软岩隧道施工时空效应研究
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摘要
在岩体中开挖隧道,围岩受到施工扰动不断地进行应力释放,从而引起围岩的变形发展,而支护结构也随着时间的增长对围岩的变形产生越来越明显地抑制作用。
本文介绍了岩土材料时空效应研究现状、流变理论以及混凝土支护结构徐变等时间特性。利用依托工程万丈山等多个隧道的监测数据,通过归纳分析给出隧道施工不同时刻对应的围岩荷载释放率,然后选用弹塑性D-P模型和线性粘弹性广义开尔文模型,采用有限元方法对软岩隧道施工全过程的时空效应进行了数值分析研究。首次尝试同时考虑围岩流变和混凝土支护强度增长特性,动态模拟分析了施工过程中隧道围岩和支护结构的力学特性。主要得出以下结论：
(1)对依托工程等多个隧道的监测资料进行分析,得出Ⅳ级围岩隧道洞周收敛在20天内基本达到稳定。并通过归纳分析给出了不同施工时间段对应的围岩压力释放率。
(2)运用弹塑性本构模型,不考虑围岩流变和支护强度增长过程进行分析时,围岩各特征部位计算位移值均偏小,与实际监测结果偏差很大；而考虑围岩流变及不同时刻支护结构对应不同强度特性时,计算结果与实测数据吻合较好,能反映出施工过程的时间空间效应。因此,在进行软岩隧道设计和施工模拟时要计入时间因素对结构的影响。
(3)三维数值分析研究结果显示,隧道开挖时掌子面附近监测点位移收敛速率较大,但由于开挖面附近空间支撑作用,各项应力值均较小,开挖面附近围岩的时间效应不明显；离掌子面远端处(1.5D以上),各特征部位应力值较大,而周边收敛速率却较小,开挖面的空间效应基本在距开挖面约1.5D～2.0D后消失。
(4)在隧道施工初期,隧道各特征点位移变化值较为剧烈,位移最大变化速率基本都出现在前3天,其变形累计值占到总量的一半左右。支护结构在前3～4天内的各项应力值增长也较快。而在这个阶段,喷射混凝土有效弹性模量却不足最终值40%,显然最不利断面出现在进行支护后的第3天左右。因此,建议加强对距掌子面0.5D～1.0D断面处的施工管理和监测。
Excavating in the rock tunnel, it is continue to be disturbed by the construction of stress release, causing the deformation of surrounding development, and strength of support grow with time, the deformation of the rock getting more and more obviously inhibition.
This article introduced the effects of temporal and spatial of geotechnical materials, rheological theory and time characteristics of concrete retaining structure (creep and elastic modulus change with time and other factors).Relying on construction works and other monitoring data tunnel to draw out the rock at different times with different load release rate, then choosing viscoelastic D-P and generalized Kelvin style model, using the finite element method soft rock tunnel construction process of the temporal and spatial effects of the numerical analysis. And the first attempt in the calculation taking into account the rheological properties of rock and concrete support growth characteristics of strength, dynamic simulation of the upper and lower level construction method steps. Main draw the following conclusions:
(1) Relying on the tunnel projects, analyzed and gradeⅣRock Tunnel in the first 20 days in the week convergence of basically stable. Summarized by the construction offering time period corresponding to the different rock pressure release rate.
(2) Using elastic-plastic constitutive model, ignoring strength rock rheology and supporting analysis of the growth process, the surrounding parts of the characteristic values calculated displacement is small, a large deviation of the actual monitoring results; and considering the rheology of rock and structure at different times corresponding to different strength characteristics, the calculated results agree well with the measured data can reflect the effect of the construction process of the time and space. Therefore, when soft rock tunnel design and construction of the simulation time factor to be included on the structure.
(3) Dimensional analysis show that the tunnel excavation tunnel face displacement monitoring points near the convergence rates were higher, but the supporting role of space near the excavation face, the stress values are small, the flow surrounding the cutting face effect is not obvious; remote from the working face at (1.5D above), the characteristic part of the stress is large, and the surrounding convergence rate is smaller, the spatial effect of the basic excavation face away from the excavation face about 1.5D～2.0 D disappearing.
(4) In the earlier tunnel construction, the value of each feature point displacement is more severe, the maximum rate of change in displacement basically appear in the first 3 days, the cumulative value of the deformation accounted for about half of the total. Support structure within the first 3 or 4 of the stress of rapid growth. In this stage, the effective elastic modulus of sprayed concrete was less than 40% of final value, obviously the worst cross-section support occurs during the first 3 days after. Therefore, it is recommended to strengthen the cross-section from the tunnel face 0.5D～1.0D at the construction management and monitoring.
本文介绍了岩土材料时空效应研究现状、流变理论以及混凝土支护结构徐变等时间特性。利用依托工程万丈山等多个隧道的监测数据,通过归纳分析给出隧道施工不同时刻对应的围岩荷载释放率,然后选用弹塑性D-P模型和线性粘弹性广义开尔文模型,采用有限元方法对软岩隧道施工全过程的时空效应进行了数值分析研究。首次尝试同时考虑围岩流变和混凝土支护强度增长特性,动态模拟分析了施工过程中隧道围岩和支护结构的力学特性。主要得出以下结论：
(1)对依托工程等多个隧道的监测资料进行分析,得出Ⅳ级围岩隧道洞周收敛在20天内基本达到稳定。并通过归纳分析给出了不同施工时间段对应的围岩压力释放率。
(2)运用弹塑性本构模型,不考虑围岩流变和支护强度增长过程进行分析时,围岩各特征部位计算位移值均偏小,与实际监测结果偏差很大；而考虑围岩流变及不同时刻支护结构对应不同强度特性时,计算结果与实测数据吻合较好,能反映出施工过程的时间空间效应。因此,在进行软岩隧道设计和施工模拟时要计入时间因素对结构的影响。
(3)三维数值分析研究结果显示,隧道开挖时掌子面附近监测点位移收敛速率较大,但由于开挖面附近空间支撑作用,各项应力值均较小,开挖面附近围岩的时间效应不明显；离掌子面远端处(1.5D以上),各特征部位应力值较大,而周边收敛速率却较小,开挖面的空间效应基本在距开挖面约1.5D～2.0D后消失。
(4)在隧道施工初期,隧道各特征点位移变化值较为剧烈,位移最大变化速率基本都出现在前3天,其变形累计值占到总量的一半左右。支护结构在前3～4天内的各项应力值增长也较快。而在这个阶段,喷射混凝土有效弹性模量却不足最终值40%,显然最不利断面出现在进行支护后的第3天左右。因此,建议加强对距掌子面0.5D～1.0D断面处的施工管理和监测。
Excavating in the rock tunnel, it is continue to be disturbed by the construction of stress release, causing the deformation of surrounding development, and strength of support grow with time, the deformation of the rock getting more and more obviously inhibition.
This article introduced the effects of temporal and spatial of geotechnical materials, rheological theory and time characteristics of concrete retaining structure (creep and elastic modulus change with time and other factors).Relying on construction works and other monitoring data tunnel to draw out the rock at different times with different load release rate, then choosing viscoelastic D-P and generalized Kelvin style model, using the finite element method soft rock tunnel construction process of the temporal and spatial effects of the numerical analysis. And the first attempt in the calculation taking into account the rheological properties of rock and concrete support growth characteristics of strength, dynamic simulation of the upper and lower level construction method steps. Main draw the following conclusions:
(1) Relying on the tunnel projects, analyzed and gradeⅣRock Tunnel in the first 20 days in the week convergence of basically stable. Summarized by the construction offering time period corresponding to the different rock pressure release rate.
(2) Using elastic-plastic constitutive model, ignoring strength rock rheology and supporting analysis of the growth process, the surrounding parts of the characteristic values calculated displacement is small, a large deviation of the actual monitoring results; and considering the rheology of rock and structure at different times corresponding to different strength characteristics, the calculated results agree well with the measured data can reflect the effect of the construction process of the time and space. Therefore, when soft rock tunnel design and construction of the simulation time factor to be included on the structure.
(3) Dimensional analysis show that the tunnel excavation tunnel face displacement monitoring points near the convergence rates were higher, but the supporting role of space near the excavation face, the stress values are small, the flow surrounding the cutting face effect is not obvious; remote from the working face at (1.5D above), the characteristic part of the stress is large, and the surrounding convergence rate is smaller, the spatial effect of the basic excavation face away from the excavation face about 1.5D～2.0 D disappearing.
(4) In the earlier tunnel construction, the value of each feature point displacement is more severe, the maximum rate of change in displacement basically appear in the first 3 days, the cumulative value of the deformation accounted for about half of the total. Support structure within the first 3 or 4 of the stress of rapid growth. In this stage, the effective elastic modulus of sprayed concrete was less than 40% of final value, obviously the worst cross-section support occurs during the first 3 days after. Therefore, it is recommended to strengthen the cross-section from the tunnel face 0.5D～1.0D at the construction management and monitoring.
引文
[1]2009年公路水路交通运输行业发展统计公报[A].中华人民共和国交通运输部,2010年05期
[2]中国铁路运输行业分析报告[A].中经网数据有限公司,2009年第二季度
[3]韩瑞庚.地下工程新奥法[M].科学出版社,1987
[4]李世辉.隧道围岩稳定系统分析[M].中国铁道出版社,1991
[5]勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩石力学与工程学报,2003
[6]王伟峰.大跨浅埋隧道施工时空效应[D].成都：西南交通大学,2008
[7]张有天.隧洞施工期变形过程分析[J].岩石力学与工程学报,1992, (01)
[8]孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海：上海科学技术出版社,1996
[9]王建宇.隧道开挖引起的围岩变形过程及岩体变形模量的反分析[J].土木工程学报,1986
[10]王晓形.浅埋洞室围岩压力若干问题研究[D].上海：同济大学,2006
[11]吴波.城市浅埋隧道施工性态的时空效应分析[D].岩土工程学报,2004, (03)
[12]孙元春.岩石隧道围岩变形时空效应分析[J].工程地质学报,2008, (02)
[13]谭代明.考虑时空效应的软弱围岩隧道施工稳定性研究[J].水文地质工程地质,2009
[14]吴梦军.大跨扁平连拱隧道施工时空效应试验[J].土木建筑与环境工程,2009, (05)
[15]樊凯.浅埋暗挖隧道开挖引起地层变位时空效应分析[D].武汉：华中科技大学,2005
[16]赵旭峰.深部软岩隧道施工性态时空效应分析[J].岩石力学与工程学报,2007,(02)
[17]钱双彬.隧道盾构施工性态时空效应分析[J].华北科技学院学报,2008, (04)
[18]曾小青,孙均.隧道工程施工过程中的力学分析[J].同济大学.1998, (04)
[19]吴波.城市浅埋隧道施工性态的时空效应分析.岩土工程学报,2004, (03)
[20]谢锋.蠕变围岩隧道二次衬砌支护时间的研究[J],地下空间与工程学报.2006,
[21]施成华.城市隧道施工地层变形时空统一预测理论及应用研究[D].上海：同济大学2007
[22]彭立敏.考虑时空效应的隧道开挖及降水引起的地层变形计算[J].土木工程学报,2008,
[23]王华宁.岩体施工过程损伤演化预测的时变力学分析[J].应用力学学报,2002,(04)
[24]曹志远.粘弹塑性损伤时变力学在岩土工程施工分析中的应用[J].工程力学,2005,(04)
[25]鲁宏.深基坑开挖变形性状的时空效应分析综述[A].工程力学,2003
[26]贾坚.软土时空效应原理在基坑工程中的应用[A].地下空间与工程学报,2005
[27]杨有海.考虑时空效应的隧道工程粘弹性位移反分析[J].地下空间与工程学报,2009,(03)
[28]曹志远.时变力学及其工程应用[J].力学与实践1999, (05)
[29]朱维申.时空效应和变载分析原理及其工程应用—岩体施工过程力学的进一步发展[A].中国岩石力学与工程学会第七次学术论文集,2002
[30]夏才初.时空效应下隧道的收敛变形预测及二衬合理支护时机[A].中国岩石力学与工程学会,2002
[31]孙钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报,2007,
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[33]孙元春.岩石隧道围岩变形时空效应分析[J].工程地质学报,2008, (02)
[34]黄湖星.隧道损伤围岩的蠕变特性研究[J].公路隧道,2008, (01)
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[37]李德海,王东攀.围岩粘弹性模型有限元模拟分析[J].矿冶工程,2005, (01)
[38]周家伍,刘元雪.岩体隧道蠕变效应的有限元分析[J].后勤工程学院学报,2007,(03)
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[44]Z.P.Bazan等著.周氏等译.钢筋混凝土有限元分析[M].南京：河海大学出版社,1985
[45]肖汝诚.桥梁结构分析及程序系统[M].北京：人民交通出版社,2002
[46]张丽芳.桥梁结构徐变收缩及预应力研究与软件开发[D].西安：长安大学硕士学位论文,2002
[47]关宝树.隧道力学概论[M].西南交通大学出版社,1993
[48]孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海科学技术出版社,1996
[49]吴波.城市浅埋隧道施工性态的时空效应分析[J].岩土工程学报,2004, (03)
[50]蔡小林,赵德安.隧道计算中提高围岩参数模拟锚杆作用的探讨[J].兰州交通大学学报,2004, (01)
[51]孙钧,朱合华.软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析[J].岩土力学,1994
[52]徐干成.弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用[J].2002,
[53]孙均.软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析[J].岩土力学,1994(12)
[54]刘学增,苏京伟.NATM公路隧道围岩时间效应统计分析与变形稳定性评价指标[J].2009, (11)
[55]公路隧道施工技术规范JTG/F60-2009[S]中华人民共和国交通运输部,2009
[56]公路隧道施工技术细则JTG/TF60—2009[S]中华人民共和国交通运输部,2009
[57]锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086-2001[S]中华人民共和国交通运输部,2001
[58]刘建华.小浪底水利枢纽地下厂房岩体流变与稳定性FLAC3D数值分析[J].岩石力学与工程学报,2005
[59]孙均.地下结构有限元法解析[M].同济大学出版社,1988
[60]TB.Celestino周德培译.考虑岩体和喷混凝土与时间相关性的隧道设计[J].世界隧道,1995
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[67]黄书珍,胡仁喜等ANSYS 12.0土木工程有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社,2010
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