• ISSN 0258-2724
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主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究

代聪 何川 夏舞阳 李世琦

代聪, 何川, 夏舞阳, 李世琦. 主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(2): 303-311. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.02.012
引用本文: 代聪, 何川, 夏舞阳, 李世琦. 主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(2): 303-311. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.02.012
DAI Cong, HE Chuan, XIA Wuyang, LI Shiqi. Test on the Stability of Soft Rock Tunnel with High Ground Stress Field Influenced by Direction of Maximum Horizontal Principle Stress[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(2): 303-311. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.02.012
Citation: DAI Cong, HE Chuan, XIA Wuyang, LI Shiqi. Test on the Stability of Soft Rock Tunnel with High Ground Stress Field Influenced by Direction of Maximum Horizontal Principle Stress[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(2): 303-311. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.02.012

主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.02.012
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0802202

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0802201

详细信息
    作者简介:

    代聪(1988-), 男, 博士研究生, 研究方向为交通隧道设计理论与施工, E-mail:dc_526@163.com

    通讯作者:

    何川(1964-), 男, 教授, 博士, 博士生导师, 研究方向为隧道与地下工程, E-mail:chuanhe21@163.com

  • 中图分类号: U451.5

Test on the Stability of Soft Rock Tunnel with High Ground Stress Field Influenced by Direction of Maximum Horizontal Principle Stress

  • 摘要: 为探明高地应力场主应力方向对软岩隧道围岩稳定性的影响规律,采用自主研发的"隧道三维应力场模拟试验系统"开展了大型三维地质力学模型试验,研究了最大水平主应力与隧道轴线平行和垂直两种工况下软岩隧道的围岩稳定性.研究结果表明:最大水平主应力与隧道轴线平行时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.221 m和-0.454 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.478、0.361、0.416 MPa和0.261 MPa;最大水平主应力与隧道轴线垂直时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.309 m和-0.548 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.579、0.652、0.593 MPa和0.327 MPa;两种工况下,围岩压力的最小值均出现在仰拱处、最大值均出现在墙脚处,围岩的径向应变增量均为拉应变增量,切向应变增量均为压应变增量,说明隧道开挖导致洞周围岩径向应力减小、切向应力集中.

     

  • 图 1  蓝家岩隧道纵断面

    Figure 1.  Longitudinal profile of Lanjiayan tunnel

    图 2  蓝家岩隧道纵断面

    Figure 2.  Regional tectonic map of Lanjiayan tunnel

    图 3  隧道断面布置图

    Figure 3.  Tunnel sectional layout design

    图 4  隧道三维应力场模拟试验系统

    Figure 4.  3D geotechnical model test system for tunnels

    图 5  围岩相似材料配比试验

    Figure 5.  Mechanical parameters test of similar materials

    图 6  初衬相似材料配比试验

    Figure 6.  Mechanical parameters test of similar materials

    图 7  模型监测断面布置

    Figure 7.  Model monitoring section layout

    图 8  洞周位移测点布置

    Figure 8.  Test point arrangement of convergence displacement

    图 9  围岩压力测点布置

    Figure 9.  Test point arrangement of surrounding rock pressure

    图 10  应变砖

    Figure 10.  Strain brick sensor

    图 11  围岩应变测点布置

    Figure 11.  Test point arrangement of surrounding rock strain

    图 12  隧道模型制作过程

    Figure 12.  Making process of tunnel model

    图 13  液压千斤顶加载图片

    Figure 13.  Hydraulic jack loading photos

    图 14  隧道开挖示意

    Figure 14.  Schematic diagram of the tunnel excavation

    图 15  隧道模型开挖

    Figure 15.  Tunnel model excavation

    图 16  位移及应变量测系统

    Figure 16.  Displacement and strain measurement system

    图 17  拱顶沉降随开挖步的变化曲线

    Figure 17.  Vault displacement curves with excavation step

    图 18  拱脚收敛随开挖步的变化曲线

    Figure 18.  Convergence curve of arch foot with excavation step

    图 19  初期支护与围岩之间的径向接触压力(单位:MPa)

    Figure 19.  Radial contact pressure between the primary support and surrounding rock (unit: MPa)

    图 20  开挖引起的洞周围岩应变增量

    Figure 20.  Strain increment of surrounding rock caused by tunnel excavation

    表  1  初始地应力场模拟方案

    Table  1.   Simulation of in-situ stress field

    MPa
    工况 地应力
    竖向 与轴线垂直水平方向 与轴线平行水平方向
    1 16.4 13.26 22.05
    2 16.4 22.05 13.26
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    表  2  原型和模型材料的力学参数

    Table  2.   Mechanical parameters of prototype and model materials

    材料
    类型
    容重/
    (kN·m-3)
    弹性
    模量/GPa
    黏聚力/
    MPa
    内摩擦
    角/(°)
    泊松
    原型 20 2.000 0.125 0 29 0.4
    模型 20 0.057 0.003 6 29 0.4
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    表  3  围岩相似材料的配比(质量比)

    Table  3.   Mixture ratio of similar material for rock(mass ratio)

    重晶石粉 粉煤灰 河砂 石英砂 凡士林 松香 机油
    1.000 3.878 0.666 0.686 0.020 0.062 0.812
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    表  4  液压千斤顶的设计出力

    Table  4.   Design output of hydraulic jack

    MPa
    工况 前后面千斤顶 左右面千斤顶 上下面千斤顶
    1 7.3 7.5 7.0
    2 4.4 12.4 7.0
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  • 收稿日期:  2017-08-08
  • 刊出日期:  2018-04-25

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