第33卷 第1期 2018年 2月 DOI:10.12077/s ̄z.2018.01.003 山东建筑大学学报 J0URNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY V01.33 No,l Feb. 2018 超大断面公路隧道围岩变形及荷载释放率研究 赵然 ,李涛 ,袁哲 ,陈云娟 (1.山东高速集团有限公司建设管理公司,山东济南250000;2.山东建筑大学土木工程学院,山东济南 250101) 摘要:超大断面隧道群多修建于山区,地质条件复杂且施工风险高、难度系数大,对其围岩变形及荷载释放率的 研究可为此类工程的安全施工提供理论依据。文章依托济南绕城高速、京沪高速济南连接线龙鼎隧道工程,采 用有限元数值仿真技术,分析了裂隙密集带对超大断面隧道围岩变形和塑性区分布的影响,研究了半步CD法 施工隧道围岩空间荷载释放演化规律。结果表明:半步CD法施工超大断面Ⅳ级围岩隧道拱顶变形较大,但围 岩位移在可控范围内;裂隙密集带对超大断面隧道围岩稳定性影响显著,其区域围岩塑性区和位移均处于最大 状态;掌子面后方的较安全距离最小为5 m,而安全距离则应>10 m。 关键词:超大断面;公路隧道;裂隙密集;荷载释放率;数值仿真 中图分类号:U452 文献标识码:A 文章编号:1673—7644(2018)01—0014—04 Study on surrounding rock’S deformation and load release rate of super-section highway tunnel Zhao Ran ,Li Tao,Yuan Zhe,et a1. (Shandong Hi—speed Construction Management Co.,Ltd.,Jinan 250000,China) Abstract:Most super—section highway tunnel groups are built in mountainous area with complicated geological conditions,their construction risk is high and dificultfy is very big.The study on surrounding rock’S deformation and stability can provide the basis for the safety construction of other similar super—section highway tunnels.Under the background of Long Ding super—section highway tunnel,which belongs to Jinan round-city highway and connection highway of Beijing and Shanghai, using the numerical simulation in this paper,tunnel’S surrounding rock’S displacements and plastic zones affected by fissure concentration zones were analyzed,the evolution law of surrounding rock’S load release under the half-step CD method constuctrion was studied.Results show that,1V level surrounding rock’S tunnel vault has larger deformation under half-step CD method construction,but still under control;fissure concentration zones have big influence on the stability of super-section tunnel’S surrounding rock,where the plastic zones and displacements are both in the maximum state; the minimum safe distance in the rear of the palm is 5 meters,for higher safety degree,the distance is 10 meters at least. Key words:super-section;highway tunnel;fissure concentration;load release rate;numerical Siml11ati0n 收稿日期:2018一叭一19 基金项目:国家自然科学基金青年项目(51609130);山东省自然科学基金项目(ZR2016EEQ10);中国博士后基金项目(2016M592213) 作者简介:赵然(1973一),男,高级工程师,硕士,主要从事岩土工程、公路工程项目管理等方面的研究.E—mail:5172904@qq.con[ 通讯 作者] 壑丛!笠;迢 断I 公路隧道围 变形及倚载释放率研究 l5 0 引言 2l I}_c纪是地下空间开发和利用的时代,隧道作 为地下空问利用的重要形式,在交通网络中发挥着越 0  ̄▲m-  ̄r; ̄dlh. 来越重要的作用 0。截至2014年底,我国公路隧 道总 程比2002年多厂14.2倍,达到10756.7 km, 平均增长速度为800 km/a。¨前,中国已是世界上隧 :矗鼍 o 图1 济南东(南)二环路延长线隧道群分布图 道工程建设规模最大、数量最多、修建速度最快的国 其中,龙鼎隧道位于鲁中南低山丘陵与鲁西北 家 l。从实施可持续发展战略出发,越来越多的单洞 、四车道隧道应运而生,开启_『国内超大断面、超大 跨度公路隧道建设的序幕 J。国内第一条双洞八 车道超大断面隧道——深圳南坪雅宝隧道于2006年 顺利贯通,随后,广州、深圳等发达城市也陆续开始修 建双洞八车道超大断面隧道。此类隧道群多修建于 冲击平原的交接带上的中部丘陵地区,进口位于济 南龙鼎大道以东520 nl处,出口位于太平庄西北方 向350 m处。隧道采用一级公路标准建设,同时兼 具城市快速路功能,跨度为l6.75 ITI。龙鼎隧道上 覆薄层状灰岩、中风化、灰褐色、局部岩溶化,层厚< 6.0 m,岩质较软弱且软化性较强;两侧洞体围岩为 中风化灰岩、貂皮状、中厚层状、青灰色,产状平缓, IlJ区,地质条件复杂,沿线存在破碎带、断层、溶洞等 良地质,建设环境问题突出,与双洞四车道和六车 道隧道相比,双洞八车道隧道断面更大,其形状更扁 平,而围岩和支护体系中应力集中情况更严重,隧道 稳定性极差 岩质较坚硬且软化性弱。岩体节理裂隙较发育,产 状陡立,结构而结合差,岩体较破碎,碎裂块状结构。 龙鼎隧道K6+660~820区段有密集裂隙带穿 越,沿节理裂隙灰岩岩溶化强烈,隧道穿越裂隙密集 目前,对于超大断面隧道可借鉴的经验有限,缺 乏系统的分析方法及配套技术。隧道开挖过程中, 岩体的变形很大程度上受控于断层、裂隙等不连续 面,裂隙密集带对隧道围岩稳定性的影响一直是国 内外学者研究的重点 。跨度的增加极大地加剧 带时将面临较高的施工风险。因此,选取该区段为 研究对象,并基于此展开对超大断面公路隧道裂隙 围岩变形及荷载释放率方面的深入分析。龙鼎隧道 K6+660~820区段纵剖面图如图2所示。 r不连续面的扩展和隧道围岩的失稳概率,因此针 对超大断面隧道开展裂隙围岩变形及稳定性分析显 得尤为重要。文章将依托龙鼎双洞八车道公路隧 道,研究半步CD法施工时裂隙围岩的变形规律,分 析裂隙围岩的荷载释放演化规律,并基于此确定掌 子面后方安全距离。 1 工程概况 济南绕城高速、京沪高速济南连接线工程在建 的老虎山、大岭、浆水泉、龙鼎等双线八车道超大断 面隧道群工程,属世界同等跨度最大规模的隧道群, 也是山东省当前断面最大的隧道群,地处济南市区, 浅埋偏压,城市环保、水土流失、绿色施工等要求较 高,隧道群分布如图1所示。 (a)左线隧道 【b)右线隧道 图2隧道K6+660~820区段围岩轴向纵剖面图 2裂隙密集带区段隧道模型建立 龙鼎隧道K6+660~820区段裂隙带围岩划分 等级为Ⅳ级,物理力学参数以地质勘查结果为主,辅 以经验修正 ,见表1。 表I 围岩工程地质参数表 !垒 山 丝丝 :兰堂 结合I_I 施 隧道lx二段K6+660~820采JtJ 、 步CD法进行JI:挖,模拟过程主嘤分析隧道拱顶、 州帮以及底板的变形规律,所以 测点主要 置 隧道拱顶、两帮以及底板化置,如I皋J 3所,J , 4所尔 、 2 1)^ 隧逊 cb) 线隧通 根扒所提供的隧道纵断面图,推测裂隙密集带 的止向,龙鼎隧道K6+660~820区段采胴有限无 数值软件进行仿真模拟l1卜”I,建 的计算模型如 图3龙鼎隧道监测点示意图 (a)个-. ̄fiH钾模J (b) 、 隧道削 毅fl‘f模 (c)隧逊轴 图4龙鼎隧道K6+660—820区段全三维计算模型示意图 3 裂隙密集带对超大断面隧道围岩变 形影响 为r分析裂隙密集带II-刈…-岩变形规律的影响, 选取K6+660、K6+75 l及K6+810 3个断 进行 分析,J£巾K6+75l为裂隙} 穿越断 挖衬砌 、衬砌后的3个断fnfl 5所爪 隧道JI: I+l-lx: ̄)- , K6+75l K6+75 (a)衬砌湘 (b)}J ^ 图5龙鼎隧道围岩塑性区分布图 II1【颦l 5 l_lr以看“{,隧道丌挖后,围岩塑性 总体 较小.、衬砌前,裂隙密集带 域 岩 I 卡¨对米 说较大,J亡 足/f 线隧道,受裂隙带的影响最为 Il 幸1f砌支护后,隧道 岩 性区有不Ⅲ程度的减 柑塑性区范围最大。【大J此,从『1jI岩 性 的角度来 看,裂隙密集带区域围岩的 定性要相对弱一些 区池…最大,整体稳 隧道歼挖后,各断 n爿岩天键点化移ff ̄II 6 所示。 小, 骼体米看,依…足裂隙密集带 域 线隧道f 40 35 3O 星25 2O 趟I 5 l() 5 () 灭键点 a)K6+660 图6不同里程号对应断面隧道围岩关键点位移曲线图 Ih I皋l 6(a)I叮以看出,衬砌前, 线隧道拱顶¨{ 脱最人f 移25.5 mill,两帮 岩位移较小,在17 nlln 以1人】, 、 线隧道底板化移分析为17.2和 20.6 illm;衬砌后,隧道 柑f 移 f/f 度的减 小,支护作用使围 化移上b2大减小16.4%,发 线隧道拱顶,位移…25.5 IIInl减小刮21.9 IIll/I 第1期 赵然,等:超大断面公路隧道围岩变形及荷载释放率研究 17 采用半步CD法进行开挖时,隧道顶部围岩变形较 大,同时出现底鼓现象。 由图6(b)可以看出,在裂隙密集区域,右线隧 道围岩稳定性受裂隙带影响较为显著,位移有所增 加。衬砌前,左、右线隧道拱顶位移分别为l6.3和 33.6 mm,底板位移分别为14.7和23.4 mm,左、右 壁围岩位移最大为20.1 mm;衬砌后,左、右线隧道 拱顶位移分别为14.6和22.9 mm,底板位移分别为 12.8和19.5 inn,左、右壁围岩位移最大值为 16.7 mm。衬砌的支护作用使围岩位移最大减小 46.7%,发生在右线隧道拱顶,位移由33.6 mm减 小到22.9 mm。通过与图6的对比,可知裂隙密集 带对右线隧道围岩稳定性有不可忽略的影响,应适 当加强该区域的支护。 由图6(C)可以看出,随着与裂隙密集带的距离 增加,隧道围岩的稳定性又有了一定程度的提高。 衬砌前,隧道拱顶位移分别为16.4和20.1 mm,底 板位移分别为15.8和16.9 mm,左、右壁围岩位移 最大值为13.3 mm;衬砌后,隧道拱顶位移分别为 13.3和15.6 mm,底板位移分别为12.3和 11.9 mm,左、右壁围岩位移最大值为10.1 mm。支 护作用使围岩位移最大减小28.8%,发生在右线隧 道拱顶,位移由20.1 mm减小到15.6 mm。 综合分析图6(a)~(C)可知,裂隙密集带的存 在,对超大断面公路右线隧道围岩稳定性有较显著 的影响,衬砌支护一定程度上增强了围岩稳定性;龙 鼎超大断面公路隧道此区段采用半步CD法施工, 位移总体变形量可控,施工方法合理。 4超大断面隧道围岩荷载释放率分析 半步CD法施工超大断面隧道围岩荷载释放过 程中,将围岩应力采用数据归一化处理,消去应力的 单位和方向,着重分析其数值上的变化¨ 。将开 挖结束后围岩释放的径向应力绝对值与开挖前应力 值进行对比,研究荷载释放的空间演化规律,并基于 此确定掌子面后方的安全距离。 随着龙鼎隧道半步CD法施工,取掌子面位置 为K6+696,分析超大断面隧道开挖后距离掌子面 各20、l0、5、4、3、2 m区域围岩监测点的平均荷载释 放率,得到规律如图7所示。 由图7可以看出,当隧道开挖后,距离掌子面距 离大于20 m时,围岩荷载完全释放,围岩应力状态 稳定;距离掌子面10 m时,围岩荷载释放率达到 97.1%,应力状态较为稳定;距离掌子面5 m时,围 岩荷载释放率约为92.5%;距离掌子面4 m时,围 岩荷载释放率约降为84.9%;而距离掌子面分别为 3和2 m时,围岩荷载释放率仅分别约为45.5%和 44.9%。因此,隧道开挖后距离掌子面<5 m范围 内,可视为危险区域,此时围岩荷载释放率较低,隧 道围岩发生突发状况的几率较大;隧道开挖后距离 掌子面>5 m范围内,可视为相对安全区域,已经稳 定的隧道围岩发生突变的几率大幅度降低。从这个 角度考虑,可以认为对于Ⅳ级围岩隧道,掌子面后方 的较安全距离最小为5 Ill,而安全距离则应>10 m。 l2O 1OO 萋80 6O 40 遣20 0 距离掌子面距离/m 图7 隧道围岩荷载释放率空间演化规律示意图 5结论 通过上述研究可知: (1)超大断面公路隧道Ⅳ级围岩采用半步CD 法施工,围岩位移在可控范围内,因此施工方案可行。 (2)裂隙密集带区域,超大断面隧道围岩的塑 性区和位移都处于最大状态,远离裂隙密集带区域, 隧道围岩的稳定性有所提高。衬砌的支护作用可以 改善超大断面隧道围岩的稳定性,变形减少量最高 可达39.7%。 (3)对于Ⅳ级超大断面公路隧道围岩,隧道开 挖后距离掌子面<5 m范围内,可视为危险区域; 5~10 m范围内,可视为相对安全区域;>10 m可视 为安全区域。 参考文献: [1]李利平,李术才,赵勇,等.超大断面隧道软弱破碎围岩渐进 破坏过程三维地质力学模型试验研究[J].岩石力学与工程 学报,2012,31(3):550—560. 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