川中红层软岩高速铁路隧道基底上拱机理研究.pdf
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1、 年 月第 期(总)铁 道 工 程 学 报 ()收稿日期:基金项目:中铁二院工程集团有限责任公司科研项目(科 )作者简介:刘毅,年出生,男,高级工程师。文章编号:()川中红层软岩高速铁路隧道基底上拱机理研究刘毅陈梦发程谦恭(中铁二院工程集团有限责任公司,成都;西南交通大学,成都)摘要:研究目的:由于川中红层其特殊的物理力学性质,区域内多个高速无砟铁路隧道发生基底上拱病害,严重影响铁路运行安全。本文以川中软岩某高速铁路隧道为研究对象,结合实际工程地质条件和现场调查,概化物理模型,通过离心模型试验、数值模拟,分析开挖前后法向与水平应力大小关系,研究侧压力系数、软岩埋深、软岩层厚对基底上拱的影响,以
2、期为铁路勘察设计提供技术帮助。研究结论:()法向与水平应力的相对大小是造成隧道及其下伏地层上拱的关键因素,开挖后地应力的变化是导致基底发生上拱病害的重要原因;()软岩夹层改变了夹层内及其下部地层位移矢量方向,也大大增加了基底上拱量;()隧道基底最大上拱量随初始侧压系数增加而增大,最大上拱地层深度和范围随着初始侧压系数、软岩埋深和软岩层厚的增加而减小;()本文研究可为运营铁路工程整治措施提供参考。关键词:软岩隧道;基底上拱;上拱机理;离心模型试验;数值模拟中图分类号:文献标识码:,(,;,):,:()(),(),():;随着国家经济的持续快速发展需求以及建设以成渝为中心的双城经济圈提上日程,加快
3、发展轨道交通成为必然选择,川中地区占据着重要地理位置。川中“红层”岩性偏软、力学性能差、受水的影响大、普遍具有膨胀性和流变性 ,造成该地区部分修建或运营中的高速无砟铁路隧道基底出现超过允许值 的上拱变形,如云顶隧道、玄真观隧道 等。目前已有学者就隧道围岩特性、地应力、隧道结构设计以及隧道施工工艺等因素对上拱特征及机理开展了大量的实际调查和研究分析,表明含膨胀性黏土矿物的软岩片岩 、裂隙渗入水或者基底积水、围岩岩性软弱和复杂的地质构造、支护形式简单且排水不充分、仰拱填充结构上的水压力等因素均可能造成基底上拱病害。前期的研究多是处于事后特征归纳与原因推导的起步阶段,已有的试验多数从岩层膨胀性和水作
4、用角度进行室内小型试验,缺乏从应力角度对隧道开挖后围岩的应力变化、位移变形及其相互关系和基底上拱的影响因素的相关研究和系统分析。因此,本文从竖向应力与水平应力的大小和软岩夹层条件入手,对基底上拱进行相关研究分析,以期为铁路勘察设计提供技术帮助,为运营铁路工程整治措施提供参考。研究区工程地质条件 地形地貌本文调查与讨论的重点区域主要是位于川中红层区域中部及其周围区域,主要为海拔 的浅丘、中丘和深丘,其形态有圆丘、方丘、垄状丘、脊状丘等。地层岩性研究区出露地层较简单,表层为第四系覆盖层,其下为上侏罗统蓬莱镇组泥岩及砂岩。泥岩呈紫红、灰褐色,泥质结构,厚层状为主,主要由黏土矿物组成;砂岩呈青灰、棕黄
5、色,粉砂质结构,泥钙质胶结,中厚层状。研究区内的“红层”是工程地质领域的研究热点,其砂质主要是石英,含部分长石;胶结物以泥、砂为主,化学胶结物主要由硅质、钙质和铁质物质组成,其地层岩性因此具有较差的物理力学性能,遇水易软化,失水易崩解,有一定的膨胀性和流变性,工程性能差等特殊性质。地质构造研究区内的构造要素以褶皱为主,包括龙泉山背斜、城门洞向斜和尖峰顶背斜等。结合区域地质构造特征分析,该区域具有一定水平地应力作用,主要构造应力场方向为北西向,主要受龙门山推覆构造及喜山后期东西向水平挤压影响。地应力特征地应力特征是地应力隧道必须考虑的一个因素。不少学者 利用实测地应力数据,统计得出地表浅层法向应
6、力与埋深线性相关。侧向系数随埋深的增加而逐渐减少,普遍以 占大多数。研究地区由于其地壳浅层构造运动强烈,其变化规律与中国大陆地区存在明显差异;随深度增加,研究地区的侧向系数迅速从较大值收敛于 ,地应力场以水平应力为主。离心模型试验准备土工离心模型试验是以相似理论为理论基础,将原型材料按一定的比例尺制成模型后,在试验过程中得到相关数据,由离心试验原理实现预定研究目的。本文选用相似比 为。离心试验设计试验利用四川中部的典型“红层”原状岩层材料 侏罗系沙溪庙组地层,其物理力学参数如表 所示。试验通过提升填筑夯实度、增加静置时间和利用高加速度离心固结来增加填筑模型的密实度。表 物理力学参数岩石名称密度
7、()抗压强度 自由膨胀率 膨胀力 砂岩 泥岩 川中地貌总体呈现高低错落的低缓丘陵,褶皱作用明显,浅表层地应力水平应力大于法向应力,试验利用地貌高差实现水平应力大于垂直应力的应力场,模型概况如图 所示。通常铁路隧道衬砌大小在 之间,厚度 ,根据缩尺比例,制作的隧道衬砌均匀性和强度得不到保证。因而以隧道结构的抗弯刚度为主要考虑因素采用铝管模拟隧道模型,而隧道同时存在横向受弯和纵向受弯,隧道模型与原型的横向受弯相似比尺关系计算公式如下:()式中,模型的弹性模量和横截面惯性矩;铁 道 工 程 学 报 年 月19.5 cm26 cm12 cm9 cm12 cm16 cm5.5 cm100 cm表层填筑加
8、高;砂岩层;泥岩;模型箱空白区注:11 cm图 离心试验模型图 离心加速度;,原型隧道的弹性模量和横截面惯性矩。隧道模型与原型的纵向受弯相似比尺关系计算公式如下:()式中,模型和原型中的纵截面惯性矩。横截面惯性矩计算公式为 ()式中 隧道厚度。纵截面惯性矩计算公式为 ()()式中 隧道半径。弹性模量的计算公式为 ()其中 ()式中 弹性模量;竖直的集中荷载;薄板固端至荷载作用端距离;薄板惯性矩;薄板厚度;薄板施加的宽度。实际隧道的级复合式衬砌采用 气密性混凝土,厚度为 ,仰拱厚度为 ,代入隧道原型衬砌参数进行计算。根据结果,拟定使用均质铝管代替隧道结构,其弹性模量为,厚度为 ,结合实际的隧道直
9、径与铝管原材料的规格,试验选用隧道外径模型尺寸为 ,已有学者应用相近材料进行了模拟试验。数据采集设备试验使用 个量程为 的微型土压变送器(型),命名为 ,采集隧道两侧和基底围岩不同位置的法向与水平应力数据。将标志物按间距依次插入试验模型,利用高速相机获取图像,利用图像处理软件得到隧道周身围岩以及下伏地层的位移变化情况。离心模型试验数据分析 应力试验过程中、和 损坏,将其余土压力计数据绘制成图,如图 所示,其中的灰色区域代表开挖阶段,忽略从 到 的离心加速度加载过程数据。固结结束后,隧底下方的竖直应力小于水平应力,达到离心试验的预期目标。注:-200-300-400-500-600-700-80
10、0-900压力数据/kPa时间/d开挖前固结开挖开挖后固结P2;P3;P4;P5;P7;P80625 0400800 833P8P6P3P2P1P4P7P511 cm11 cm隧道中线图 土压力数据汇总图由图 可知,开挖后应力均发生不同程度变化,隧道埋深 法向和右侧水平应力以及隧底法向应力减小,隧底左侧水平应力和隧道旁侧水平应力增加,且应力变化幅度随埋深增加而减小,法向应力变化幅度大于水平应力。固结阶段两个埋深位置的法向应力差值基本符合自重应力公式,开挖后埋深 围岩法向压力减小幅度小于隧道底部。固结阶段水平应力随埋深增加而增大,开挖后隧道旁侧和基底的水平应力增加,而埋深 水平应力减小。固结阶段
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