PDF《侧压力系数对马蹄形隧道损伤破坏的影响研究》

2 李占海等:侧压力系数对马蹄形隧道损伤破坏的影响研究

435 和隧道破坏模式的研究显得尤为必要. 关于隧道损伤破坏及围岩稳定性问题,国内外 众多学者进行了研究.在国外,Dalgi[4] 针对隧道稳 定性在软岩中的支护措施进行了研究,指出洞内排 水和系统支护等措施对减少隧道在开挖过程中的 破坏、改善围岩承载力和保持隧道稳定是非常关键 的.Charpentier[5] 认为,地下工程开挖的力学机制 在于初始应力的重分布,开挖可以诱发裂隙,通过 开展开挖隧道内页岩近场微裂纹形成试验,对比研 究了开挖卸荷作用与构造破裂作用的差别,还认为 泥岩的孔隙度、节理、构造应力方向、岩体的各向 异性对岩石的破坏起非常重大的影响. Lee[6] 通过数 值计算研究了钢管支护、多步灌浆方法在掌子面稳 定性中的作用.Choi[7] 等对软岩内隧道的稳定性和 系统支护的优化设计问题进行了研究. Tsang[8] 对放 射性废弃物处置中结晶岩、盐岩和固结塑土的开挖 损伤特性进行了研究. Lee[9] 对软岩隧道稳定性的成 拱效应进行了探讨. Pellet[10] 等建立了隧道开挖过程 和考虑时间效应的三维数值损伤模型. 在国内,近几年来对隧道损伤破坏的研究也取 得了大量成果,王芝银[11] 根据损伤力学理论建立了 隧道围岩黏弹塑性损伤力学模型.根据实际情况, 邓广哲等[12] 又引入了反映裂隙围岩钻爆影响的损 伤演化模型.考虑到岩土的弹塑性性能,赵德安 等[13] 研究了侧压力系数变化对隧道衬砌力学行为 的影响程度.白世伟等[14] 开展了隧道应力扰动区地 应力测试及反演.对于破坏模式的识别,高玮等[15] 给出了结构及权值同时进化的神经网络模型.在总 结了大量隧道工程破坏实例及试验统计结果,有人 提出了隧道工程破坏分类方法,吉小明等[16] 则提出 了隧道开挖损伤扰动带的力学、渗流特征及表征方 法.随着计算机的出现和性能的提高,人们逐渐借 助数值分析方法对隧道的破坏过程进行研究,朱万 成等[17] 建立了动态载荷作用下岩石破裂的分析系 统,并通过研究了动态扰动触发巷道变形与失稳的 机制.赵兴东等[18] 对基本的圆形到矩形、直墙拱形 和椭圆形断面的破坏模式进行了数值模拟;

康勇 等[19] 根据现场监测数据,定量模拟计算围岩损伤度 的变化.张国华等[20] 计算了大断面隧道爆破作业中 双侧壁导坑法施工的围岩累积损伤范围.王汉鹏 等[21] 根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤耦 合模型和分岔隧道大型三维数值模型.这些研究工 作都大大促进了人们对隧道损伤破坏的认识.但是,隧道开挖过程实际上是初始应力在洞室周围重 新分布的过程,初始应力状态对隧道破坏起着决定 性的作用, λ 则是联系自重应力与构造应力的桥梁, 从以往的研究来看,很少有人系统地对侧压力系数 在隧道损伤破坏过程中的作用进行过研究.另一方 面,鉴于圆形隧道在钻爆法施工中会给开挖和车辆 进出带来不便,多数采用直墙拱或马蹄形隧道,因此,系统地研究不同 λ 下马蹄形隧道的初始损伤特 征、顶板位移特征、围岩应力场及破坏模式有一定 的现实意义,可为隧道设计、围岩加固方案的优化 和变形破坏的治理提供参考.

2 隧道损伤破坏的力学机制 从隧道破坏的过程来看,洞室开挖使洞顶失去 支撑,在外力的作用下易于裂开而产生塌落变形, 达到一定程度后洞顶岩石受侧向挤压而达到相对 稳定.埋深较大或初始应力场比较显著的情况下边 墙切向应力集中,若超过岩体强度,则在边墙产生 剪切破坏.边墙失稳导致拱肩支撑力下降,拱顶变 形增大,进一步使跨高比增大,拱顶出现拉应力, 造成拱顶的塌落,边墙应力进一步集中,洞体持续 变形,直到岩石强度能够抵挡切向应力破坏后隧道 才趋于稳定.当λ由小变大时,洞顶及洞底中部的 拉应力减小,直到出现压应力,且拉应力随着 λ 的 增大而增大,边墙两侧压应力则趋于减小. 由此可见,隧道开挖损伤及失稳破坏是个非常 复杂的过程,既有物理非线性问题又有几何非线性 问题存在,而二者有本质的区别,后者是由于地下 开挖使地层出现了新临空面,围岩应力的释放破坏 了地层的初始地应力平衡,引起地层应力的重新分 布,使结构在整体上偏离平衡路径造成的;