地层进行隧道施工,其塌方与风化花岗岩受水浸泡后的崩解、软化息息相关5。如广西山心隧道因全风化花岗岩水稳性差、导水通道发育,在施工扰动和地下水共同作用下,引起掌子面渗透失稳,诱发多次突水灾害6;炎汝高速新加洞隧道地处花岗岩风化层,通车运营后强度降低,致使衬砌劣化开裂,影响结构安全和运营安全7;广西均昌隧道因富水的全强风化花岗岩受地下水长期浸泡软化,掌子面局部渗流失稳形成突水通道,演化发展成突水突泥灾害8。为此,针对在富水风化花岗岩地层中的施工隧道,由于其特殊的遇水软化特性,开展隧道开挖-渗流耦合过程稳定性分析,并采取有效的处置措施尤为关键。目前,专门针对富水风化花岗岩地层施工隧道稳
12、定性影响的研究较少,且尚未有风化花岗岩随渗流作用软化后隧道稳定性影响定量分析的研究。为此,本文依托福建董奉山隧道工程,通过室内试验获取开挖过程中全风化花岗岩力学参数,结合强度折减法对渗流引起围岩软化后的隧道稳定性进行定量分析。1 工程概况国道 G316 线长乐漳港至营前段工程董奉山隧道位于福州市长乐区,单洞长 4 059 m,为 4 洞分离式特长隧道。浅埋段穿越或紧邻多条山凹冲沟,地下水以孔隙水、风化带网状孔隙裂隙水及带状构造裂隙水为主。隧道围岩为富水砂土状全风化花岗岩,根据勘察资料,其物理参数及性状如表 1所示。表 1 全风化花岗岩物理参数及土质评价Table 1 Physical para
13、meters and soil quality evaluation of completely weathereel granite土层名称含水率 w/%塑限 wp/%液限 wL/%塑性指数 IP状态描述全风化花岗岩33.425.738.612.9可塑,极破碎,类围岩 从表 1 可知,全风化花岗岩含水率较高,为可塑状态,极破碎,为类围岩。浅埋段隧道开挖过程中,由于围岩软弱、自稳能力差,加之地下水丰富,开挖进尺缓慢(约 1015 m/月)。开挖过程中,部分断面出现坍塌、大变形、初支侵限及渗水现象,地表随之出现裂缝等地质灾害,如图 1 所示。右辅洞里程 FYK6+240 断面出现大变形后,继续开
14、挖至里程FYK6+245.8、FYK6+250 时,拱顶再次出现坍塌,塌方量均超过 20 m3。2 隧道开挖稳定性分析隧道开挖过程中,渗流的不利作用主要体现在2 方面:1)地下水渗流致使细颗粒流失,引起全风化花岗岩颗粒级配和干密度变化,影响围岩力学性质;2)全风化花岗岩遇水软化,其强度随着含水率增大而减小9,隧道开挖后,掌子面成为新的地下水排泄口,渗流造成掌子面围岩含水率增加,隧道开挖(a)FYK6+240 断面掌子面塑性挤出(b)地表裂缝图 1 隧道开挖引起的洞内外变形Fig.1 Deformation inside and outside the tunnel caused by tunn
15、el excavation901 第 3 期 石章入,等:富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析过程中易引起围岩饱水,造成坍塌。目前,隧道围岩稳定性的研究方法主要有数值模拟、现场监测数据分析和强度折减法等,本文采用数值模拟和强度折减法分析隧道稳定性 10-12。分析步骤:1)通过室内三轴 CD 试验分析细颗粒流失后全风化花岗岩粘聚力 c、内摩擦角 的变化规律;2)采用有限元数值模拟,通过强度折减法依干密度d的变化对粘聚力 c、内摩擦角 进行折减,分析物理力学参数对隧道稳定性的影响。2.1 围岩颗粒级配随着隧道开挖,在掌子面进行取样,筛分后测得颗粒级配变化,如图 2 所示。FYK6+250 断面
16、相对于 FYK6+240 及勘察报告中干密度数据,在渗流作用下细颗粒逐渐侵蚀流失,全风化花岗岩干密度逐渐减小,这将引起风化花岗岩力学性质及隧道围岩稳定性的变化。图 2 颗粒级配变化Fig.2 Variation of particle grading2.2 围岩抗剪强度确定为分析随着隧道开挖,细颗粒流失后干密度逐渐减小对围岩抗剪强度指标参数的影响,采用 GDS三轴试验仪,通过饱和土 CD 试验研究全风化花岗岩的力学特性,试验围压设置为 3 个等级:100 kPa、200 kPa 及300 kPa,试样干密度分别为1.64 g/cm3、1.56 g/cm3、1.49 g/cm3、1.43 g/c
17、m3及 1.39 g/cm3;重点分析粘聚力 c、内摩擦角 与干密度 d之间关系。根据式=tan+c,饱和的全风化花岗岩试样粘聚力 c、内摩擦角 与干密度 d存在拟合关系,如图 3 所示;剪应力 与干密度 d也存在拟合关系,主应力=100 kPa、200 kPa 及 300 kPa 时,拟合的剪应力 与干密度 d之间的关系如图 4 所示。由图 3 可见,随着干密度减小,内摩擦角、粘聚力均呈线性减小趋势;干密度从 1.64 g/cm3减小至 1.39 g/cm3时,干密度减小 15%,内摩擦角减小 10.5%,粘聚力减小 27.4%,表明干密度对粘聚力的影响更显著。由图 4 可见,随着干密度 d
18、减小,均呈线性减小趋势。(a)c 与 d关系(b)与 d关系图 3 c、与 d关系Fig.3 Relationship between c、and d图 4 抗剪强度 与 d关系Fig.4 Relationship between and d2.3 隧道开挖稳定性数值分析1)数值模型的建立为分析富水全风化花岗岩在隧道施工过程中的安全系数,采用 MIDAS GTS NX 软件建立有限元模型,并应用强度折减法对董奉山隧道右辅洞里程011公 路 交 通 技 术 第 39 卷FYK6+240 FYK6+250(图 2 中干密度 d从 1.64 g/cm3减小至 1.39 g/cm3)开挖-渗流耦合时的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 富水全 风化 花岗岩 地层 隧道 开挖 稳定性 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。