基于断裂力学原理的隧道水平状围岩变形破坏分析

时间:2022-07-22 04:55:03

基于断裂力学原理的隧道水平状围岩变形破坏分析

摘要:以城万快速路的某隧道为例,针对该近水平岩层隧道开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象,从断裂力学的角度对这一破坏过程进行分析,得出岩层断裂的机理,为水平或近水平岩层隧道的开挖和支护方法提供了理论依据。

关键词:隧道;水平岩层;断裂力学;隧道开挖与支护

中图分类号:U45 文献标识码:A 文章编号:

水平状岩层通常层间结合较差,构造裂隙发育,隧道开挖过程中拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳,极易出现超欠挖、拱顶坍塌等现象。本文以四川石塘隧道工程为例,从断裂力学原理角度分析水平岩层隧道开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象. 为水平或近水平岩层隧道的开挖和支护方法提供了理论依据。

1 工程概况

石塘隧道位于四川省万源市旧院镇和石塘乡,为重庆至万源城际二级公路K60+785~K63+515段,长2730m,属长隧道。隧道最大埋深365.15m。隧道设计速度为60km/h,隧道建筑限界净宽10.50m,建筑限界高度为5.00m。

隧道地质概况:隧道岩层以水平岩层为主,洞身段岩层产状:40°~53°∠7°~11°,岩性为砂岩、泥质粉砂岩夹薄煤层,构造裂隙发育,裂隙倾角大,多为陡倾裂隙,节理面较平直,呈微张~张开状,宽1~50mm不等,裂面附褐色铁质膜,多泥质填充;节理密度1~3条/m,最大延伸可达3m以上,偶见贯通性微张节理,为块碎石状镶嵌结构。隧道进出口段约150m为Ⅴ级围岩,洞身段为Ⅳ级围岩。从隧道进洞前边坡段岩石情况可见,岩层呈水平状,砂岩相对较硬,而泥岩、页岩岩质相对较软,岩体软硬相夹,且分布有多条竖向节理。

2隧道水平状围岩变形破坏分析

2.1 围岩变形破坏分析

石塘隧道围岩以水平岩层为主,水平层理作为一个重要的结构面,层理间夹有泥层和薄煤层,层间结合力大大降低,同时由于构造裂隙和开挖临空面的切割,极易形成不稳定的块体,对隧道的开挖质量和支护安全造成很大的危害。

隧道开挖前,围岩一般处于三轴受力平衡的应力状态,由于隧道埋深的影响,地层存在较高的应力,结构面一般紧密闭合,隧道开挖后,随着应力的重新分布,隧道周围的岩体将向隧道临空面运动,由于水平岩层特殊的水平层理构造,其隧道围岩变形主要由顶部、拱部围岩压力所致,围岩体将会被挤出,从而向隧道临空面产生位移,出现鼓胀、破裂、折断而脱落,如图1。对于这种破坏形式我们可以从断裂力学的角度出发,利用应力强度因子理论分析水平岩层开挖过程中出现的鼓胀、破裂、折断而脱落的机理。根据水平岩层受力特点,其开裂大多属于图2的Ⅰ型张开断裂,水平隧道顶部围岩在上部围岩的压力作用下,主要承受轴力和弯矩,当力较大时就可能形成垂直于主拉应力方向的裂缝。由于水平围岩本身存在原始裂纹,导致其内部微小局部区域内出现一些裂缝,这些裂缝在较小外力的作用下保持稳定,当外力增大时,裂缝就开始增大、延伸,发展成为一个连续的裂缝体系,即在水平围岩上出现长度较长的裂缝,顶部围岩出现裂损、轻微掉块,如果外力继续加大,裂缝将继续延伸,裂缝体系变的不稳定,极易发生顶部围岩开裂、掉块,严重甚至导致坍塌等事故。研究表明,隧道围岩裂纹扩展与否,与裂纹的应力强度因子有着直接的关系,一旦围岩出现裂纹,则裂纹尖端会出现巨大的应力集中。裂纹的扩展受裂纹尖端应力因子控制,当应力强度因子一超过其临界值,裂纹就会扩展,从而导致围岩断裂、坍塌。

图1 水平岩层受力破坏图2Ⅰ型张开断裂

2.2 裂纹应力强度因子的求解

2.2.1具有中心裂纹的无限宽板均匀拉伸

对于如图3所示,长度为2a的单边裂纹受单向均匀拉伸的无限长板条,用Muskhelishvi应力函数求解I型裂纹端部区域的应力分量表达式为:

式中,KI是应力强度因子,它是决定裂纹是否扩展的控制量。

2.2.2 具有单边裂纹的有限宽板均匀拉伸

对于图4所示,板宽为w,裂纹长为a。均布拉应力为 的单边裂纹有限宽板,用边界配位法计算所得的裂纹端部应力强度因子表达式为:

当很小时,及其高次幂与1.99相比均可略去,于是(3)也可以近似写成表达式为:

一般来说,围岩原始裂纹的尺寸远远小于整个隧道围岩结构,所以裂纹对围岩结构的影响可以忽略不计。但是,从断裂力学的观点看,裂纹一经形成,裂纹尖端就具有巨大的应力,这种应力将导致裂纹向前不断扩展,直至穿透围岩,从而导致围岩的断裂破坏,甚至坍塌。

图 3中心裂纹的无限宽板均匀拉伸 图4 单边裂纹的有限宽板均匀拉伸

3 结语

通过现场调查研究,从断裂力学的原理角度分析,石塘隧道水平岩层开挖过程中出现的超欠挖、拱顶坍塌等现象与围岩的应力强度因子有着必然的联系。因此,在施工过程中须采取相应的有效措施,减少围岩的应力强度因子,以便防治隧道拱顶坍塌事故的发生。

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