我国是一个多山的国家,地质条件相当复杂,各种地质灾害也很严重。在隧道修建过程中,常常遇到穿越不良地质的情况,如断层破碎带、富水地层、崩塌地区。洞室开挖过程中穿越破碎岩土体时,由于破碎岩土体内部具有较多的结构面,且贯通性良好,这类岩体受构造运动后严重破坏,力学性质差,开挖过程对其影响大,且加固难度高施工过程中易出现冒落破坏,造成安全事故。
针对隧道围岩稳定性研究开展工作,系统论述国内外隧道断层破碎带段的洞室开挖,断层破碎带对掌子面稳定性影响的研究现状。
在隧道施工过程中,保持围岩稳定至关重要。国内外学者从理论分析法、数值模拟法、模型试验法及现场试验法入手,对围岩稳定性研究开展了大量的工作。
综合国内外的研究,基于连续介质力学理论研究围岩稳定性较为成熟,理论分析对于理解围岩稳定性的规律等方面有重要的意义。目前对于掌子面整体稳定性主要有两类理论分析方法:一类是利用塑性极限理论的极限分析;另一类则是利用滑动体力的平衡分析。
国内外学者,通过构建围岩破坏模型,应用极限分析上限法求得基于两种平动破坏模式下浅埋隧道的围岩压力。隧道断面简化为圆形,掌子面后方塌落土层为锥体,通过理论计算得到掌子面稳定的最大与最小支护应力等。基于非线性破坏准则和极限分析上限法,建立了浅埋隧道掌子面的三维破坏模式,并分析了非线性系数、地面超载等参数对支护力的影响[1]。
数值模拟法主要依赖计算机进行仿真模拟,随着计算机水平的快速发展,过去受限于运算能力的数值模拟法得到广泛运用,出现了很多的数值软件,如ABAQUS、ANSYS、FLAC等,FLAC3D软件是岩土工程中常用的软件之一,包含多种本构模型,能够进行多种模式的计算及耦合计算。
一些学者借助MIADS/GTS等有限元软件,对浅埋软弱地层隧道掌子面稳定性展开研究,得出了隧道变形规律及应力分布特征,为确定合理的开挖方法提供了重要保证。同时,在研究断层对隧道稳定性的影响中,考虑岩土体材料饱和度对掌子面稳定性的影响,结合非线性Hoke-Brown准则,得到断层破碎带段软弱围岩不同饱和度下掌子面的破坏范围。同时将断层错动量、断层倾角、隧道与断层的夹角及隧道埋深等参数分别进行组合计算,对各参数进行敏感性分析,结果表明断层错动量对衬砌影响最大,断层倾角次之,隧道与断层的夹角对衬砌受力变形的影响最小等结论[2]。
物理模型试验法是土木工程研究方法中重要手段之一,在隧道围岩稳定性研究中也得到广泛应用。根据相似理论,选择相似材料,来模拟分析开挖过程中围岩、衬砌结构的受力和变形等问题。
国内外学者针对中浅埋隧道,通过模型实验,研究开挖进尺与掌子面稳定性的关系。汪成兵和朱合华[3]在研究隧道埋深及断层破碎带对围岩稳定性的模型试验中,利用顶部加压装置,模拟隧道不同埋深对软弱围岩破坏模式的影响,综合模型试验与结果得到:隧道坍塌区主要发生拱顶位置,随着埋深的增加,坍塌区逐渐向上发展,当埋深增加到一定值时,由于土拱效应,坍塌区不会发展到地表面等结论。其他一些学者借助大型三维均匀梯度加载地质力学模型实验系统,通过模型试验研究了软岩隧道围岩随隧道埋深增加的渐进破坏过程的变形特征。
现场试验法能真实地反映现场中试验结构或构件的客观规律,并且能够验证理论分析法、数值模拟法及模型试验法中的假设及结果。但不足之处在于试验结果与监测数据的准确性息息相关,且试验耗费大量的人力物力,周期长。对于现场试验的结果,应考虑其他研究方法,综合分析试验的数据,得到更全面、准确的结论。
Bernat等[4]结合里昂某地铁盾构施工的的实测资料与数值模拟的结果得出,对于隧道开挖过程中,应力释放率在不同岩层中有所不同,应选择合理的释放率才能保证数值模拟结果的准确性。在盾构施工对土体扰动范围与程度的研究中,采用静力触探试验得到土体的扰动范围,在离盾构工作面较近位置扰动程度远大于远盾构土体。其他一些学者,通过隧道现场试验,对采用不同隧道开挖方式情形下的支护结构内力和变形进行了详细的分析,得到开挖过程中支护结构内力和变形的变化规律。
综上所述,断层破碎带段掌子面稳定性的问题已成为岩土工程界的热点和难点问题,国内外学者对掌子面稳定性研究做出了大量工作,并取得了丰硕的成果。但目前对水下隧道断层破碎带段掌子面稳定性的研究仍然存在不少问题有待进一步研究解决。应针对隧道围岩稳定性,建立用于能耗计算掌子面分析模型,采用极限分析上限法,确定非线性系数、隧道埋深及岩土体容重与掌子面稳定系数的关系的研究。
摘要：洞室开挖过程中穿越破碎岩土体时,由于破碎岩土体内部具有较多的结构面,且贯通性良好,施工过程中易出现冒落破坏,造成安全事故。因此,研究隧道断层破碎带段掌子面失稳机理具有重要意义。本文针对隧道围岩稳定性研究开展了大量的工作,系统的论述国内外隧道洞室开挖对掌子面稳定性影响的研究,供类似工程参考和借鉴。
关键词：破碎带,隧道,围岩,掌子面,稳定性
[1] 李得建,赵炼恒,杨峰等.非线性破坏准则下浅埋隧道掌子面三维被动稳定性能耗分析改进方法[J].岩石力学与工程学报.2016(04):743-752.
[2] 胡亚峰,董新平,马晓良等.浅埋软弱地层隧道施工中掌子面稳定性研究[J].地下空间与工程学报.2013(06):1368-1372+1385.
[3] 汪成兵,朱合华.埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究[J].岩石力学与工程学报.2010.29(12):2442-2448.
[4] Bernat S,Cambou B,Dubois P.Assessing a soft soil tunneling numerical model using field[J].Geotechnique.1999:427-452.
