蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究.pdf
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1、文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目()作者简介:侯永兵()男山西运城人高级工程师研究方向为城市轨道交通、铁路工程:.引文格式:侯永兵.蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究.铁道建筑技术():.蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究侯永兵(中国铁建股份有限公司华南区域总部 广东广州)摘 要:为解决大埋深软岩盾构隧道衬砌结构的稳定性问题依托广佛环线广州南站至白云机场段工程段盾构隧道工程采用 岩石三轴压缩流变试验机对泥质砂岩试样进行了室内蠕变试验确定了数值模拟中 模型描述隧道泥质砂岩的蠕变特性的适用性采用数值模拟对围岩蠕变作用下大埋深软岩盾构隧道
2、力学特性展开了探究结果表明:蠕变过程分为逐渐衰减和稳定蠕变两个阶段围岩蠕变会造成内力值、弯矩以及应力值增加从而使盾构隧道管片结构变形更加严重当洞径不同时其产生的围岩蠕变过程中弯矩值、轴力值、变形值、应力值的变化趋势基本相同如果洞径持续增大其周边的岩石产生的压力更加明显尤其集中体现在衬砌结构(管片)上衬砌变形程度也更大管片衬砌外侧接触压力与洞径成正比同时拱腰处的接触压力所受到的影响相对较大 研究结果可为大埋深软岩盾构隧道的设计和施工提供指导关键词:大埋深软岩 衬砌结构 蠕变试验 模型 洞径 盾构隧道中图分类号:.文献标识码:./.():.:().:引言随着我国经济的不断发展城市化水平越来越高城市
3、规模也越来越大表现出城市空间向三维方向发展的强烈趋势中心城市在平面上的扩大也引起外围市区及周边城市的快速发展和城市化进程 同时受周围复杂环境条件的限制城市市政综合管廊、地铁及城际铁路在穿越地下环境及地质环境特殊区域时为了减小施工对地面及地层环境的影响降低工程施工风险在进行工程的设计时增加线路的埋深是重要铁道建筑技术 ()侯永兵.蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究的选择之一 因此深埋空间的综合利用逐渐成为城市发展的趋势针对深埋空间的综合利用不少学者已经做了大量的工作 周建军等采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法研究了软岩及硬岩地质条件下 导洞扩挖技术的优劣为深埋长隧道的安全有效开挖
4、提供方法 吴奎等对深埋软岩隧道的让压支护技术进行了研究探究了岩石变形参数、让压支护参数对支护效果的影响 黄懿等研究了考虑蠕变效应下相邻隧道的施工对既有隧道产生的影响并提出施加隔离桩技术可有效控制既有隧道的变形 徐镓采用数值模拟对软岩隧道支护技术进行了研究 但是目前的研究成果缺乏普遍的工程指导意义 由于蠕变效应受许多因素的影响如水文地质条件、隧道断面大小等 因此有必要结合实际项目针对具体问题进行进一步研究本研究基于蠕变试验所得结果采用数值模拟分析了大深埋软岩条件下不同洞径对盾构隧道力学特性的影响研究结果对该盾构隧道的建设具有十分重要的现实意义同时也为珠三角城际铁路后续盾构法隧道工程及国内类似工程
5、提供重要参考 工程概况广佛环线广州南站 白云机场段盾构隧道的外径为 衬砌管片厚度为 管片环宽为 管片拼装为“”分块的模式隧道埋深十余米至上百米不等最大覆土厚度超过 埋深极大本段盾构隧道工程主要穿越泥质砂岩其围岩易吸水软化强度低属于软岩的范畴在深埋条件下隧道围岩的变形发生持续时间长变形大对隧道衬砌结构的影响较大 岩石蠕变试验.试验仪器设备及方法试样采用圆柱体直径为 高为 试样的两个端面需要经过打磨处理使岩样的两个端面位于同一轴线上从而使试验结果更加准确 试验采用 岩石三轴压缩流变试验机仪器最大荷载值为 最大值围压值为 二者恒定时间大于半年泥质砂岩蠕变试验变形曲线如图 所示由图 可以看出泥质砂岩试
6、样本身的蠕变较为典型如果针对该试样添加相对较低的应力水平其会呈现稳定流动的状态如果此时将应力水平调整至.试样的应变率先会发生减小然后开始逐渐增大呈现出不稳定的流变状态在各个应力水平条件下泥质砂岩试件会发生弹性变形所以在各个应力水平下蠕变模型需要包含能反映岩石瞬时弹性变形的元件当工程进度不断向前推进时围岩试样将会发生不同程度的变形因此其必须具备黏性变形的特征蠕变模型还需要具有黏性元件图 泥质砂岩蠕变试验变换曲线.本构模型在较高的应力水平下泥质砂岩主要有 个阶段的变形历程:第 阶段为瞬时弹性变形第 阶段为减速蠕变阶段第 阶段为等速稳态蠕变阶段第 阶段为加速蠕变阶段 在数值模拟时 模型以及 模型均能
7、模拟软岩的蠕变特性除此之外 模型还可以模拟岩石的加速蠕变阶段 所以本文在模拟计算泥质砂岩的蠕变特性时选取 模型 蠕变作用下洞径对盾构隧道力学特性影响数值模拟分析.三维模型构建采用数值软件建立考虑流固耦合效应的三维数值模拟计算模型所建模型的尺寸为:()()()所建三维数值模型如图 所示 模拟计算过程遵循 屈服准则图 数值模拟分析整体模型根据工程地质勘察报告和隧道设计标准确定了岩石的物理和力学参数围岩的泊松比为.内摩铁道建筑技术 ()侯永兵.蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究擦角为.密度 /弹性模量.粘聚力为.初始条件和边界条件:模型四周及底面采用法向位移约束条件模型内部和表面加入应力
8、的基础上通过模型的演练对地层的实际应力场进行综合模拟.蠕变作用下洞径对盾构隧道力学特性影响分析为研究围岩蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性的影响设计计算工况见表 表 不同洞径计算工况工况洞径/.衬砌管片变形主要研究聚焦于两个关键阶段分别为盾构掘进完成后和蠕变值为 以后通过模型演练可获得其具体数值不同洞径下管径向变形情况如图 所示 由图 可看出这两个阶段产生的蠕变效果和管片衬砌变形的影响基本相同 洞径类型不同其产生的变形规律依然保持不变当 洞径 时管片衬砌产生的拱底隆起数值最高在 时盾构隧道管片的最小变形位于拱底部位 如果盾构隧道的洞径持续增大相应地对围岩周边结构产生的作用力越大从而导致
9、其被“压扁”的程度更加明显图 不同洞径下管径向变形情况(单位:)隧道围岩发生蠕变的过程中各个类型的洞径产生的作用力以及管片衬砌在不同位置的形变效果规律如图 所示 从图 可以看出随着时间的推移拱顶处的竖向变形的程度会加强而拱底处的竖向变形从最开始隆起慢慢转变成沉降 此外当围岩发生蠕变导致盾构隧道管片衬砌全部沉降时如果此时 拱底区域产生的纵向变形将由大变小 本节选择的围岩蠕变参数和.节取值相同 通过图中呈现的变形来看其经历了持续减弱直至稳定在此过程中上述两个阶段产生的变形效果基本相同具体数值分别为 、图 不同洞径下围岩蠕变过程中管片变形情况基于图 呈现的不同阶段产生的变化效果本次研究设定盾构开挖完
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