洞室不利结构面组合块体的确定与稳定性分析。......
2023-08-24
围岩稳定性分析：不同含水状态的研究成果
【摘要】：相同含水状态，施作二衬后，随流变时间的增加围岩变形基本不变。初期支护封闭后，分别计算10 d、30 d时，自然状态和饱和状态的围岩变形趋于稳定。图4.27饱和状态不同时间的围岩变形监测曲线通过对比两种含水状态各测点位移，可知自然含水状态下的围岩位移均明显大于干燥状态。图4.29饱和状态的不同开挖步应力云图塑性区图4.30是不同含水状态下，隧道开挖过程中洞周围岩塑性屈服发展的演化过程。
(1)位移场分布
图4.21是自然状态与饱和含水状态上台阶环形导坑开挖、中台阶开挖、下台阶开挖的水平与竖向位移云图。可见，上台阶开挖后围岩变形总体不大，洞周围岩位移矢量方向指向隧道临空方向。左右侧为水平收敛，拱部竖直向下，底部竖直向上，上台阶核心土由于开挖卸荷、挤压作用而位移指向临空面。
自然状态和饱和含水状态下，含水率越高，洞周围岩变形量越大。自然状态下，上台阶开挖4 m，水平位移最大为0.99 cm;饱和含水状态下，水平最大位移为1.19 cm，均出现在拱脚处，竖向位移拱顶最大，分别为1.14 cm、1.74 cm。中台阶开挖，在两种不同含水状态下，拱顶竖向位移最大值分别为2.89 cm、4.79 cm，水平位移中台阶拱脚最大，分别为4.98 cm和7.44 cm。下台阶开挖后，初期支护封闭前，拱顶竖向位移最大分别为5.96 cm、10.24 cm，水平位移下台阶拱脚最大，分别为11.05 cm和18.61 cm。
图4.22为上台阶开挖后10 d位移云图。可见，上台阶开挖后10 d自然状态下，拱脚位移增大到2.94 cm，饱和状态增加到5.83 cm，拱顶位移分别为1.47 cm和3.45 cm。图4.23中台阶开挖后10 d，自然状态最大水平位移和竖向位移分别为7.79 cm和4.67 cm，饱和状态最大水平位移和竖向位移分别为14.12 cm和8.85 cm。图4.24下台阶开挖后10 d，自然状态最大水平位移和竖向位移分别为13.46 cm和6.81 cm，饱和状态最大水平位移和竖向位移分别为24.18 cm和12.88 cm。通过以上比较分析可知，相同时间下，含水量越高，围岩变形速率越快，变形量也越大。
图4.21 不同含水状态分步开挖位移云图
图4.22 上台阶开挖后10 d位移云图
图4.23 中台阶开挖后10 d位移云图
图4.24 下台阶开挖后10 d位移云图
图4.25是开挖支护1个循环后，掌子面暂停掘进，蠕变计算10 d、30 d后的位移云图。
图4.25 开挖支护一循环后10 d、30 d的位移云图
研究不同工程状态下位移随时间的变化，分别选取Y=5 m、Y=23 m、Y=37 m断面。其中，Y=5 m断面已浇筑二衬，Y=23 m断面初期支护封闭未施作二衬，Y=37 m断面上中下台阶已开挖，初期支护未封闭。
由图4.26和图4.27可知，Y=5 m的断面在二衬施作前，饱和状态下各监测点位移均明显大于自然状态。二衬施作后，两种含水状态下的围岩变形都得到有效控制，位移基本不变。相同含水状态，施作二衬后，随流变时间的增加围岩变形基本不变。这说明，适时施作二衬可有效控制围岩变形。
图4.26 自然状态不同时间的围岩变形监测曲线
Y=23 m的断面处于初期支护二衬未施作的工程状态下，对比两种含水状态在初支封闭前，变形以较高的速率持续发展，且饱和状态的变形速率与变形量要明显大于自然状态。初期支护封闭后，分别计算10 d、30 d时，自然状态和饱和状态的围岩变形趋于稳定。
Y=37 m的断面处于下台阶开挖后，初期支护未封闭的工程状态下，计算10 d，围岩变形随时间的增加逐渐增大，饱和状态下变形量约为自然状态的变形量的10倍，变形速率也远高于自然状态。计算30 d时，两种含水状态的围岩均出现加速变形，饱和状态的围岩出现加速变形要早于自然状态。
图4.27 饱和状态不同时间的围岩变形监测曲线
通过对比两种含水状态各测点位移，可知自然含水状态下的围岩位移均明显大于干燥状态。对于炭质板岩，随着含水量增加，围岩蠕变过程中损伤效应将加剧围岩的整体变形，降低了围岩的整体稳定性，若不及时封闭初期支护、施作二衬，随着变形的继续发展将导致围岩大变形，造成初支破坏、洞室塌方。
(2)应力
图4.28为自然状态不同工序围岩应力云图。由图可见，自然状态上台阶开挖，洞周围岩最大主应力为10.8 MPa，上台阶核心土局部出现拉应力，最大为0.14 MPa。洞周围岩最小主应力为21.2 MPa，出现在开挖面前方，上台阶拱腰处应力也比较大，约为17.5 MPa。自然状态中台阶开挖，洞周围岩最大主应力为9.8 MPa，上台阶核心土局部出现拉应力，最大为1.06 MPa，中台阶底部将要出现拉应力。洞周围岩最小主应力为16.8 MPa，出现在开挖面前方，上台阶拱腰处应力为12 MPa。自然状态下台阶开挖，洞周围岩最大主应力为9.47 MPa，上台阶核心土、中下台底部局部出现拉应力，最大为0.35 MPa。洞周围岩最小主应力为16.34 MPa，出现在开挖面前方，上台阶拱腰处应力为12 MPa。
图4.28 自然状态的不同开挖步应力云图
图4.29是饱和状态的不同开挖工序围岩应力云图。由图可见，饱和状态上台阶开挖，洞周围岩最大主应力为10.8 MPa，上台阶核心土局部出现拉应力，最大为0.18 MPa，洞周围岩最小主应力为21.15 MPa，出现在开挖面前方，上台阶拱腰处应力也比较大，约为17.5 MPa。饱和状态中台阶开挖，洞周围岩最大主应力为9.8 MPa，上台阶核心土局部出现拉应力，最大为1.06 MPa，中台阶底部将要出现拉应力。洞周围岩最小主应力为17.05 MPa，出现在开挖面前方，上台阶拱腰处为12 MPa。饱和状态下台阶开挖，洞周围岩最大主应力为9.63 MPa，上台阶核心土、中下台底部局部出现拉应力，最大为0.26 MPa。洞周围岩最小主应力为16.24 MPa，出现在开挖面前方，上台阶拱腰处应力为12 MPa。
图4.29 饱和状态的不同开挖步应力云图
(3)塑性区
图4.30是不同含水状态下，隧道开挖过程中洞周围岩塑性屈服发展的演化过程。可见，在开挖面到达前，挖岩体和洞周一定范围内，围岩均已超过岩体剪切屈服强度而进入塑性状态。从图中可以看出，饱和含水状态，围岩塑性区范围明显大于自然状态，在隧道的拱顶、底板以及边墙部位都产生了拉剪破坏，其他部位则发生了大面积的剪切破坏。
图4.30 自然和饱和含水状态的不同开挖步塑性区
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