胡麻岭隧道特殊砂岩蠕变特性及工程应用研究
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摘要
本文以兰渝客运专线胡麻岭隧道建设为工程背景,通过一系列室内外试验对隧道出3号与4号斜井之间区段的第三系未成砂岩进行了试验研究,同时采用粘弹性解析法和数值模拟方法对未成砂岩初期支护的稳定性进行了研究,主要研究内容和结论如下：
1.对胡麻岭隧道3号斜井的第三系未成砂岩进行了现场取样,通过室内的物理、力学试验,得到了未成砂岩的密度ρ、比重Gs、饱和含水量ws、单轴抗压强度σ0、等物理力学参数；另外,还对不同含水量情况下未成砂岩单轴抗压强度进行了试验研究,给出了单轴抗压强度与含水量之间的函数关系。
2.对第三系未成砂岩进行了不同含水量等级的单轴蠕变压缩试验,其中,从干燥状态到饱和状态共考虑了5个不同的含水等级。试验结果表明,未成砂岩粘滞系数随含水量的增加大幅度下降,含水状态下的试样达到稳态蠕变的时间较早,初始流变应变占总流变应变的比例远大于干燥未成砂岩试件。利用Origin软件对各含水等级对应应力水平的应变-时间曲线做了针对与广义开尔文流变本构模型的参数拟合,结果表明,由于指数函数曲线与试验曲线曲率变化的差异,采用分段函数对蠕变曲线进行参数拟合,精度比常规的直接拟合的方式有了很大的提升。
3.用粘弹性解析的方法分析推演圆形隧道围岩和衬砌结构之间相互作用的—般时效规律,通过把处于施工阶段的胡麻岭隧道3号斜井等效成圆形,最终给出隧道初期支护结构应力应变和围岩收敛随时间变化的预测结果。
4.利用FLAC3D软件对三台阶法开挖施工过程进行了蠕变模式下的三维模型计算。得出了围岩在三台阶开挖过程中的纵向位移和水平位移的变化规律及隧道三台阶开挖法在4个施工作业循环时间内的拱顶下沉、边墙缩进及拱底隆起的位移量。分析表明在4个开挖作业循环之内,拱顶下沉量不大,水平收敛和拱底上鼓较大,位移发展在可控范围之内。
Based on construction project of the Humaling tunnel in the Lanzhou-Chongqing railway line, a study is carried out on creep properties for tertiary sandstones by a series of in-situ and laboratory tests. Meanwhile, by means of viscoelastic analytic method and FLAC3D simulation, this thesis does some research on the stability of the primary support in Humaling tunnel in sueshige sandstone zone. The main contents and conclusions of this thesis are as follows:
1. The tertiary sueshige sandstone samples are taken from the No.3inclined shaft. The density p,specific gravity Gs,saturated water content ws, and uniaxial compressive strength σ0are obtained by laboratory test.In addition,the uniaxial compressive strength according to different water content was investigated,and the function relationship between σ0and water content was worked out.
2. Uniaxial compression creep test of the sueshige sandstone was conducted according to different water content. The test result show that with the increase of water content,the viscous coefficient decreases sharply and the samples that in moisture state will take less time to reach the steady creep,and it's initial creep deformation account for more proportion of the total creep deformation than the dry sandstone.By the result of the test above,the creep curve of the different water content creep test was fitted with the university Kelvin law by means of the Origin sofeware and the university Kelvin parameters was obtained.The result show that the parameters obtained by means of segmented function was more close to the test data than the parameters obtained from the regular fitting method.
3. The time interation between the primary support structure and surrounding rock in the circular tunel is deduced through viscoelastic method.Then,the section of No.3inclined shaft is equivalent to round to adapt this method.The above result is applied to observe the surround rock deformation and the stability of the primary support.
4.The three bench excavation method of the Humaling tunnel is simulated by means of FLAC3D sofeware under it's creep model.The change of longitudinal displacement and displacement during the process of three bench excavation was illustrated and the total settlement of tunnel crown, indented side wall and the dome uplift displacement is calculated.The analysis show that the indented side wall and the dome uplift displacement is lager than the settlement of tunnel crown,and that the primary support can keep the stability of the surround rock.
1.对胡麻岭隧道3号斜井的第三系未成砂岩进行了现场取样,通过室内的物理、力学试验,得到了未成砂岩的密度ρ、比重Gs、饱和含水量ws、单轴抗压强度σ0、等物理力学参数；另外,还对不同含水量情况下未成砂岩单轴抗压强度进行了试验研究,给出了单轴抗压强度与含水量之间的函数关系。
2.对第三系未成砂岩进行了不同含水量等级的单轴蠕变压缩试验,其中,从干燥状态到饱和状态共考虑了5个不同的含水等级。试验结果表明,未成砂岩粘滞系数随含水量的增加大幅度下降,含水状态下的试样达到稳态蠕变的时间较早,初始流变应变占总流变应变的比例远大于干燥未成砂岩试件。利用Origin软件对各含水等级对应应力水平的应变-时间曲线做了针对与广义开尔文流变本构模型的参数拟合,结果表明,由于指数函数曲线与试验曲线曲率变化的差异,采用分段函数对蠕变曲线进行参数拟合,精度比常规的直接拟合的方式有了很大的提升。
3.用粘弹性解析的方法分析推演圆形隧道围岩和衬砌结构之间相互作用的—般时效规律,通过把处于施工阶段的胡麻岭隧道3号斜井等效成圆形,最终给出隧道初期支护结构应力应变和围岩收敛随时间变化的预测结果。
4.利用FLAC3D软件对三台阶法开挖施工过程进行了蠕变模式下的三维模型计算。得出了围岩在三台阶开挖过程中的纵向位移和水平位移的变化规律及隧道三台阶开挖法在4个施工作业循环时间内的拱顶下沉、边墙缩进及拱底隆起的位移量。分析表明在4个开挖作业循环之内,拱顶下沉量不大,水平收敛和拱底上鼓较大,位移发展在可控范围之内。
Based on construction project of the Humaling tunnel in the Lanzhou-Chongqing railway line, a study is carried out on creep properties for tertiary sandstones by a series of in-situ and laboratory tests. Meanwhile, by means of viscoelastic analytic method and FLAC3D simulation, this thesis does some research on the stability of the primary support in Humaling tunnel in sueshige sandstone zone. The main contents and conclusions of this thesis are as follows:
1. The tertiary sueshige sandstone samples are taken from the No.3inclined shaft. The density p,specific gravity Gs,saturated water content ws, and uniaxial compressive strength σ0are obtained by laboratory test.In addition,the uniaxial compressive strength according to different water content was investigated,and the function relationship between σ0and water content was worked out.
2. Uniaxial compression creep test of the sueshige sandstone was conducted according to different water content. The test result show that with the increase of water content,the viscous coefficient decreases sharply and the samples that in moisture state will take less time to reach the steady creep,and it's initial creep deformation account for more proportion of the total creep deformation than the dry sandstone.By the result of the test above,the creep curve of the different water content creep test was fitted with the university Kelvin law by means of the Origin sofeware and the university Kelvin parameters was obtained.The result show that the parameters obtained by means of segmented function was more close to the test data than the parameters obtained from the regular fitting method.
3. The time interation between the primary support structure and surrounding rock in the circular tunel is deduced through viscoelastic method.Then,the section of No.3inclined shaft is equivalent to round to adapt this method.The above result is applied to observe the surround rock deformation and the stability of the primary support.
4.The three bench excavation method of the Humaling tunnel is simulated by means of FLAC3D sofeware under it's creep model.The change of longitudinal displacement and displacement during the process of three bench excavation was illustrated and the total settlement of tunnel crown, indented side wall and the dome uplift displacement is calculated.The analysis show that the indented side wall and the dome uplift displacement is lager than the settlement of tunnel crown,and that the primary support can keep the stability of the surround rock.
引文
[1]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社,2010[29]关宝树.
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[3]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社,2003
[4]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社,2002
[5]陈惠发.A.E萨里普.弹性与塑性力学[M].北京：中国建筑工业出版社,2003
[6]彭文斌FLAC实用教程.北京：机械工业出版社,2007
[7]刘波韩彦辉FLAC原理、实例与应用指南.北京：人民交通出版社,2005
[8]陈育民徐鼎平FLAC 3D/FLAC基础与工程实例.北京：中国水利水电出版社,2007
[9]方安平Origin8.0实用指南.北京：机械工业出版社,2008.
[10]张志涌杨祖樱MatLab实用教程.北京：北京航空航天大学出版社,2008.
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[47]李建中
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