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地铁隧道围岩稳定性影响因素的分析

时间:2016-05-29  作者:佚名

论文摘 要】地铁是我国21世纪地下空间利用的重点,其隧道大多属于浅埋的地下结构。因此,在一些特殊地层中,隧道的支护尤其重要,并且具有一定的难度,一直以来制约着地铁隧道建设的进一步发展。结合以往国内外的研究成果,分析得出了施工过程中引起地表变形的基本原因及隧道围岩稳定性的影响因素,有利于对隧道施工过程中的支护方法和支护参数的进一步研究。

【关键词】地铁隧道;研究现状;地表变形;稳定性;影响因素

0 前言

随着城市规模的扩大、人口数量的增长,城市交通拥堵问题愈来愈严重,这就强烈要求人类加大对地下空间的利用,地下空间成为缓解交通压力、加快城市化进度的有效手段。目前,我国在地下空间利用方面(特别是地铁建设方面)不断加大力度,地铁将是我国21世纪地下空间利用的重点。

地铁隧道大多属于浅埋的地下结构,上覆土层一般不能形成稳定的压力拱,形成开挖面后的隧道顶板围岩大多数会产生比较大的沉降,严重的围岩甚至会出现垮塌、岩爆等现象。特别是浅埋强风化地铁隧道周围的围岩通常处于节理密集和非常破碎的状态之中,与松散地层十分相似,此时隧道的支护就尤其重要,并且具有一定的难度,一直以来制约着地铁隧道建设的进一步发展。

1 国内外研究现状

80多年前,普氏通过对均质松散体的研究,得出了地层压力的计算方法,其中假设条件是岩石是松散体,并用一个似摩擦系数对岩体之间复杂的联系进行描述。金融学论文虽然这种方法过于粗糙,但是这种方法简单易行,直到现在还经常使用着。

随着研究的深入,隧道支护理论逐渐产生了两大派系,一个是把地层视为松散构造的松动压力理论学派,另一个是将地层视为连续体的粘、弹、塑性理论学派。

近几十年来,随着计算机技术的进步而逐渐发展起来的数值分析方法,在隧道工程中起着越来越大的作用。在应用计算机进行数值模拟分析时,人们常采用连续介质力学方法(如有限元法、有限差分法等)和非连续介质力学方法(如块体单元法、离散元法等)来解决隧道围岩的稳定性问题。数值分析具有易于改变参数、快捷、便利、成本低、模拟性强、可以反复计算等优点。

2 地铁隧道施工引起地表变形的基本原因

(1)临空面土体的位移。当盾构机掘进时,临空面土体受到的支护应力可能大于或者小于原始侧压力,临空面上前方的土体会隆起或者下沉;

(2)土体被挤入盾尾空隙。当盾构法隧道的首次衬砌离开盾尾后,在隧道开挖面和衬砌外形成一个环形的空隙,土体将向着一个空隙产生移动,因此引起地面的沉降;

(3)土体与衬砌之间的相互作用,地表沉降是土体与衬砌之间相互作用的综合表现;

(4)受扰动土体的再固结,尤其是在饱和软土地层中;

(5)改变了推进的方向。

3 隧道围岩稳定性的影响因素

围岩稳定性是指地下洞室(包括隧道)开挖之后,在无支护的情况下围岩的自稳能力,其中包括围岩的变形和破坏两个方面。

以性质来分类,基本上可以分为两大类:第一类属于自然因素,如岩块的变形性质等;第二类属于人为因素,如施工方法、形状、支护措施、尺寸等。

3.1 岩块的变形性质

外载荷作用下,岩块将产生变形,变形随着载荷的增加而增加,当载荷大于等于某一限值时,将导致岩块破坏。与普通材料类似,岩块变形也有弹性变形、塑形变形和流变变形之分,但是由于岩块的复杂性,从而岩块变形性质也比普通材料要复杂得多。

3.1.1 单轴压缩条件下岩块变形性质

1)连续加载下的变形性质

(1)在单轴连续加载条件下,对岩块试件进行试验时,可获得各级载荷下的轴应变εL和横向应变 εd,且其体积应变 εv为:

εv=εL+εd

可将岩块变形过程划分成以下阶段:

①孔隙裂隙压密阶段(图1,OA段)在该阶段,试件中结构面或微裂隙随着载荷的增加而逐渐闭合,岩石被压密,逐渐形成早期的非线性变形。这个阶段对裂隙性岩石来说比较明显,而对少裂隙的坚硬岩石则不明显或者不显现。

②弹性变形至微破裂稳定发展阶段(图1,AC)这一阶段的曲线近似呈直线关系,而曲线开始(AB段)基本为直线,随着应力的增加而逐渐变为曲线(BC段)。弹性变形阶段(AB段)不仅应变与应力成正比例关系,而且基本表现为可恢复的弹性变形 ,微破裂稳定发展阶段(BC段)的变形主要是塑性变形,试件内开始逐渐出现新的微破裂,初中德育教育论文并随应力的增加,微破裂逐渐发展。随着微破裂的出现,试件体积压缩速率逐渐减缓,曲线偏离原来直线而向纵轴方向弯曲。

③非稳定破碎发展阶段(图1,CD段)进入这一阶段后,应力集中效应逐渐显著,即使应力保持不变,破碎现象仍会不断地发展,并在其中一些薄弱部位首先发生破坏,应力重分布,其他部位也逐渐破坏,直至试件完全破坏。试件由体积压缩转变为扩容。

④破坏后阶段(图1,D点以后阶段)岩块出现宏观断裂面,岩块变形主要表现为沿着这个断裂面进行滑移,试件的承载能力随着变形的增大而迅速下降,但是并没有降到零,即破裂的岩石仍然有少部分的承载能力。

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