浅埋隧洞的收敛约束法.pdf

J 多 浅 埋 隧 洞 的 收 敛 约 束 法 浅埋隧洞的收敛约束法 e m啪Z E 舳 i i s e n s t e 授译 一 v 丰文通过比较加拿大 R d mo mo n硬拈土中两条隧鹕的收敛约束法f c c法 与现场测量 白 摹 研 览了采用收最约束法设计浅埋隧洞的晴况 两条隧洞的开挖条件极其相似 其重重要的区别是 深度一直柱之比 由于该比率不同 迭两条隧鹕对采用C C法分析时呈现 出不同的的反映 潭理隧 鹕中C C法分析蛄秉与现场测量敷据相符 而浅毽隧鹕却不相符 谈偏羔是由浅埋隧鹕周围产生的 非对称 变 形引起 的 关蝴 叛 隶 毛 毪 色 1 简介 目前 针对隧洞设计与分析已采用许多 方法 其中 收敛约束法 c c法 为了解衬 砌支撑与围岩之间的相互作用起重要作用 该方法相对来说较简单 使用方便 而且能通 过一系列可能的岩体参数 支撑特性及安装 方式准确地说明所选解法的灵敏度 但 是 要 保持简 捷 在其 求导 中 需 采用 一 系列的简化假设 这些假设使得该方法只 适用于处于静 水压 力场 的深埋隧洞 因此 在 浅埋隧洞中采用 c c法就作为一问题提上 议程 本文的宗旨就是讨论该问题 依据的是 加拿大 A l b e r t a州 B d m o n t o n 地区两条隧洞的 臆工中所获取的现场数据 2 收敛约束法 c c法 c c法是以通过独立地研究岩体 的性 能和隧洞支撑来分析岩体结构的相互作用这 一 概念为依据的 岩体性艟用岩体反应曲线 G R C 表示 衬砌用支撑反应曲线 S R C 表 示 前者是 应用侧限压力表明岩体 收缩 r 后者 是关于作用于衬砌上使之发生变形的例限压 力 因此 岩体支撑相互作用的解法就 由这两 条曲线的相交点给出 如图 1 所示 以前 已经 发表过 一系列 的 砖定 G R C的 方法 B r o w n等人 1 9 8 3 年 对过去 O 年所得 出的每一个主要公式的特点作了总结 S R C的解法也已经发表许多 S R C是按 照衬砌钢度 荷载能力及衬砌作用之前 出现 的位移 依据弹性理论确定的 如图 1 所示 支撑钢度定义为所需用于引起作用在村砌上 的单位径向应变的均匀的周边压力 L o m b a r 1 1 9 7 3 和 B r o w n 1 9 8 1 给 出 了不 同衬砌 的 支撑钢度和支撑承载能力 85 维普资讯 1 9 9 5丰第 2 3南 水利水 电施I 总 第裾 5 3期 从临近的模板解法所得到的两条反应曲 线来 观察 其岩体 支 撑相 互作 用仅 对 于采用 两维 圆筒式 是 比较理 想的 其 中没有考虑 衬 砌及地面机械的性能 土壤及支撑随后进行 相同 的径 向变形 针对浅埋 隧洞而 言 这就为 主要的限制法 原因是该分析不能囊括隧洞 上自由面的临近效应 非静水压力场 K 1 以及隧洞四周的重力效应 B r a n c o 1 9 8 1 对 其它可 运用 的衬砌设计 方 法作 了总结 其 中表 明对浅埋 隧洞 丽言 不 存在简单的设计方法 下面就 c c法的应用情况调查特别注 重了隧洞上 自由面的影响 3 硬 粘土 中 浅埋 隧洞 衬砌 设计 c c法的应用 加拿大 Al b e r t a州 E d mo n t o n市两 条隧 洞 的旆工 允许 运 用 c C法来分析 隧洞 性能 方 面 自由面的影响情况 两条隧洞均 泛装置 仪器 用来测 量地面 位 移及衬砌 荷载 并均 采 用非常 类似 的旄 工 方法 同在 Edmo n t o n冰 碛 土进 行开挖 第 一条 隧洞命 名 为实验 隧洞 简称 E xP 隧 洞 是 由 E l N a h h a s 1 9 8 0 和 E i s e n s i n 等人 1 9 8 0 和 1 9 8 1 进行综合研究的 该洞为 小 直径隧洞 D 2 5 6 m 全断面涡轮钻机 I B M 掘进 至 隧洞中心线深度为 2 7 m E XP 隧嗣其中一段的底层衬砌包括从此中心至彼 中心 1 5 m长的弧形钢筋 WF 1 0 0 1 9 及位 于铜 笳连接板 之间 5 2 0 c m的挡板 钢筋 和 挡板 系统 装 配在 T B M 涡轮钻 机 盾 构 之 范围 内 接着 钻机对准临时衬砌的边界推进 当 T B M 推进 充足 钢 筋从盾 构显 露之时 液 压千斤顶则压扁钢筋 然后把 1 0 c m厚 的定 位片装 配在钢筋 上 部的 两接 缝之 中 待 下一 个钢 笳挡板 同样装 配在盾构之 中后就可 以继 86 续钻进 第二条隧洞命名为 L R T南延隧洞 是由 B r a n o c o 1 9 8 1 进行深入分析的 该洞为大直 径隧 洞 D 6 1 m 同 E X P隧 洞 一 样 采 用 T B M 盾构 隧洞掘 进法 至隧洞 中心线深 度为 1 1 8 m L RT s E隧洞的底层衬 砌包 括从此 中心至彼 中心 l 2 2 m长的弧形钢筋 W6 2 5 及位于此后钢笳连接板 之间 1 0 1 5 c m 的挡板 此隧洞的装配情况 同上述 E XP隧洞 类似 两条 隧洞相 关的衬砌及岩体参数见表 1 表 L R T S E隧洞和 E Xp隧洞村砌和岩体参数 LRT SE 项目 E XP罐 洞 隧洞 弹性模 数 MP a 7 5 l 5 0 泊松 比 0 4 0 4 膨胀 率 l 阻力角度 有效度数 3 0 0 有效 内聚 力 MP a 0 0 釜 I掌 子 面 前 4 0 膨 胀 前 l 9 2 5 IT lm l 膨胀 后 2 5 0 5 弹性模数 b t P a 2 0 7 0 0 0 2 0 7 0 0 0 泊橙 比 0 2 5 0 2 5 惯 性矩 m d 7 6 X 0 2 2 2 Xl 0 断 面面积 m 2 7 4 X 0 4 7 3 Xl 0 拱 粱 间隔 m 5 1 2 直 径 m 2 5 6 6 1 起拱 线处 之 最 终 径 向 3 0 2 至 0 1 6至 荷载 P i P o 0 1 2 0 2 4 两条隧洞均在近似的静水压力场 K o 1 0 下 进 行 开挖 的 其 最 主 要 的 区别 在 于 L RT s E隧 洞与 E XP隧 油的深度 比 即隧洞 中心至隧洞直径的深度 不 同 两 条隧洞在其 维普资讯 寰埋避洞的收敛约束法 它 方 面是很值 得进 行 比较的 尤其 在许 多 岩 体和衬 砌方 面 E X P隧洞的深 度比为 l 0 6 故看 作深埋 隧洞 而 L R T S E隧洞的 深度 比 为 1 9 故认 为是 浅埋 隧 洞 判断是深埋隧 洞 还是浅埋隧洞要依据作用于洞壁岩体的切向 应力的预期显现 来鉴别 关 于这 一点 Mi n d l i n 1 9 4 0 就 曾经建议 过 排除三维及重 力在 任何隧洞施工 中的 固 有影 响 E X P隧 洞 囊括 了所有 与 C C法相 关 的边 界条件 另外 对 L RT S E隧 洞而 言 除具有三维及重力效应以外 自由面的临近 效应对已加强的边界条件产生一定的妨碍 这就表明 c c法能相 对较好地预 见 E X P隧 洞岩体支撑相互作 用的特性 图 2和图 3各 自表 明了 E XP隧洞和 L R T s E隧 洞 的岩体 反应曲线 此曲线是依据 K a i s e r 1 9 8 0 所提 出的公 式获得 的 该公 式是在假 定材 料 为线 弹 性 完 全 易 碎 性 塑 料 并 具 有 库 仑 C o u lo mb 破坏准则所述之屈服面的前提下 进行循环 明挖 而提 出的 图 2 和图 3 所示两条隧洞岩体支撑接IZ I 的 3个不 同的平衡 点为 E a E b和 E c 囝 2 E X P 隧洞起拂线处 C C法应用 E a点E a是指理 论上 岩体 反应 曲线 利 支撑 反应 曲线相交而 确定的 平衡 点 图 2和圈 3 表明支撑反应曲线的绘制要求具有广琵的支 撑硬 化及 临近 岩体 一支 撑交结面发 生在砼膨 胀前 的岩 体位 移诸方面 的知 识 本篇论文 中 后者是通过两次岩体位移情况所总结的 a 隧洞掌子面前产生的岩体位移 假定未衬 砌 隧 洞 的 弹 性 边 壁 位 移 为 i 3 R a n k e n和 Gh a b o u s s i 1 9 7 5 b 沿 涡轮 钻机盾 构长度发 生 的岩 体位 移 假 定所开挖直径与已膨胀的底层衬砌的直径的 差分为 1 2 B r a n o于 1 9 8 i年就 此 两种 隧 洞进 行 了 详细的位 移估算 E b点E b是指 岩体反应 曲线 和支撑 反 应曲 线相交而确定的另一个平衡点 E a 和 E b 之 间的 区别表 现在砼衬 砌膨胀前允 许发生的岩 体位移不 同 通过 估算发 生在砼 衬砌 膀胀 前 的岩体位移来确定 E a 点时不考虑隧洞测试 设备得出的任何数据 另外 确定 E b 平衡点 支撑反应曲线的绘制依据的是砼衬砌膨胀前 所测的岩体位移结果 B r a n e o 1 9 8 1 总结了 通过现场测试设备所获得的这些位移结果 井在表 1中加以概述 囝 3 L R T S E隧洞起拱线处 c c法应用 E c 点E c 点指的是通过初砌和岩体测试设 备所得到 的平衡点群的范围 关于这一点一 N a h h a s和 B r a n e o i 9 8 1 已作出 确定 E c点的负荷与位移的 孙 l 1 g 一 一 目 维普资讯 1 9 9 5韦 第 2 3期 水 利水 电施 I 总 第 5 2 5 3期 隧 洞的起拱 线 因为更为完整 的 现场数 据在 此处是十分有 用的 另外 c c法 没有考虑 的重 力影响 在此处最小 甚至可 以加 以忽略 与此两种隧洞相关需要提及的是 与 E c 相关酌位移是从起撰线处起约 1 4 隧洞直径 距离处获得的 这就表明岩体支撑处的实际 E c 值应转化为瞰 2 和图 3 所示的正常值 原 因是离隧洞壁越近径向岩体位移的范围就越 广 通 过对 图 2 E XP隧洞岩 体支撑交接 处 所汇制的平衡点 E a及 E c 的分析表明可以 利用 c c法对推力及衬砌位移情况进行有 效预 铡 再者 通过 比较 L R T S E隧洞图 3所 示 的 E a和 E c 点表 明 利用 c c法预 测负荷及 位移情况完全不同于所测量的结果 在考虑 进去发生在衬砌膨胀前所测量的岩体位移之 后及沿囤 3横轴和支撑反应曲线定位之时 新 的平 衡点 E b就更接近 E c 这 就说 明获得 了更好的衬 砌行 为预测方 式 并表 明测量 的 期望的负荷及衬砌位移的偏差主要表现在衬 砌前不准确的估算结果上 对衬砌膨胀前所产生的岩体位移的非准 确估算主要归因于浅埋隧洞周围的非轴对称 变 形方式 即使在初始应力现场定量 K o 约 等于 1 之处 也不例外 这种推论是通过对隧 洞中 O 喊 衬砌积聚均匀度的现场测量以及利 用 c c法对隧洞的进 步预测来确定的 这种改进是考虑进去衬砌实旅前所出现的岩 体位移 的结果 与图 3内 E c 点相关的负荷和位移其测 量越接近隧洞支撑就越接近 E b 点的负荷和 位移 4 结论 此处的研究表明利用 c c法对 F l r n o n to n地区硬粘土中两条施工隧洞进行预测 其 中对 深埋隧洞预测效 果 良好 预测与测量位移的偏差是由于浅埋隧洞 周围的土壤弹性及变形方式不是 c c法所 假定的轴性对称方式 L R T S E隧嗣均匀径 向 即轴性对称 方式的变更起因于附近岩体 表面的变化 已经表明