考虑空间效应的隧道开挖模拟与分析文献综述

 2023-10-31 10:10

文献综述

本课题的现状及发展趋势:

隧道工程属于处于复杂条件下的地下工程,在开挖过程中,隧道围岩的变形并不是瞬间就完成的,即使施作支护以后,其变形也不是立即就停止,而是随着时间的推移逐渐减小,慢慢趋于稳定。同时,随着开挖面的推进,隧道围岩应力逐步释放,导致围岩的变形又具有空间效应。

目前,针对时空效应的理论推导较少,主要采用结合现场监控量测、模型试验和数值计算的方法来确定时空效应。在国内,中科院孙元春教授结合中梁山隧道D-5H量测剖面的实测数据,对围岩变形的空间效应和时间效应进行了分析,认为空间效应主要依靠围岩自身和初始衬砌克服围岩破坏,破坏主要集中发生在急剧变形阶段,时间效应主要考虑的是围岩的蠕变,即发生在流变段;吴波等人基于弹—粘塑性模型,使用所研制的三维有限元程序,对某浅埋城市隧道工程在开挖过程中地表和围岩变形以及围岩稳定性的时空效应进行了分析和探讨,等、在国外,GSwoboda和A.Abu-krishalo用三维有限元模拟了TBM推进过程中的地层受力和变形情况;F I. Shalabi对盾构隧道进行了两种不同黏弹性模型的三维有限元模拟,分析了开挖面空间约束效应;L.Xu和H.W. Huang通过对云南沉江隧道的实测数据分析认为隧道掘进、岩石蠕变和混凝土衬砌模量与时间的关系这三方面因素对初衬和二衬衬砌接触应力的影响很大,等。概括来说,以往的大多数关于隧道施工空间效应的研究主要集中于部分研究,即只是给出了位移、应力时间历程,或给出了开挖面空间影响范围等,并没有指出相应的最安全经济的施工方案,不能很好地指导和服务工程实践。

目前在隧道工程开挖中以围岩与支护结构相互作用的研究较多,研究方法也相近,都是从弹性或弹塑性的角度出发考虑了隧道施工过程的力学性态。即当开挖面向前推进时,岩体本身固有的流变时效也逐渐发展,尤其是对软弱破碎围岩,开挖面空间效应消失之后,隧道边界因开挖引起的围岩荷载完全释放,致使围岩进入勃塑性屈服状态,围岩变形速率持续增长,若不及时支护,最终将导致围岩整体破坏和失稳。充分利用开挖面的虚拟支撑作用,并适时地构筑支护结构,成为人们关注的焦点。

本课题研究的意义和价值:

随着我国经济的发展和城市人口的激增,地面交通愈来愈不堪重负,为了缓解地面交通负荷,人们开始寻找新的交通模式,地铁隧道应运而生。地下空间开发利用的规模将逐步扩大,地下商场、地下综合交通枢纽、地下铁道等将在全国各地全面展开,地下空间开发将迎来高峰期。在地下工程发展的同时,许多工程问题不断出现,而地下工程开挖面的时空效应问题就是这诸多问题之一。

地下工程开挖是一个在空间上动态变化的过程。由于开挖面的向前掘进,围岩所受约束条件不断变化,其变形和受力也将随之变化。当开挖面行进至某一断面时停止作业,受到一定扰动的该断面前(未开挖)、后(已开挖)岩体变形速率减小直至为零,这意味着该断面对周围岩体(横向、纵向)起到了某种支撑作用,这种虚拟的支撑作用发生于距开挖面1.5~2倍洞跨范围内,其影响了围岩的变形,这种支撑作用即是隧道开挖面的空间效应。

在岩土体中开挖隧道,伴随着开挖面向前推进,荷载与约束实质上是一个空间和时间上动态变化的过程,这势必对围岩产生影响。因此,可以说围岩的稳定不仅与最终状态有关,而且与过程有关。在这个过程中,围岩位移不断调整,尤其是围岩较好的硬质隧道,隧道掘进时,开挖面空间效应更加显著。而对于小净距隧道,两个工作面之间在空间上产生的叠加效应,使位移分布形式更加多样,这不仅与施工的工序相关,而且与净距的大小密切相关。

对开挖面空间效应进行研究的科技工作者很多,目前多采用粘弹性模型或粘弹塑性模型结合空间效应的流变属性进行分析,小净距隧道多将监控测量与数值模拟结合起来进行分析。因此,在隧道开挖过程中,如何尽可能地减少对岩体初始状态的扰动使围岩处于相对稳定状态,是非常复杂的问题,有必要对开挖面空间效应展开特别研究,这对围岩稳定及对隧道的顺利施工起着至关重要的作用,并能进行有针对性的设计和施工。

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