・７８・ 全国中文核心期刊 路基工程 ２００８年第４期（总第１３９期） 堡镇隧道高地应力软岩地层施工力学行为分析 张浚厚 （中铁十四局集团公司 山东济南２５００１４） 摘要采用ＦＬＡＣ 岩土工程分析软件对堡镇隧道施工力学行为进行分析，通过监控量测取得 大量数据和信息，为该隧道的设计和施工提供了理论依据。 关键词 隧道 高地应力 顺层偏压软岩大变形 施工力学行为 １前言 堡镇隧道左线长１１ ５６５ Ｉｎ，右线长１１ ５９９ Ｉｎ，是 宜万铁路第二长隧、七大控制工程之一，也是全线唯 一的高地应力软岩长大隧道。隧道穿越岩性主要为灰 黑色粉砂质页岩、泥质页岩，多软弱泥质夹层带和白 云母夹层，强度极低。大部分页岩呈薄层状，层厚３ ～１０ ｃｍ，遇水膨胀；节理、层理发育、切割严重，岩 体完整性差，易发生滑坍、掉块现象。根据《工程岩 体分级标准》，研究区域属极高应力区。施工过程中 高地应力显现，洞内初期支护局部开裂、顺层坍塌、 节理发育、软岩变形等复杂地质现象均已出现…。其 隧道施工主要有两大特点：一是隧道穿越高地应力区 范围大，挤压大变形显著；二是软弱围岩顺层偏压地 层。在高地应力和顺层偏压的共同作用下，隧道发生 多次大变形，初期支护开裂，喷射混凝土发牛翘起、 空鼓现象，型钢钢架扭曲。拱顶沉降最大３４．５ ｃｍ， 收敛最大７０．２ ｃｍ，收敛值超过预留变形量，并侵入 二次衬砌。为此，开展堡镇隧道施工力学行为分析及 施工对策研究非常必要。 ２施工力学行为分析 采用岩土工程分析软件ＦＬＡＣ 进行数值模拟 。 ２．１岩体力学性质 现场取样对页岩进行不同围压（５ ＭＰａ、１０ ＭＰａ、 １５ ＭＰａ、２０ ＭＰａ和２５ ＭＰａ）条件下三轴压缩试验。 试验表明，镇堡隧道所处围压在较高地应力情况下易 发生较大变形。 ２．２计算模型及参数选取 ２．２．１计算模型 数值计算用ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ遍历节理模型，岩体剪切 屈服用非关联的流动法则，受拉屈服用关联的流动法 则，隧道开挖用ｎｕｌｌ模型实现 。 ２．２．２计算参数 围岩和节理参数见表１，初期支护钢拱架作用按 刚度等效法换算为混凝土弹性模量考虑，初期支护参 数见表２。 表１ 围岩和节理计算参数表 嗣岩参数 节理参数 ／（ｋＮ・ｍ。） Ｅ／ＭＰａ ／ｘ ｃ／ｋＰａ （。） ／（。） ｒ，ｔ／ｋＰａ ｃ／ｋＰａ ／（。） Ｃｊ／（。） ｒ，Ｊｔ／ｋＰａ ２１ ４×１０ ０．３５ ６００ ３０ ３０ ５ ５ ２００ ２Ｏ ２Ｏ ３ 表２初期支护计算参数表 类别小Ｎ０ ／ ／ ／ｆｍ ／ ：
围岩松动圈的理论
一、隧道围岩的松动圈的形成及物理状态
假设在地表下H深处有一个小岩石单元(图1)，在空间开挖前，这一单元处于三向应力完好稳定状态。当在其左侧开挖一空间后，水
图1 隧道围岩的物理状态
平应力H1解除，单元变成二向受力。这时这个单元的应力产生两个方面变化：一是由于三向应力变成二向应力状态，单元强度发生下降；二是由于应力的转移，所开挖的空间周边附近应力集中，使单元上受力增加。如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次问深部转移。单元破坏应力转移，其应力集中程度有所减弱，而径向应力有所增加，最后到单元n时，其单元上所受应力小于其三向应力极限强度，则单元只产生弹塑性变形而不发生破坏。这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。
这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。围绕开挖空间的这一破坏区域一般为环状；对于塑性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，但小于岩石强度，围岩处于塑性状态；再往外应力低于岩石的塑性屈服应力，围岩处于弹性状态，形成了一般所说的围岩中的四个区(图2)。对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力——应变曲线塑性段并不明显．即没有明显的塑性区。从外向隧道内，对应于岩石的全应力——应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。
图2 隧道围岩的典型物理力学状态
处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。而处于破裂状态的围岩，由于发生了碎胀破裂，其表面将丧失自承能力，如不进行支护将会产生失稳，所以，破裂区是支护的直接对象，是解决支护问题的关键所在。在现场，可用声波仪或多点位移计等仪器测试。
隧道围岩应力分布特征
一、引言
隧道是人类工程建设中不可或缺的一部分，其建设需要克服围岩的各种力学问题，其中最重要的是应力分布问题。隧道围岩应力分布特征对于隧道的稳定性和安全性具有至关重要的影响。
二、隧道围岩应力分布的原因
1. 自重应力：隧道开挖后，围岩会受到自身重量的作用，产生自重应力。
2. 地震作用：地震会对地下结构造成巨大冲击，导致围岩发生弹性变形，产生地震应力。
3. 周边土体压力：周边土体压力是指在开挖过程中未被开挖区域所受到的土体压力。这种压力会使得周边围岩产生水平和垂直方向上的应力。
4. 水压作用：在隧道施工过程中，可能会遇到地下水或井水。这些水体会对围岩产生水压作用，导致其变形并产生相应的应力。
三、隧道围岩应力分布特征
1. 应力集中区域：在开挖过程中，由于围岩的强度和刚度不同，会导致一些区域受到更大的应力。这些区域被称为应力集中区域。这些区域容易发生破裂和变形，对隧道的稳定性构成威胁。 2. 应力分布不均匀：隧道围岩应力分布通常是不均匀的。在某些地方会产生较大的应力，而在其他地方则较小。这种不均匀分布可能会导致隧道围岩产生裂缝和变形。
3. 围岩应力状态复杂：由于各种原因，隧道围岩的应力状态非常复杂。在某些地方可能存在多个方向上的应力，而在其他地方则只有单向应力。这种复杂性使得隧道工程设计更加困难。
四、影响隧道围岩应力分布特征的因素
1. 岩体物理特性：包括岩体强度、刚度、密度等。
2. 地质构造：包括断层、褶皱、节理等。
3. 施工方法：包括掘进方式、支护方式等。
4. 周边环境：包括水文地质条件、地震活动等。
五、隧道围岩应力分布特征的研究方法
1. 数值模拟方法：通过数学模型对隧道围岩应力分布进行计算和预测。
2. 原位测试方法：通过在实际施工过程中对围岩应力进行实时监测和记录，获得真实的应力数据。
3. 监测与反演方法：通过对隧道周边地面沉降、裂缝变化等指标进行监测和反演，推断围岩应力状态。
浅埋隧道穿越建筑物桩基的施工力学分析
【摘 要】随着科技的进步和经济的发展，我国城市隧道工程的数量不断的增多。而在开挖城市隧道工程时，会影响到隧道周边的地质结构，使得部分地区的土质发生受力变形。我国浅埋隧道建设大多离城市建筑物比较近，在施工过程中，难免会对建筑物的桩基造成影响。浅埋隧道会穿越过上部的桩基础，从而引发土体移动，让隧道顶桩出现位移和轴力影响，从而危及建筑物的安全稳固。本文就此对浅埋隧道穿越建筑物桩基的施工力学进行分析，通过实例来证明隧道开挖对桩基的影响程度，并深入的调查关键部分的受力特征和变形过程，从而为隧道施工提供科学合理的开挖、支护方法。
【关键词】浅埋隧道；穿越桩基；截桩施工；施工力学
我国国民经济水平的提高，促使我国城市地铁工程、隧道工程的数量不断增多。虽然地铁隧道工程给城市交通带来了便利，但是浅埋隧道的开挖也给周边环境带来了一些负面影响。在城市之中开挖浅埋隧道，会受到空间、线路的限制，从而造成浅埋隧道穿越建筑物的桩基。在这样的状况下，必须要解决好隧道穿越的截桩处理，维护好建筑物和所建设的隧道安全稳固。而如何才能将浅埋隧道影响周围环境的程度降到最低，需要深入研究施工力学的理论和行为。在穿越施工的过程中，隧道结构和上部建筑物的安全稳固，和隧道工程内的支护体系、围岩体系有一定的联系。如果围岩和支护体系受到了破坏，比如出现了水平收敛、拱顶下沉等现象，那么就会危及整体机构的安全。因此，在浅埋隧道的过程中，需确定科学合理的开挖和支护体系。
1 工程概况
某隧道最终断面是3.0m×3.2m，纵坡i=0.30%，全程分为三段，隧道d2k180+ 110—d2k200+ 116段属于浅埋地段，地表内分布着夹碎石层和粉质粘土。隧道出口地区土质为残积砂粘土和回填松土，约为5.7—8.9m厚度，隧道下层是砂岩、页岩组成的风化层，风化程度比较严重。隧道周边土质结构不够稳定，有较差的整体性，围岩容易出现变形和坍塌。其中，隧道需要开挖的范围属于砂岩、风化泥岩和页岩层，开挖的形式选择松动爆破。隧道出口位于d2k196+830—d2k196+860中间，隧道穿过了某楼房的桩基，穿过有35m长度。隧道开挖的设计为v级的衬砌整体，开挖隧道为10m的高度、8m的宽度。
