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考虑时空效应的岩溶隧道围岩稳定性分析

王楷翔 王晓涛 宫亮 黄丹

王楷翔,王晓涛,宫 亮,等. 考虑时空效应的岩溶隧道围岩稳定性分析[J]. 中国岩溶,2024,43(3):717-726 doi: 10.11932/karst20240311
引用本文: 王楷翔,王晓涛,宫 亮,等. 考虑时空效应的岩溶隧道围岩稳定性分析[J]. 中国岩溶,2024,43(3):717-726 doi: 10.11932/karst20240311
WANG Kaixiang, WANG Xiaotao, GONG Liang, HUANG Dan. Stability analysis of karst tunnel surrounding rock considering spatiotemporal effects[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(3): 717-726. doi: 10.11932/karst20240311
Citation: WANG Kaixiang, WANG Xiaotao, GONG Liang, HUANG Dan. Stability analysis of karst tunnel surrounding rock considering spatiotemporal effects[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(3): 717-726. doi: 10.11932/karst20240311

考虑时空效应的岩溶隧道围岩稳定性分析

doi: 10.11932/karst20240311
基金项目: 湖北省教育厅科学研究计划青年项目(Q20221104)
详细信息
    作者简介:

    王楷翔(1992-),男,工程师,主要从事隧道方面工作或研究。E-mail:2392685782@qq.com

    通讯作者:

    黄丹(1986-),女,博士,讲师,主要从事岩石力学与隧道工程方面工作或研究。E-mail:huangdan@wust.edu.cn

  • 中图分类号: U451.2

Stability analysis of karst tunnel surrounding rock considering spatiotemporal effects

  • 摘要: 采用全息三维激光扫描仪精确探查溶洞并获取三维点云数据,快速获取溶洞的几何特征和空间分布等基础数据,基于溶洞分布特征与隧道相对位置提出4种隧道岩溶处置措施。综合考虑施工工艺与工程经济效益,采用C20混凝土回填方案进行溶洞处治。利用MIDAS/GTS-NX对毛家坡隧道岩溶段的溶洞处治及处治后隧道的开挖–支护进行数值模拟,以高精度三维激光扫描探测到的溶洞形态、位置及大小为基础建立空溶洞模型,溶洞处治完成后进行隧道开挖–支护模拟。通过收敛–约束法获取岩溶隧洞开挖推进过程中围岩的纵向变形规律,对岩溶段隧道开挖前后的围岩应力与破坏特征进行研究,分析岩溶段与非岩溶段的围岩支护稳定性。研究结果表明:对比隧道非岩溶段和岩溶段的拱顶沉降与周边收敛,处治后岩溶段的拱顶沉降与水平周边收敛减小,岩溶段的处理措施合理。对比岩溶隧道不同进尺下的围岩纵向变形,开挖进尺与支护结构力负相关。选择合理的开挖进尺,既能保证围岩变形满足规范要求,又能使得支护刚度得到合理运用。

     

  • 图  1  收敛—约束法示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of convergence-confinement method

    图  2  三维激光扫描实地探测图

    Figure  2.  Field detection of 3D laser scanning

    图  3  三维激光扫描点云图

    Figure  3.  Point cloud image of 3D laser scanning

    图  4  全息三维扫描探明的溶洞布置图

    Figure  4.  Layout of karst caves detected by holographic 3D scanning

    图  5  DK53+794~DK53+805处溶洞处理横断图

    Figure  5.  Section of karst cave treatment at DK53+794–DK53+805

    图  6  模型网格划分示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of model grid division

    图  7  模型网格组分布图

    Figure  7.  Distribution of model grid group

    图  8  断面测点侧线

    Figure  8.  Side line of section measuring point

    图  9  不同进尺开挖拱顶下沉及水平收敛曲线图

    Figure  9.  Curve diagram of vault subsidence and horizontal convergence at different footage of excavation

    图  10  第六时步岩溶段拱顶应力分布

    Figure  10.  Distribution of vault stress in karst section of the sixth time step

    图  11  岩溶段塑性区域云图

    Figure  11.  Cloud map of plastic area at karst section

    图  12  不同开挖阶段的围岩竖直位移云图

    Figure  12.  Vertical displacement cloud map of surrounding rock at different excavation stages

    图  13  断面DK53+794实测拱顶下沉图

    Figure  13.  Measured vault subsidence of Section DK53+794

    表  1  不同类型溶洞处理措施

    Table  1.   Treatment measures for different types of karst caves

    项目(岩溶类型)技术方案
    洞穴型、管道型岩溶回填
    充填型岩溶注浆加固+大管棚方案
    过水型岩溶引排方案
    大型干溶洞托梁+板跨护顶方案;
    型钢混凝土+板跨方案;
    钢管群桩方案;
    护墙+桩基+承台方案;
    路基填筑方案;
    梁跨方案;
    拱跨+护罩方案
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    表  2  不同位置溶洞隧道加固方法

    Table  2.   Reinforcement methods for karst cave tunnels at different positions

    溶洞位置加固方法
    位于隧道顶部回填、护拱、喷锚网防护、
    立柱支顶、拱罩防护
    位于隧道底部回填、注浆、板(梁)跨越、
    拱桥跨越、桩基承台
    位于隧道侧面护墙防护以及支顶
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    表  3  回填方案对比

    Table  3.   Comparison of backfill schemes

    序号 方案名称 可实施性
    /d
    投资费用
    /万元
    1 桥跨方案 \ \
    2 C20混凝土回填 10 约249
    3 C20片石混凝土回填 24 约222
    4 洞砟回填 35 约53
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    表  4  支护参数表

    Table  4.   Support parameters

    类别非岩溶断面岩溶断面
    围岩等级bb
    C25喷射混凝土厚度/cm723
    钢筋网拱墙间距/cm20×2025×25
    钢拱架每榀间距/m\0.75
    锚杆(环×纵)间距/m1.2×1.51.0×1.0
    长度/m23
    二衬C30混凝土厚度/cm3040
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    表  5  地层和隧道支护体的力学参数

    Table  5.   Mechanical parameters of strata and tunnel support

    材料
    类型
    弹性模量
    E/GPa
    泊松比ν 容重
    γ/KN·m−3
    粘聚力
    c/MPa
    内摩擦
    角Φ/°
    灰岩 1.5 0.4 20 0.08 23
    初期支护 21 0.2 22 \ \
    二次衬砌 30 0.2 24 \ \
    锚杆 210 0.3 78 \ \
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    表  6  不同进尺开挖掌子面变形数据

    Table  6.   Data on deformation of the tunnel face at different footage of excavation

    隧道开挖进尺拱顶沉降/mm水平收敛/mm
    1 m 进尺5.824.13
    2 m进尺7.635.04
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-23
  • 录用日期:  2023-12-15
  • 修回日期:  2023-10-25
  • 网络出版日期:  2024-08-15
  • 刊出日期:  2024-06-25

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