隧道圍巖的約束位移法

1、隧道圍巖的收斂約束法隧道圍巖的收斂約束法基本原理收斂收斂-約束約束法法第二部分第二部分第三部分第三部分模型及參數(shù)第一部分第一部分計(jì)算結(jié)果基本原理基本原理 長(zhǎng)期以來(lái)，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖荷載一直不太明確，原因在于隧道開(kāi)挖是一個(gè)由三維空間與時(shí)間組成的四維問(wèn)題。針對(duì)這一復(fù)雜問(wèn)題，有時(shí)即使采用三維數(shù)值模擬，都難以達(dá)到預(yù)期效果。然而，使用收斂約束法卻成為上述問(wèn)題分析的有效途徑。收斂約束法是近三十年發(fā)展起來(lái)的一種新興支護(hù)設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，該方法重點(diǎn)考察的是代表支護(hù)約束壓力作用下的巖層行為，其基本原則是：支護(hù)的設(shè)計(jì)目的是穩(wěn)定圍巖運(yùn)動(dòng)，而不是承受?chē)鷰r荷載。收斂約束法基本理論的三大組成部分分別是圍

2、巖特性曲線(xiàn)、支護(hù)特性曲線(xiàn)以及縱斷面變形曲線(xiàn)，其中圍巖特性曲線(xiàn)表示圍巖收斂對(duì)支護(hù)的需求特性，支護(hù)特性曲線(xiàn)表示支護(hù)壓力對(duì)圍巖的約束特性，縱斷面曲線(xiàn)表示開(kāi)挖面的空間約束行為。1.1 簡(jiǎn)介1.2 收斂-約束法原理隧道開(kāi)挖過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的三維問(wèn)題。如圖1 所示，隨著隧道工作面的推進(jìn)( 時(shí)刻a) ，圍巖產(chǎn)生塑性變形，由于受到工作面的空間約束作用，A A斷面圍巖變形很快趨于穩(wěn)定，在該位置進(jìn)行支護(hù)時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力很小甚至為0; 隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)( 時(shí)刻b) ，工作面對(duì)A A 斷面圍巖的約束效應(yīng)逐漸減小，而支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力逐漸增大，此時(shí)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形。當(dāng)工作面距離A A 斷面圍巖較遠(yuǎn)時(shí)(

3、時(shí)刻c) ，工作面對(duì)此不再具有約束限制，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖達(dá)到平衡。圖圖1隧道開(kāi)挖過(guò)程中的約束損失隧道開(kāi)挖過(guò)程中的約束損失試以隧道圍巖位移u為橫坐標(biāo)，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力Pi(是指一種等效于工作面約束力的虛擬支撐力)為縱坐標(biāo)，繪出表示二者關(guān)系的曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)稱(chēng)為圍巖特征曲線(xiàn)，如圖2 所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線(xiàn)是根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度K、最大承載力Pmax、最大變形量umax等參數(shù)確定，反應(yīng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，支護(hù)特征曲線(xiàn)的支護(hù)壓力可表示為:P = Ku ( 1)式中K 為支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，即支護(hù)特征曲線(xiàn)的斜率。當(dāng)uin u uel時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)為彈性階段; 當(dāng)uel u umax時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)處于屈服階

4、段，此時(shí)K = 0; 當(dāng)u umax時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)破壞。圖2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系曲線(xiàn)圖5 彈塑性模型圍巖縱剖面變形曲線(xiàn)圖5 為采用HoekBrown彈性模型計(jì)算得到的隧道圍巖縱剖面變形曲線(xiàn)，由圖可知，采用不同開(kāi)挖方法所獲得的縱剖面變形曲線(xiàn)并不相同，在距離工作面520 m 區(qū)域，幾種開(kāi)挖方法的位移量相差較大，而圍巖最終位移量都在50 m 附近趨于穩(wěn)定，各開(kāi)挖方式的最終位移量相差較小。模型及參數(shù)模型及參數(shù)圖3 計(jì)算模型表1 圍巖力學(xué)參數(shù)模型簡(jiǎn)介：本次建立的是一個(gè)簡(jiǎn)單仿圓形隧道斷面的三維平面模型，模型的總長(zhǎng)度為42米，總高度25米（以隧道圓心分隔上部13米，下部12米），厚度為1米。隧道開(kāi)挖半徑為3米,襯砌厚度為0.3米，模型為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),頂面處于地下100米處。圖4 圍巖初始豎向應(yīng)力云圖計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果圖5 無(wú)支護(hù)下的斷面豎向應(yīng)力云