砂卵石地层隧道开挖围岩变形特性及沉降规律研究
时间：2023-05-30 09:50:38 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
冯靖杰
(武汉铁路监督管理局，武汉 430062)
近年来随着隧道建设数量和施工里程日益增加，更多的城市开始建设地下轨道交通[1-2]，不过在施工过程中也会面临着一些更复杂的地理要求，例如武汉新区广泛分布的砂卵石地层就对地铁施工造成了较大的影响[3-4]。姚君华等人针对PBA工法及其导洞的施工方式进行研究，提出导洞“先下后上,先两边后中间”的施工方式可有效防止地表下沉[5]。王鹏通过研究不同地铁的断面形态和施工方式对地表沉降的影响,得出在截面类型选取方面从优到劣分别是圆形、马蹄形、矩形[6]。林鸿荣通过分析盾构参数、地质三要素和隧道埋深这三个因素对地层沉降的影响，得出盾构施工时地层沉降规律，在此基础上建立地层沉降量预测模型[7]。方洁等人深入研究盾构建设时在各种推动加压状况下对地表沉降的危害，确定当推动加压在规定区域内时，推动加压越大，地表下沉就越小[8]。潘勇等运用FLAC3D数值软件，对砂卵石地层盾构隧道的开挖进行模拟分析，得出盾构施工中地表沉降量的分布变化规律，并对盾构相关参数对地表沉降直接影响规律进行计算总结[9]。陈庆章运用数值模拟软件(ABAQUS)对在砂卵石地层中车站使用洞柱法(PBA法)施工过程进行了数值模拟并将现场监测数据与之进行对比，分析其原因得到当开挖顺序的不同时对地表沉降产生的影响规律[10]。李亮等对PBA工法在单层五导洞的施工进行数值模拟研究，得到施工所产生的的地表沉降、沉降速率等因素与地表沉降的影响关系[11]。王勇等[12]使用ABAQUS有限元模拟软件，模拟PBA工法在砂卵石地层和粉质黏土地层应用情况，并与车站的现场实际监测情况进行对比分析，结果表明卵石地层的地表沉降更小,但是利用有限元模拟砂卵石地层有一定的局限性[13-15]。
本文以室内三轴压缩试验与离散元数值模拟(PFC)相结合所获取的细观参数为基准，建立离散元隧道模型，针对砂卵石地层隧道内开挖作业时采用不同类型开挖施工断面(圆形、马蹄形)对地表沉降值的实际影响分别展开研究。基于相应的分析结果，建立完善的砂卵石地层隧道开挖后沉降预测模型,相关成果可为今后的地下工程提供有效参考。
采用现场取样至室内开展岩土体参数研究，由于隧道埋深位于砂卵石地层内，故本次试验的主要实验岩石取样研究对象主要为的砂卵石土。卵石主要成分，一般由岩浆岩、变质岩等构成。以亚圆形居多，少量为椭圆，分选性极差，卵石含量在50%～75%，粒径大小常以40～60 mm之间的为主，部分粒径大于80 mm，最大的粒径可达150 mm，充填夹杂物种类较多且为灰白色细砂,局部可见少量漂石。
本次剪切试验将采用各向等压不固结不排水相结合的方法，抽气联合水头设定为完全饱和， 试验装置中将采用剪切应变的速率控制室，最大轴向剪切应变速率保持在1.5 mm/min，当最大轴向剪应变速率达到最大的20%时终止剪切试验。通过应力式大型室内三轴试验机进行三轴试验,设置的围压值分别为100 kPa，200 kPa，300 kPa，并据此分别能得出中密5%含水率状态条件下的室内砂卵石应力值及应变的关系曲线，在此基础上，运用离散元软件PFC构建了颗粒级配与室内试验数据一致，施加荷载方式为室内三轴压缩试验的数值模拟颗粒模型(如图1所示)。根据室内三轴试验的应力与应变试验模拟试验曲线并不断的调整试验各细观参数值关系(见图2)，得出室内三轴试验的数值模拟应力应变曲线，轴向应变随时间变化持续地增加，曲线变化呈先逐步较快速地上升,再缓慢逐渐上升呈平缓。主应力级差值在800～1500 kPa之间，经过比较分析各数值实验结果和室内实验结果,确定的细观参数值见表1。
图1 三轴剪切室内试验及数值试验分析结果
表1 中密含水率5%时细观参数取值
图2 中密含水率5%时数值模拟与室内试验应力应变曲线
数值分析模拟在砂卵石地层中进行隧道开挖，利用得出的细观参数建立砂卵石地层模型，模型全长为20 m，高为45 m，隧道埋深皆为10 m。开挖尺寸半径为5 m，开挖断面分别为圆形断面与马蹄形断面，并采用全断面一次性开挖工法进行仿真分析。模型左右两侧边界取水平方向位移为约束,底部边界取水平向和竖向双向位移为约束,上表面取自由边界，开挖模型如图3所示。首先将砂卵石土看做由同一介质圆球形颗粒组合而成的集合体，然后再通过试样的孔隙率以及试样的级配曲线生成颗粒聚集体，每粒组的颗粒粒径都应遵循正态分布(Normal distribution)即高斯分布。同时在地表布设10个监测点，用以收集开挖引起的沉降数据(如图4所示)。
a 圆形断面开挖 b 马蹄形断面开挖
图4 地表颗粒位移监测测线布置示意
3.1 圆形断面开挖地表沉降规律
利用得出的砂卵石细观参数构建了砂卵石土壤地层模形。在此基础上，采用全断面工法对隧道进行开挖，隧道埋深为10 m，开挖截面选用圆形，数值计算模型如图5所示。开挖结束后，可以利用软件检测地表颗粒的位置，从而确定了施工中和开挖后颗粒的位置，经过处理后可以得到地表最终的沉降曲线(见图6)。可以发现，地表的沉降呈槽状，竖向上观察可知，地表整体平均向下的沉降量为1.37 cm，其中最大下沉量为1.88 cm；
横向上观察可知沉降槽宽度约为5.6 m。隧道拱顶上方的地表处出现最大沉降量。对地表监控点的最终沉降值加以了汇总研究，并利用软件上的拟合技术得到了与实际曲线拟合水平最相似的拟合数值曲线，并由此得到了地表下沉的实际曲线。
图5 圆形断面隧道开挖模型示意
图6 圆形断面开挖地表沉降拟合曲线示意
通过对监测数据的拟合，得出沉降变形公式为：
(1)
其中y0=-1.388 3，xc=-0.435，w=2.532 7，A=-1.559 5，R2=0.93。
3.2 马蹄形断面开挖地表沉降规律
利用得出的砂卵石细观参数构建了砂卵石土壤地层模形。在此基础上，采用全断面工法对隧道进行开挖，隧道埋深10 m，开挖截面选用马蹄形，数值计算模型如图7所示，图7中红线代表开挖面轮廓。可以发现隧道施工建成后，在未施加支护措施情况下，不仅地表出现沉降，并且拱墙向开挖面侵入。同时利用离散元软件检测地表粒径的位置，以确定在开挖时和开挖后粒径的位置，经过处理后可以得到地表最终的沉降曲线(见图8)。可以发现，地表的沉降呈槽状，地表整体平均下沉量为1.09 cm，地表最大下沉量为2.02 cm，平均沉降槽宽度约为12.5 m。最大沉降量发生于隧道拱顶上方的地表。将地表监控点的最终沉降数值加以汇总分析后，并利用软件上的拟合技术得到了与实际曲线拟合水平最相似的拟合数值曲线，并由此得到了地表下沉的实际曲线。
图7 马蹄形断面隧道开挖模型示意
图8 马蹄形断面开挖地表沉降拟合曲线示意
通过对监测数据的拟合得出沉降变形公式为：
(1)
其中y0=-1.118 5，xc=-0.172 2，w=2.994 5，A=-3.407 9，R2=0.96。
通过对数值模拟结构进行对比分析可以得出圆形断面和马蹄形断面开挖得出的地表沉降曲线，沉降形状为凹槽形。通过软件拟合得出沉降曲线，拟合出的曲线拟合度R2都大于0.9，拟合度较高。同时对比分析得出圆形断面开挖在无支护情况下比马蹄形断面开挖更稳定，地表沉降量也更小。
3.3 砂卵石地层初期支护效果研究
考虑到隧道是圆形断面有时无法满足内部空间的利用，因此需要针对马蹄形隧道开挖及支护引起的位移和力学响应展开研究。利用获得的砂卵石细观参数构建沙卵石土壤地层模型,并施作支护措施。初衬选用C30混凝土，厚度为50 cm。在数值模拟中，衬砌模型利用CAD进行相应尺寸的绘制，导入至离散元软件中进行边界封闭和区域内的随机球体生成，并结合参数标定进行设置接触粘结参数。混凝土参数利用前期标定得出的细观参数进行赋值模拟。支护措施中在关键部位布置监控点，对位移进行实时监测(见图9)。基于前述分析可知砂卵石地层中采用马蹄形断面进行开挖时引起的沉降变形较大，故模拟采用两台阶法进行开挖，下台阶高度为2 m(见图9)。同时针对0.5 m开挖进尺条件下，监测断面沿轴线方向的纵向沉降展开研究。
图9 支护措施位移测点布置示意
砂卵石土壤地层隧道在开挖后，利用得到的土壤细观参数模拟混凝土初期支护，图10、图11分别为初期支护下的颗粒分布与力链示意。将是否有支护措施的隧道形变进行对比分析，由图10、图11中结构表明，在砂卵石地层未进行支护措施情况下进行隧道开挖后，拱顶会出现应力松弛现象，甚至出现坍塌。施作支护条件后进行隧道开挖则不会产生明显的坍塌，不过拱顶上方会出现较小的应力松弛区域。
a 无支护
a 无支护
开挖后地表沉降情况如图12所示，在隧道开挖后且有支护情况下，地表下沉量最大为0.052 m。上台阶开挖完成时，地表沉降最大为0.038 m，沉降幅度减小了27%，由此说明地表沉降主要是由上台阶开挖后引起。支护措施对隧道围岩稳定性有较好的提升。初期支护结构测点的位移变形量见表2，可以看出上台阶开挖后，拱顶形变量为1.38 cm，水平收敛值为0.75 cm，下台阶开挖施工后，拱顶形变量为2.12 cm，水平收敛值为2.01 cm。拱顶沉降主要由上台阶开挖造成，下台阶开挖则造成隧道边墙水平收敛。
图12 地表颗粒位移示意
表2 初期支护结构变形 cm
纵向地表沉降数据见图13，可以得出在开挖尚未达到监控面时，地层就出现了轻度下沉现象，当开挖临近监测面时，砂卵石地层出现快速下沉现象，当开挖通过检测面后，监控面上岩层下沉速度变慢，当开挖进尺到了0.5D(隧道直径)时监控面上变化基本平稳，这与现场监测结果相接近。施作支护后，整体变化规律相近，但沉降变形相对较小，这里不再赘述。当然，不同开挖进尺引起的沉降也所差异，在砂卵石地层中为了有效减轻隧道开挖引起的地表变形，可适当减小进尺。
图13 进尺为1 m时地层纵向沉降曲线
本文在室内三轴试验和数值模拟三轴试验为基础，运用离散元软件PFC模拟不同开挖断面(圆形断面，马蹄形断面)得出地表沉降曲线和沉降规律，得出以下结论。
1) 通过对比室内实验和数值模拟实验砂卵石的应力应变曲线，可以确定出中密砂卵石在含水率为5%状况下时的细观参数，包含接触模量、摩擦系数、孔隙率、粘结刚度和接触粘结法相刚度。同时也说明利用离散元可以较好的模拟砂卵石地层。
2) 对比分析得出圆形断面开挖在无支护情况下比马蹄形断面开挖更稳定，地表沉降量也更小。马蹄形断面开挖后，不仅地表产生沉降槽，同时拱墙周围砂卵石向凌空面侵入，拱脚围岩则较为稳定。采用C30模筑混凝土支护下，随着隧洞开挖，地表沉降较小，应力松弛区域也较小。
3) 在砂卵石地层进行隧道的开挖，其上部分区域为主要变形区域，下部分的地层变形量很小。隧道区域的地层变形，由下至上，由拱顶向地表传递，最终产生地表沉降。上台阶开挖时引起隧道顶部产生竖向向下的位移，下台阶开挖时引起隧道产生水平向内收敛的位移。
猜你喜欢 细观卵石断面 小断面输水隧洞施工安全管理存在的不足点及对策建材发展导向(2022年20期)2022-11-03高堆石坝砂砾石料的细观参数反演及三轴试验模拟农业工程学报(2022年4期)2022-04-24高深度大断面中深孔一次成井技术探索与应用新疆钢铁(2021年1期)2021-10-14细观骨料模拟在混凝土路面中的应用河南科技(2021年12期)2021-09-13颗粒形状对裂缝封堵层细观结构稳定性的影响西南石油大学学报(自然科学版)(2021年3期)2021-07-16基于细观结构的原状黄土动弹性模量和阻尼比试验研究地震研究(2021年1期)2021-04-13超大断面隧道初期支护承载力学特性及形变研究西部交通科技(2021年9期)2021-01-11N-JET工法在大粒径砂卵石地层止水中的应用智能建筑与工程机械(2019年1期)2019-09-10茂名市开展全面攻坚劣Ⅴ类国考断面行动！环境(2019年4期)2019-04-20钻石和卵石学生天地·小学低年级版(2016年6期)2016-05-14
