公路隧道围岩与支护结构的稳定性分析

公路隧道围岩与支护结构的稳定性分析

黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司

一、分析公路隧道围岩和支护结构稳定性的重要性

公路隧道工程施工的过程中,隧道开挖施工会对原本的土体结构造成较大的扰动影响,使原本处于平衡状态的土体结构被打破,此种状况下就极易产生隧道坍塌的事故问题,因此实际施工中,应充分分析隧道结构的力学分布状况,采取适当的支护方式对隧道结构进行支撑,通过人工干预的方式使隧道开挖结构的土体始终处于平衡状态,从而保障隧道施工安全。对于支护方案的合理确定,需要有隧道围岩稳定性的参数作为支持,这也要求相关人员在隧道开挖时,应对其稳定性进行有效分析。支护结构设立后,可以给出一个反向的作用力,用于控制土体结构变形的问题,从根本上达成稳定围岩结构的目的。初期支护的主要作用是承载部分土体结构,保证施工空间的安全性,这就要求其刚度较大,承载能力较强,不会因荷载重量的增加产生变形问题,有效维系作用空间安全。而支护结构和隧道围岩的结构安全与稳定性分析的准确性存在直接关系,这也突出了对其展开研究的重要性。

二、公路隧道围岩稳定性的常见分析方法

隧道围岩稳定性分析时,可以结合工程的实际施工需求,选择局部分析或者全部分析,在近些年,隧道施工安全的问题备受关注,也先后提出了多种围岩稳定性分析的方法,在稳定性分析中各具优势,可以根据工程状况和施工环境等因素适当选择分析方法,为隧道工程的安全施工提供准确的数据支持。

1、地质类比分析法

该种分析方式实际上就是在对公路工程区域的岩石特定和地质信息等参数进行获取后,对比以往的工程参数所得出的分析结果,在各类工程参数逐渐完善的基础上,将围岩稳定性形成了多个等级。进行围岩稳定性分析时,可以根据以往的工程参数确定围岩稳定性的等级,之后结合国家的工程岩体分级标准,对支护结构的形式进行合理选择,确保支护结构的稳定性和荷载能力能够起到加固围岩结构的效果,降低围岩破损或者开裂的事故问题。现阶段地质类比法已经成为隧道施工中的常见稳定性分析方法,有效提升了隧道工程施工的安全性。

2、图解分析

图解分析需要在了解岩石结构特性的基础上,结合工程的作用力以及各个结构的连接形式和空间关系,采用投影的方式按照实际的比例得出相关的坐标,之后对其进行图解,从而实现对围岩结构性能和稳定性的准确分析。

3、力学分析法

实际工程中,隧道开挖后,由于卸荷作用使围岩应力进行重分布,并出现应力集中,如果围岩应力处小于岩体弹性极限强度,这时围岩处于弹性状态。反之,围岩将部分进人塑性状态。但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而,研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题。

4、现场测试

现场测试指的是,针对公路隧道围岩的基本参数进行全面获取,利用数据分析和试验的方式,分析围岩结构的稳定性。主要试验内容包括对围岩位移参数的测量、对锚杆轴向作用力的分析、对支撑结构性能参数的确认,并且观察地质结构与支护结构之间的作用关系,结合各类数据分析围岩结构性能,从而实现对稳定性的有效分析。

三、公路隧道支护结构稳定性的常见分析方法

针对支护结构的力学特征进行分析是确定稳定性参数的基础环节,与围岩结构本身相比,支护结构的力学特征相对复杂,既需要对其自身的构造特征进行描述,又需要考虑其在与围岩结构接触时,由围岩结构所给出的作用力,综合分析各个方向的作用力才能得出较为准确的力学参数。此外,还应考虑到围岩结构发生变化时,对支护结构力学特征所带来的影响。

1、力学分析方法

所谓的结构力学方法,就是给定荷载,荷载值与支撑的变形性质和承载能力无关,实质上是把支护结构与周围岩体看成是相互作用的两个方面,把围岩压力看作给定荷载,结构作为承载结构,即结构-荷载模式。这就是我们目前在衬砌计算中采用的,岩体的承载能力既考虑在给定荷载中。也考虑在支护结构和围岩之间的相互作用上(以抗力形式出现),即荷载-结构一弹性抗力模式。这种方法概念清晰,计算方便,目前被广泛采用。现在我国隧道设计规范就采用"荷载-结构一弹性抗力"模式对衬砌结构进行计算,并结合"工程类比法"和监控量测进行修正。

2、岩石结构的力学分析

主要是将支护结构与岩石结构看成一个整体,通过分析二者的作用关系来得出较为准确的稳定性数据。隧道结构的特性决定了其主要力学形态与支护结构和岩体结构密切相关,因主要荷载压力是由岩石结构输出的,为此,应将岩石结构的力学参数作为主要的测量数值。同时,分析支护结构和岩体的力学关系,有关隧道工程的岩石计算方法可以分析以下几类:

(1)特征曲线法。特征曲线法也称收敛一约束法,它的实质是:决定隧道衬砌的变形特征曲线;决定岩体的变形特征曲线;建立和求解隧道衬砌在岩体产生的荷载作用下的变形和岩体在衬砌反作用的阻止下变形之间的协调平衡。这个方法主要决定于两个特征曲线,-个是围岩收敛曲线,它的确定与岩体的强度性质,应力-应变动态及隧道的初应力场等有关;-个是支护结构的约束曲线,它主要决定于支护结构的刚度、材料性质及支护类型。

(2)剪切滑移破坏法。剪切滑移法进行支护结构设计是按下述原则进行的:隧道周围出现塑性滑移楔体,造成支护结构的剪切破坏;支护结构与围岩粘结紧密,两者共同工作,形成无弯矩结构;由锚杆、钢支撑、喷混凝土等支护结构所提供的支护阻力恰恰与握性滑移楔体之滑移力达成平衡时所需要的。

(3)数值分析法。数值分析法主要指有限单元法,它对分析整个支护体系的稳定性具有重要的理论意义,可以考虑较多的初始条件和岩体及支护结构的特征,如无拉分析、粘弹性分析、三维的空间效应分析等等。但这些分析都是在一定的前提之下进行的,只有前提是正确的或者是可以接受的,计算结果才可能是值得信赖的。数值方法中还包括边界元法和加权余量(残数)法,但有限元法得到的应用较为广泛。

结语:如何进一步提高深埋特长隧道的设计与施工质量,是目前急需解决的问题。锯决这一问题的关键是要对深埋特长隧道的开挖与支护过程进行研究,获取深埋特长隧道在不同围岩与支护体系下的力学性状及其稳定性,为深埋特长隧道的设计与施工提供依据和指导。

参考文献:

[1]魏龙,王凯和.高地应力破碎围岩隧道支护结构稳定性分析[J].南阳理工学院学报,2016,8(2):97-101.

[2]王淑勤.关于输水隧洞的支护结构及围岩稳定性分析[J].河南建材,2016(5):129-131.

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