陡倾层状不同倾角岩体下隧道的施工力学行为分析

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1、公路隧道2013年第4期(总第84期)陡倾层状不同倾角岩体下隧道的施工力学行为分析彭焱森邱奎(1．广东省南粤交通投资建设有限公司广州510000；2．重庆交通大学重庆400074)摘要本文是以具备典型的陡倾层状嗣岩特性的鸭江隧道为背景，利用通用岩土有限元软件MIDAS／GTS，建立无层面及岩层倾角分别为30。，4O。，5O。，60。陡倾层状围岩下的隧道开挖模型。在各模型中分别考察围岩应力、位移变化规律及初期支护受力特征，对比分析得出陡倾层状围岩开挖时的变形与受力趋势。关键词陡倾层状同岩隧道开挖围岩应力

2、位移变化变形趋势及侏罗系中统新田沟组。区内地形最高标高点位1引言于马脑壳山顶，标高568m；最低标高点位于隧道进我国领土面积辽阔，地质构造比较复杂，具有口外侧坡脚里程村沟，标高248m。隧道穿过地带层状结构的岩体遍布全国各地，陡倾层状岩体隧道相对高差达320m，隧道最大埋深200m。在施工过程中可能发生较大的松动压力，斜倾的破鸭江隧道浅埋与深埋交接段衬砌的设计断面碎岩层很可能向隧道临空面发生滑移破坏。当采尺寸布置如图1所示。本文所给计算段埋深128用钻爆施工技术在这种破碎的陡倾层状岩体内修m。洞身初衬

3、采用C20喷射混凝土，厚度为20cm；建隧道时，如何既实现光面爆破又最大限度地保持锚杆采用系统砂浆锚杆；砂浆锚杆22，L一3m，平岩体的稳定，仍是一个有待解决的工程难题。因面1．2mX1．0m(环×纵)，梅花形布置。隧道施工此，依托该工程开展陡倾层状岩体隧道施工关键技采用全断面开挖方法，施工进尺为4m，开挖后施作术研究，是当前山区高速公路建设应解决的技术难锚杆和喷射混凝土。题之一，具有很好的应用前景和工程实用价值。2工程概况重庆涪南高速公路是连接涪陵、南川的高速公路通道，全长55．848km。沿线地形

4、起伏大，地层主要是倾斜层状岩体，岩层倾角较陡。涪南高速全线分布有多处隧道，如分水岭隧道、鸭江隧道、岩口隧道、酒店隧道等。总体来看，隧道围岩软弱、破碎，最大埋置深度近200m。岩性以砂岩、页岩、泥岩、粉砂质泥岩等软岩为主。其中，分水岭、鸭江、梓里场1#等隧道的轴线方向与岩层走向均呈小角度相交。这种陡倾小交角层状岩体隧道在开挖过程中，围岩可能产生较大的松动压力，斜倾的破碎岩层向图1围岩衬砌的设计断面隧道临空面发生滑移破坏，造成掌子面的塌方。3数值模拟分析本研究依托于鸭江隧道，为双向4车道，建筑限界：净宽为

5、10．25m，净高为5m。鸭江隧道左线长3．1模型选择1056．81m，右线长l058．4m，隧道大体沿构造线本文建立三维有限元模型来模拟不同倾角层方向布设，与岩层走向呈小角度相交。隧址区处于状对围岩开挖的影响，包括一个无层面及岩层倾角弹子山背斜北西翼，为单斜构造，岩层倾向293。～分别为30。，40。，50。，6O。的5个模型。在三维模型320。，倾角26。～41。，产状较稳定，未见次级褶曲和中，围岩采用实体单元模拟，喷射混凝土选择板单断层，构造简单，分布地层主要为第四系残坡积层元。岩体采用弹一塑性

6、本构模型Mohr—Colunm准·17·公路隧道2013年第4期(总第84期)则，锚杆选择植入式单元，采用直径22mm砂浆锚杆，长度3m，环距1．2rrl。喷射混凝土层采用非线∞∞性弹性本构模型，C20混凝土，厚10cm。各倾斜度岩层厚度均取为2m。对层状围岩之间的层面的模拟采用接触单元。模型尺寸为120mX66m×40m(横向×竖向×纵向)；左右边界施加X方向约束，前后边界施加y方向约束，下边界施加Z方向约束，上部为自由图3选取分析单元示意图边界。4．2围岩位移特征3．2计算参数的选取选取典型位置处

7、的节点(见图3)，5个模型均选本文数值模拟所需的参数主要有围岩、锚杆，取前4m隧道拱顶、拱脚、仰拱、左边墙和右边墙处喷射混凝土及接触单位的力学参数，见表1、表2。节点各一个，得到各个节点的位移，如图4至图9表1围岩与初支的物理力学参数所示。类型重度粘聚力内摩擦弹性模泊松比抗拉强／(·m。)}Na角／(。)量／G壬)a度／MPa砂岩5+无层面20．60．6345．2O．310．79’星-411-．30。(Ⅳ)簿—☆一加0趔3—-．一50o2页岩18—咖一60。1．4o．12254．5O．4O．17(V)

8、004812162024283236加锚杆78．521O0．2开挖进尺，m喷射2图4各模型拱顶节点随开挖进尺位移值423O．2混凝土1412表2接触单元力学参数1O_．一无层面s-．．11-30。类型主应力刚度剪切刚度粘聚力接触摩擦搀6—静一4450。模量／MPa模量／MPa／(kN·rrl一0)角／(。)2一60o0接触单元2500250O350481216202428323640开挖进尺，m4计算结果分析图5各模型仰拱节点随开挖进尺位移值94．1地表