岩质地层浅埋隧道拱顶塌落机制的上限分析

摘要

拱顶稳定性始终是隧道与地下工程领域的一个关键问题。为了明确埋深比与地层强度参数等对拱顶稳定性与潜在塌落范围的影响规律,基于广义Hoek-Brown (generalized Hoek-Brown, GHB)强度准则,构建了岩质地层中不同截面形式隧道拱顶塌落分析模型。通过能量平衡方程的建立与求解,获得了描述隧道拱顶稳定性的不同目标函数解答。通过优化求解,确定了浅埋与深埋隧道拱顶塌落模型的界限埋深比。研究结果表明:地质强度参数(geological strength index,GSI)的增大可显著提高隧道拱顶稳定性,而岩体软硬程度参数mi的影响须结合埋深比以及地层强度参数等综合加以确定。区别于矩形隧道,埋深比的增加将使圆形隧道的拱顶稳定性呈现先降低而后增加并最终趋于稳定的规律。界限埋深比随岩体软硬程度参数mi的增加而不断减小,随GSI的增加先减小而后增大;相比于矩形隧道,圆形隧道更易形成完整的塌落拱。本文研究内容可为隧道工程初步设计提供参考。

关键词

隧道工程 / 岩质地层 / 拱顶稳定性 / 极限分析法 / 界限埋深比 / 广义Hoek-Brown准则