不均匀收敛模式在软岩隧道中的适用性研究.pdf

引用格式:刘旭,吴红刚,关伟,等.不均匀收敛模式在软岩隧道中的适用性研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):240.LIU Xu,WU Honggang,GUAN Wei,et al.Applicability of uneven convergence mode in soft rock tunnelsJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):240.收稿日期:2022-08-12;修回日期:2022-11-25基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFC1504901);甘肃省自然科学基金项目(21JR7RA738)第一作者简介:刘旭(1998),男,河北保定人,贵州大学资源与环境(地质工程)专业在读硕士,主要从事岩土与地基工程方面的研究工作。E-mail:1064577833 。通信作者:吴红刚,E-mail:271462550 。不均匀收敛模式在软岩隧道中的适用性研究刘 旭1,2,3,吴红刚1,2,关 伟2,3,孙 浩2,4(1.贵州大学资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550025;2.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730070;3.贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室,贵州 贵阳 550025;4.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010)摘要:为进一步对山区软岩隧道断面的收敛变形模式进行研究,以隧道断面拱顶沉降与拱腰水平收敛为研究对象,基于现有地铁盾构隧道不均匀收敛模式提出隧道断面拱顶沉降与拱腰水平收敛比值 K 对隧道断面变形进行参数化表达,基于 K 值将隧道断面收敛变形情况分为 3 种形态。结合西成铁路甘青隧道甘肃段 2 段不同埋深情况下隧道断面变形监测数据进行分析。结果表明:1)通过 K 值的参数化分析,发现隧道断面的变形模式主要受隧道均匀收敛 与隧道椭圆化 的影响;2)隧道埋深对于隧道开挖后断面收敛变形有一定的影响,在埋深较深的情况下隧道围岩相对稳定,隧道断面收敛变形量较小且在短时间内将趋于稳定;3)通过甘青隧道实测数据发现,不均匀收敛模式与现有的经验参数适用于浅埋(埋深 17.819.3 m)区域内的隧道断面,但是对于深埋(埋深48.549.3 m)区域内隧道断面的适用性不佳;4)首次将源于地铁盾构隧道的断面不均匀收敛模式引入山岭隧道,由于山岭隧道施工的复杂性,目前对山岭隧道的 K 值仅进行了初步的适用性研究。关键词:软岩隧道;不均匀收敛模式;拱顶沉降;水平收敛;隧道椭圆化DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.028中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0240-08A Ap pp pl li ic ca ab bi il li it ty y o of f U Un ne ev ve en n C Co on nv ve er rg ge en nc ce e MMo od de e i in n S So of ft t R Ro oc ck k T Tu un nn ne el ls sLIU Xu1,2,3,WU Honggang1,2,*,GUAN Wei2,3,SUN Hao2,4(1.College of Resource and Environment Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;2.Northwest Research Institute Co.,Ltd.of CREC,Lanzhou 730070,Gansu,China;3.Key Laboratory of Karst Environment and Geological Hazards,Ministry of Land and Resources,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;4.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,Sichuan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To further investigate the convergence deformation mode of soft rock tunnel section in mountainous area,a case study is conducted on the crown settlement and horizontal convergence of arch waist of a tunnel section,the ratio K of crown settlement and horizontal convergence of arch waist is proposed based on the existing uneven convergence mode of metro shield tunnel,so as to parameterize the deformation of tunnel cross-section.Additionally,three forms of convergence deformation of tunnel cross-section are proposed based on K value.Finally,the monitoring data of tunnel cross-section deformation under different buried depths in Gansu section of the Ganqing tunnel on Xining-Chengdu highspeed railway are analyzed.The results show the following:(1)The parametric analysis of the K value shows that the deformation mode of the tunnel cross-section is mainly affected by the tunnel uniform convergence and the tunnel ovalization.(2)The buried depth of the tunnel has a certain influence on the convergence deformation of the tunnel cross-section after tunnel excavation.Because the surrounding rock of the tunnel is relatively stable under the condition 增刊 1刘 旭,等:不均匀收敛模式在软岩隧道中的适用性研究of deep buried depth,the convergence deformation of the tunnel cross-section is small and tends to be stable in a short time.(3)The uneven convergence model and the existing empirical parameters are suitable for the tunnel cross-section in the shallow buried area(buried depth of 17.819.3 m),but the applicability of the tunnel cross-section in the deep buried area(buried depth of 48.5 49.3 m)is not good.(4)For the first time,the uneven convergence mode of the tunnel cross-section from the metro shield is introduced into the mountain tunnel.Due to the complexity of the mountain tunnel construction,the current research on the K value of the mountain tunnel is only a preliminary applicability study,which needs further study.K Ke ey yw wo or rd ds s:soft rock tunnel;uneven convergence mode;crown settlement;horizontal convergence;tunnel ovalization0 引言伴随“一带一路”倡议的提出,我国西部地区的交通网络迅速发展,以铁路为代表的工程项目不断在西部区域立项并开工建设。“十九大”报告提出了“实施区域协调”的发展战略,推进西部大开发形成新格局,建设以宝兰、西成、兰新高铁等为主干网的西部高铁网络将成为区域协调发展的排头兵1。由于西部地区工程地质条件复杂,地质灾害频发,许多隧道工程中存在局部地应力较高、含软弱夹层、突水突泥等问题,建设难度极大2。西部高铁建设中隧道占比相对较高,隧道穿越软岩地区往往会出现隧道断面变形复杂的情况,因此对穿越软岩隧道的断面收敛变形进行研究尤为重要。在隧道建设中往往通过监测隧道断面的拱顶沉降与拱腰水平收敛以反映隧道开挖面的变形情况,进而为初期支护和二次衬砌的施作选择合适的时机。在隧道断面收敛变形模式的研究过程中先后经历了几种不同类型的假定。Sagaseta3提出隧道建设中隧道断面在不均匀的初始应力和应力梯度的共同影响下,隧道断面的位移场可以进行分解研究,将位移分解为径向与切向分量,同时由于在隧道结构重力的影响下隧道会产生下沉现象,其将隧道的断面收敛模式概括为均匀收敛、椭圆化及均匀下沉 3 种基本模式的叠加效果;随后 Park4将隧道断面的变形收敛特性划分为 4 种不同模式,分别采用 4 种不同边界条件推导隧道所引起的地表沉降变形的弹性解,发现模型的边界条件限制了不同间隙参数的关系;童磊等5基于 Sagaseta3提出的隧道断面不均匀收敛变形模式,结合 Park4提出的 4 种边界条件进行研究,推导得到隧道收敛变形的统一弹性解;吴旭平等6、聂建春等7通过数值模拟软件对含软弱夹层浅埋段隧道在不同的施工方法下进行三维数值模拟,并结合隧道施工现场采集的隧道断面围岩变形实测数据进行对比分析,对隧道围岩的变形特性及控制效果进行研究,提出了相应的施工控制指标;刘波等8通过对前人研究进行总结,基于Sagaseta3提出的隧道不均匀收敛的 3 种基本模式,经过参数化推导得到了可以参数化表达的不均匀收敛模式,结合地铁隧道工程算例对参数化不均匀收敛模式进行反算,并对相对收敛与相对椭圆化进行经验附值。现阶段对山区软岩隧道断面收敛变形模式的理论研究相对较少,亟需引入能够有效且准确对隧道断面收敛进行研究的理论方法。本文通过对现有学者的隧道断面不均匀收敛变形模式进一步研究,首次提出通过隧道断面拱顶沉降与拱腰水平收敛的比值 K 对隧道断面收敛变形模式进行研究,分析隧道断面不均匀收敛变形的影响因素,并通过西成铁路甘青隧道甘肃段 2 段不同埋深下马蹄形隧道断面变形实测数据分析,对现有不均匀收敛变形模式的适用性进行研究,得到山区软岩隧道的收敛变形模式。1 隧道断面不均匀收敛模式1.1 隧道断面