隧道压力拱边界统一判定方法及其空间演化特征*

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.08.1638

中国安全科学学报 ›› 2022, Vol. 32 ›› Issue (8): 84-90.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.08.1638

隧道压力拱边界统一判定方法及其空间演化特征*

安永林¹(), 李佳豪¹, 刘文娟², 周进¹, 谭格宇¹

¹ 湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭 411201
² 湖南科技大学材料科学与工程学院,湖南湘潭 411201

收稿日期:2022-02-21 修回日期:2022-05-14 出版日期:2022-09-05 发布日期:2023-02-28
作者简介:
安永林 (1981—),男,安徽寿县人,博士,副教授,主要从事隧道与地下工程施工安全风险评价与稳定分析方面的研究。E-mail: aylcsu@163.com。
基金资助:
湖南省自然科学基金资助(2021JJ30248); 湖南省自然科学基金资助(2019JJ50191); 湖南省教育厅科研项目(20A187); 湖南省教育厅科研项目(17C0623)

Unified boundary determination method of pressure arch in tunnels and its spatial evolution characteristics

AN Yonglin¹(), LI Jiahao¹, LIU Wenjuan², ZHOU Jin¹, TAN Geyu¹

¹ School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 411201, China
² School of Material Science and Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 411201, China

Received:2022-02-21 Revised:2022-05-14 Online:2022-09-05 Published:2023-02-28

摘要/Abstract

摘要：

为分析隧道开挖后围岩的稳定性,首先,对比不同方法,确定压力拱内边界、外边界的异同,建立压力拱边界的统一判定方法;然后,分析不同开挖方法对压力拱的影响;最后,提出隧道三维压力拱边界判定方法,揭示三维压力拱不同开挖步下演化特性与空间形态。结果表明:压力拱随着开挖步推进而逐渐扩大;采用中隔墙(CD)法开挖压力拱最小;由于工作面的空间约束作用,三维压力拱较二维的小,压力拱形态由小喇叭状逐渐变化,高度与宽度逐渐增大。在实际施工中,可采用分部开挖方法进行过程控制,并利用掌子面的空间约束作用,保证隧道施工安全。

关键词: 隧道, 压力拱, 边界判定方法, 空间演化特征, 施工安全

Abstract:

In order to analyse stability of surrounding rock after tunnel excavation, firstly, differences and similarities of inner and outer boundaries of pressure arch under different methods were investigated, and a unified method to determine arch boundaries was defined. Then, influence of different excavation methods on pressure arch was compared. Finally, a method to determine boundaries of three-dimensional pressure arch of the tunnel was proposed and evolution characteristics and shape of the arch were obtained under different excavation steps. The result shows as excavation step progresses, pressure arch gradually expands, which will be the smallest for Center Diaphragm(CD) method. The three-dimensional pressure arch range is smaller than that of two-dimensional one, and its shape gradually changes from a small trumpet due to spatial constraints of the tunnel face, while its height and width also gradually increase. During tunnel construction, segment process control can be achieved by adopting subsection excavation method, and space constraint of the tunnel face can be utilized to ensure safe construction.

Key words: tunnel, pressure arch, boundary determination method, spatial evolution characteristics, construction safety

安永林, 李佳豪, 刘文娟, 周进, 谭格宇. 隧道压力拱边界统一判定方法及其空间演化特征*[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(8): 84-90.

AN Yonglin, LI Jiahao, LIU Wenjuan, ZHOU Jin, TAN Geyu. Unified boundary determination method of pressure arch in tunnels and its spatial evolution characteristics[J]. China Safety Science Journal, 2022, 32(8): 84-90.

图/表 13

图1

表1

图2

表2

图3

图4

图5

图6

表3

图7

图8

图9

图10

参考文献 15

[1]	孙闯, 贾宝新, 张涛. 大跨径公路交叉隧道施工安全性研究[J]. 中国安全科学学报, 2015, 25(12):111-115.
	SUN Chuang, JIA Baoxin, ZHANG Tao. Research on surrounding rock stability of large span and small space highway crossing tunnel[J]. China Safety Science Journal, 2015, 25(12):111-115.
[2]	魏强, 刘加奇, 王景春, 等. 基于理想模糊物元的隧道施工安全韧性评估[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(8): 62-68. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2021.08.009
	WEI Qiang, LIU Jiaqi, WANG Jingchun, et al. Evaluation of safety resilience in tunnel construction based on ideal fuzzy matterelement[J]. China Safety Science Journal, 2021, 31(8): 62-68. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2021.08.009
[3]	戴世伟, 刘鑫鑫, 万飞. 软岩隧道大变形事故致灾因素耦合分析[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(8): 119-124. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2021.08.017
	DAI Shiwei, LIU Xinxin, WAN Fei. Coupling analysis on disaster-inducing factors for large deformation accidents in soft rocktunnels[J]. China Safety Science Journal, 2021, 31(8): 119-124. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2021.08.017
[4]	喻波, 王呼佳. 压力拱理论及隧道埋深划分方法研究[M]. 北京: 中国铁道学出版社, 2008:1-5.
[5]	郑康成, 丁文其, 金威, 等. 特大断面隧道分步施工动态压力拱分析研究[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(增1):72-77.
	ZHENG Kangcheng, DING Wenqi, JIN Wei, et al. Experimental and numerical study on staged construction pressure arch of super large section tunnel[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37 (S1): 72-77.
[6]	梁晓丹, 刘刚, 赵坚. 地下工程压力拱拱体的确定与成拱分析[J]. 河海大学学报:自然科学版, 2005, 33(3):314-317.
	LIANG Xiaodan, LIU Gang, ZHAO Jian. Definition and analysis of arching action in underground rock engineering[J]. Journal of Hohai University:Natural Science, 2005, 33 (3): 314-317.
[7]	宋玉香, 张亚辉, 刘勇. 基于压力拱理论的围岩压力计算研究[J]. 防灾减灾学报, 2017, 33(3):21-27.
	SONG Yuxiang, ZHANG Yahui, LIU Yong. Calculation of the surrounding rock pressure based on pressure arch theory[J]. Journal of Disaster Prevention and Reduction, 2017, 33 (3): 21-27.
[8]	李奎. 水平层状隧道围岩压力拱理论研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2010.
	LI Kui. Pressure arch theory study ofhorizontal bedded tunnel surrounding rock.[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2010.
[9]	郑颖人, 王永普. 隧道围岩压力理论进展与破坏机制研究[J]. 隧道建设, 2013, 33(6):423-430.
	ZHENG Yingren, WANG Yongpu. Evolution of rock mass pressure theory and researches on tunnel failure mechanism[J]. Tunnel Construction, 2013, 33 (6):423-430.
[10]	安永林, 李佳豪, 曹前, 等. 上软下硬地层隧道掌子面稳定性及塌方形态[J]. 中国铁道科学, 2019, 40(1):79-87.
	AN Yonglin, LI Jiahao, CAO Qian, et al. Tunnel face stability and collapse shape in upper-soft and lower-hard strata[J]. China Railway Science, 2019, 40(1):79-87.
[11]	王文谦. 大跨度隧道围岩压力拱效应研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2018.
	WANG Wenqian. Study on pressure arch effect of a large crosssection tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2018.
[12]	刘星星. 小净距隧道围岩压力拱效应研究[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2017.
	LIU Xingxing. Study on pressure arch effect of surrounding rock at neighburhood tunnel[D]. Changsha: Changsha University of Science & Technology, 2017.
[13]	朱正国, 朱永全, 吴广明. 泥石流堆积体隧道工程理论与实践[M]. 北京: 人民交通出版社股份有限公司, 2014:18-30.
[14]	杜晓丽. 采矿岩石压力拱演化规律及其应用的研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2011.
	DU Xiaoli. Research on the evolution and its application of rockpressure arch in coal mining[D]. Xuzhou: China University of mining and technology, 2011.
[15]	李英杰. 软弱深埋隧道围岩结构特性及支护荷载确定方法研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2012.
	LI Yingjie. Research on the structural characteristics and the determination methods for supporting load in soft fractured deep tunnel wall[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012.

文献序号	内边界			外边界
文献序号	拱顶	拱腰	拱底	拱顶	拱腰	拱底
[6]	切向应力最大值处	最大主压应力最大值处	最大主压应力最大值处	以最大主压应力减少量确定	以最大主压应力减少量确定	以最大主压应力减少量确定
[8]	—	—	—	切向应力与径向应力交点处	切向应力与径向应力交点处	切向应力与径向应力交点处
[14]	—	—	—	成拱系数(应力差值比)减小至5%	应力差值比减小到5%处	应力差值比减小到5%处
[4]	最大主压应力最大值处	—	—	切向应力与径向应力交点处	—	—
[5]	切向应力为原岩应力处	最大主压应力矢量流线延伸	—	切向应力与径向应力交点处	最大主压应力矢量流线延伸	最大主压应力矢量流线延伸
[13]	切向应力为原岩应力处	—	—	应力差值比曲线的驻点	—	—
[7]	未区别压力拱内边界与外边界的概念			切向应力与径向应力交点处	—	—

内外边界距隧道轮廓距离/m		拱顶路径		拱腰路径		拱底路径
内外边界距隧道轮廓距离/m		内边界	外边界	内边界	外边界	内边界	外边界
全断面法		3.6	51	0	24	8.2	33.2
台阶法	上台阶	3.2	50.5	0	23	8.6	32.3
台阶法	下台阶	3.5	51	0	23.4	5.8	33
CD法	右上导坑	2.1	36.8	0	14.3	5	21.9
	右下导坑	2.6	37.1	0	15	3.1	22.7
	左上导坑	4	49	0	22.9	7.4	30.9
	左下导坑	3.4	49.5	0	23.2	8.2	32.8

隧道压力拱边界统一判定方法及其空间演化特征*

Unified boundary determination method of pressure arch in tunnels and its spatial evolution characteristics

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 15

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	谢全敏, 马伟, 杨文东. 公路隧道结构健康监测系统设计与实施[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(7): 56-62.
[2]	徐童, 唐飞, 何清. 隧道内贴壁火顶棚射流温度及火焰特性研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(7): 93-97.
[3]	方俊, 郭佩文, 朱科, 陈正福. 基于N-K模型的地铁隧道施工安全风险耦合演化分析[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(6): 1-9.
[4]	周佳媚, 沈文杰, 朱宇, 樊霁, 殷建纲, 吴奇. 铁路隧道施工期冰块降温技术研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(6): 44-52.
[5]	阳东, 李萍. 抑制倾斜隧道烟气流动热压主导模式的临界风压[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(5): 41-47.
[6]	彭亚雄, 刘广进, 黄智刚, 吕虎波, 吴立. 穿越富水断层带隧道爆破围岩突变失稳判据研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(5): 104-111.
[7]	郑艾辰, 向晋扬, 黄锋, 金成昊, 刘星辰. 空洞对隧道结构安全影响试验与模拟[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(5): 119-126.
[8]	高云骥, 罗越扬, 李智胜, 张玉春, 喻洋阳, 李涛. 分岔隧道火灾烟气回流长度及温度分布试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(3): 109-115.
[9]	魏强, 刘加奇, 王景春, 王鹏. 基于理想模糊物元的隧道施工安全韧性评估^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(8): 62-68.
[10]	王雨, 王凯旋. 地铁隧道开挖下刚性接口管线安全控制研究^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(8): 97-103.
[11]	戴世伟, 刘鑫鑫, 万飞. 软岩隧道大变形事故致灾因素耦合分析^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(8): 119-124.
[12]	杨立中, 叶开. 城市综合管廊消防标准及火灾研究综述^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(8): 132-140.
[13]	胡韫频, 李超, 李宗亮, 杨道合. 大跨度钢结构施工安全风险评价IHFACS-BN模型及应用^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(8): 147-154.
[14]	谢全敏, 晏理想, 周圣国, 王智德, 杨文东. 圭嘎拉隧道石门揭煤岩柱安全厚度及动力特性[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(7): 56-62.
[15]	于光玉, 李慧民. 旧工业建筑改造施工安全影响机制研究[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(7): 120-129.