单洞四车道隧道开挖室内模型试验研究.pdf

收稿日期 2006 - 03 -09 基金项目 交通部重点科技攻关项目 2002- 3533207 作者简介 万明富 1967- , 男, 湖北钟祥人, 东北大学博士研究生; 刘 斌 1940- , 男, 辽宁沈阳人, 东北大学教授, 博士生导师 第28卷第2期 2007 年 2 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol28, No. 2 Feb.2 00 7 单洞四车道隧道开挖室内模型试验研究 万明富1, 海 洪2, 刘 斌1 1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 沈阳建筑大学 土木工程学院, 辽宁 沈阳 110168 摘 要 沈大高速公路改扩建工程韩家岭单洞四车道超大跨公路隧道, 拟采用台阶法开挖方案进行施 工通过室内相似模型试验对台阶法开挖方案进行研究, 揭示了开挖过程中围岩的力学行为及其变化规律, 为 判定该开挖方案的可行性、 防止施工过程中可能出现的塌方等事故提供依据研究结果表明 最大位移发生在 拱顶, 拱顶下沉应作为围岩稳定判据的关键因素; 如果严格控制循环进尺长度, 及时施作初期支护, 台阶法开 挖能够满足隧道快速、 安全施工的要求 关 键 词 单洞四车道隧道; 开挖; 室内模型试验; 台阶法; 拱顶下沉 中图分类号 U 451. 5 文献标识码 A 文章编号 1005 -3026 200702 -0266 -04 Investigation on Excavating a 4 -Lane Road Tunnel Through Indoor Model Test WAN Ming -f u1, HAI Hong 2, LIU Bin1 1. School of Resources 2. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China. Correspondent WAN Ming -fu, E - mail wmfhs yahoo. com. cn Abstract The feasibility of introducing benching technique in excavating a longspan 4 -lane road tunnel named Hanjialing,which is an importantreconstruction/ expansion project of the Shenyang -Dalian Speedway, was investigated through an indoor model test. T he results revealed the mechanical behavior of surrounding rock in excavating process, thus providing a basis on which the feasibility mentioned above can be judged so as to prevent the potentially disastrous accidents such as collapse in tunnel construction.It was also revealed that the maximum displacement will take place at tunnel arch apex, and the subsidence of arch apex should be regarded as the decisive factor as the stability criterion of surrounding rock. A conclusion is thus drawn that benching technique can make the tunnel construction safe and quick if controlling strictly the footage schedule in sequence with early supporting operation provided reliably in time. Key words 4 -lane road tunnel; excavation; indoor model test; benching; arch apex subsidence 沈大高速公路改扩建工程韩家岭单洞四车道 隧道最大开挖宽度 2248 m, 最大开挖高度 1552 m, 采用复合式衬砌结构[ 1]可以采用双侧壁导坑 法、 台阶法等施工[ 2]为缩短工期, 设计采用台阶 法施工, 但该方法风险较大, 需要对隧道开挖过程 进行力学行为研究, 通常采用数值计算[3- 5]、 相 似模型试验[6- 7]等手段进行综合研究, 这是因为 地下工程很难用单一的数值分析方法得到满意的 解答, 模型试验可以弥补其不足模型试验最早由 格恩库兹涅佐夫 1936 年提出, 随后被应用于包 括地下工程在内的一些重要工程的研究中本文 介绍依托于韩家岭单洞四车道隧道的室内模型试 验研究成果 1 相似模型试验原理 1. 1 相似条件 两个系统的物理过程相似必须满足过程的性 质相同、 同名物理量相似、 相似常数间存在着一定 的函数关系判定两物理过程相似的条件是相似 三定理, 其中相似第三定理是单值性条件相似, 是 现象相似的充分必要条件[8] 1. 2 近似相似模型试验 要满足全部相似判据很难, 常忽略次要的相 似判据, 进行近似模拟通常弹性模量、 泊松比、 无 量纲的物理量、 容重较难满足相似条件 1. 3 相似判据 两物理现象相似, 其相似判据相等 相等是 指在相似现象的对应点 几何 和对应时刻 初始 相等, 通过分析确定两物理现象相似的判据, 而物 理现象相似的基础是物理量相似, 物理量相似又 以几何相似为基础, 因此在满足几何相似的前提 下, 推导出物理现象的相似判据[8- 10] 假设隧道围岩是均匀的, 满足连续性假设且 各向同性, 则分析其受力、 应力、 应变必要的方程 就是平衡微分方程, 不计体积功, 平衡微分方程可 表示为 x x y y zx z 0,1 xy x y y yz z 0,2 xz x yz y z z - 03 其中, x, y, z分别为单元体x , y, z 方向的正应 力; xy, yz, zx为单元体的剪应力, 为岩体的容 重将原型 p 与模型 m 对应的平衡微分方程用式 1 式3 分别表达, 并设应力相似系数为 C, 那么 C xP xm xyP xym yP ym yzP yzm zP zm xzP xzm 4 容重相似系数 Cr Vp/ Vm; 几何相似系数 CL xp/ xm yp/ ym zp/ zm5 将式4, 式5 代入式3中得 C CL xym xm yzm ym xzm zm - Cr Vm 06 将以模型 m 表达的式3 代入式6 得 C CL C7 由式 7 可知, 在考虑以重力为主的体积力情况 下, 应力相似系数等于几何相似系数与容重相似 系数的乘积 对于大多数岩石来讲, 应力- 应变曲线具有 近似直线的形状, 并在直线末端处发生突然破坏, 其应力- 应变规律满足虎克定律 E , 其中, E 为弹性模量, 为应力, 为应变 对于原型有 p Epp, 对于模型有 m Emm 则 p m Ep Em p m, 即 C CEC 由于 是一无量纲的物理量, 由量纲分析可 知 C 1, 则 C CE 2 试验系统及原理 隧道结构与围岩实验系统基于 先加载、 后挖 洞的思想设计, 由外加载、 内加载、 数据采集及分 析和相似模型制作等子系统构成内加载子系统 如图 1 所示沿纵向布设 8 段, 断面编号见图 2 加载原理 启动油泵提升压力, 通过稳压器稳定压 力, 再通过油管传递到千斤顶中, 实现对隧道内壁 的加载卸载原理与加载相反 图 1 公路隧道及围岩综合试验系统 Fig. 1 Experiment system for road tunnel and surrounding rock 图 2 断面与测点布置展开图 Fig.2 Layout of longitudinal sections and measurement points 3 室内模型试验研究 3. 1 相似材料研究 对隧道进口 类浅埋段 S2 衬砌段 的研究 成果进行介绍, 类围岩力学参数如表 1 所示 以中粗砂为骨料, 以石膏粉、 石灰为胶结料, 初选多组相似材料配比配比号中第一位是砂胶 比, 第二、 三位表示在同一份胶结物中石膏和石灰 的比例, 拌和水量按 91, 每组配比制作材料试件 6个每组配比试件力学参数结果见表 2将原岩 267第 2 期 万明富等 单洞四车道隧道开挖室内模型试验研究 物理力学系数值除以相似材料相应项目的参数值得该物理量的相似系数, 见表 3 表 1 岩样主要物理、 力学性质 Table 1 Physical and mechanical properties of surrounding rock sample 围岩类别容重/ gcm- 3单轴抗压强度/MPa弹性模量 10- 3/MPa泊松比内摩擦角/ 2. 6614. 223. 50. 448. 86 表 2 相似材料主要物理、 力学性质 Table 2 Physical and mechanical properties of materialsfor modeling 序号配比号 容重/ gcm- 3 单轴抗压强度/ MPa 弹性模量 10- 3/ MPa 泊松比内摩擦角/ 14371. 50. 2550. 350. 1738 28821. 50. 3780. 580. 2247 36821. 50. 4160. 430. 3152 表 3 相似材料相似系数一览表 Table 3 Similarity constants of real materials to those for modeling 围岩类别材料编号容重常数单轴抗压强度常数弹性模量常数泊松比常数内摩擦角常数 4371. 7755. 6967. 142. 351. 29 8821. 7779. 7840. 521. 821. 04 6821. 7734. 1354. 651. 290. 94 对于类围岩浅埋段, 配比 437 号的近似程 度最好控制试验相似程度的主要参数除几何尺 寸、 边界条件外, 还有密度、 强度、 弹性模量, 根据 相似准则, 得到各配比满足以上两相似准则的程 度, 其结果见表 4 3. 2 模型试验 利用配比试验研究结果和试验系统, 对 类 围岩段的台阶法施工方案进行试验研究, 按表 5 顺序解除内传力板上千斤顶施加的压力, 模拟隧 道开挖, 全程测试隧道周边位移, 监测内、 外传力 板的压力 表 4 相似模型试验的相似系数表 Table 4 Similarity ratios 相似系数 类围岩 437备 注 几何相似比38. 786试验系统确定 容重相似比1. 77 应力相似比55. 69 泊松比相似比2. 35 弹性模量相似比67. 14 时间相似比24设定 表 5 台阶法模拟试验开挖步序 Table 5 Excavating steps by way of benching in model test 模型 断面 编号 断面 测点 编号 开挖 顺序 编号 开挖后 稳 压 时 间 min 断面 测点 编号 开挖 顺序 编号 开挖后 稳 压 时 间 min 断面 测点 编号 开挖 顺序 编号 开挖后 稳 压 时 间 min 断面 测点 编号 开挖 顺序 编号 开挖后 稳 压 时 间 min 断面 测点 编号 开挖 顺序 编号 开挖后 稳 压 时 间 min L8L8 -12430L8 -21830L8 -31860L8 -41830L8 -52330 L7L7 -12230L7 -21530L7 -31530L7 -41530L7 -52130 L6L6 -12030L6 -21230L6 -31230L6 -41230L6 -51930 L5L5 -11730L5 -2930L5 -3930L5 -4930L5 -51630 L4L4 -11430L4 -2630L4 -3630L4 -4630L4 -51330 L3L3 -11130L3 -2330L3 -3330L3 -4330L3 -51030 L2L2 -1830L2 -2230L2 -3230L2 -4230L2 -5730 L1L1 -1530L1 -2130L1 -3130L1 -4130L1 -5430 4 试验数据分析与位移变化规律 4. 1 试验数据分析 表6 表明类围岩最大位移达 1151 mm, 换 算为实际隧道位移达 447 mm最大值在隧道拱 顶, 最小值在侧墙 表 6 类围岩位移及速率最大、 最小值 Table 6 Max and min displacements and their speeds of surrounding rock 位移/ mm 最大值 拱顶 最小值侧墙 位移速率/ mmd- 1 最大值拱顶 最小值侧墙 11. 51- 2. 931. 07- 0. 23 268东北大学学报 自然科学版 第 28 卷 4. 2 隧道断面位移变化规律 由图 3 知, 同一断面拱顶下沉远大于水平收 敛侧墙部分水平位移向外发生膨胀, 这是因为大 跨度隧道围岩开挖后拱部土体在自重应力场作用 下向洞内变形, 两侧土体受挤压, 水平收敛位移较 小, 支护与围岩联合结构体中产生的压力区域增 加, 传递到侧墙所致 拱顶围岩变形绝大部分发生在上台阶开挖阶 段, 下台阶开挖对拱顶变形影响不大位移随开挖 步呈台阶式增加开挖当前断面时位移发生量最 大, 一般达测点最终位移的 85 以上, 说明当前 断面在开挖时最危险 图 3 L4断面拱顶位移历时曲线S 2 Fig.3 Time -dependent subsidence of tunnel arch apex on section L4 with lining S 2 5 施工注意事项 5. 1 控制循环进尺长度、 及时开挖下台阶 严格控制循环进尺, 保证有足够时间来封闭 开挖暴露的围岩及时开挖下台阶, 改善隧道的矢 跨比, 改善围岩与支护结构的受力状况, 减少侧墙 部位围岩受到的挤压剪切破坏 5. 2 提供足够强度的支护、 掌握支护时机 初期支护及超前支护参数要满足一定的强度 和刚度要求, 以控制围岩发生过大的松弛变形和 破坏由于当前开挖断面大部分拱顶位移在上台 阶开挖时已经完成, 所以需要支护结构在合适的 时机进行施作, 以控制围岩变形和拱顶下沉 6 结 论 1 单洞四车道隧道最大位移值发生在拱顶 拱顶下沉应作为围岩稳定判据的关键因素 2 采用台阶法进行施工, 如果严格控制循 环进尺长度, 按照新奥法的要求精心施工, 能够满 足单洞四车道隧道快速、 安全施工的要求 参考文献 [ 1 ]关宝树隧道工程设计要点集[ M ]北京 人民交通出版 社, 2003 231- 303 Guan Bao -shu. 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