Investigación sobre métodos e indicadores de evaluación de la estabilidad de la roca circundante en pequeños túneles de despeje
Tabla 1.1 Determinación de la capacidad de autoestabilización de las rocas circundantes del túnel en todos los niveles
De hecho, existen muchos métodos e indicadores para evaluar la estabilidad de las rocas circundantes del túnel, que pueden dividirse en categorías individuales según el número de factores involucrados. Evaluación factorial y evaluación multifactorial. Según el método de evaluación, se puede dividir en evaluación cuantitativa y evaluación cualitativa según el modelo y la teoría de evaluación, según la relación entre la tensión y la resistencia de la estructura de soporte, la evaluación de la estabilidad de la roca circundante incluye la teoría del sistema de tensión, Teoría del círculo de aflojamiento de la roca circundante, criterio de desplazamiento del agujero y pautas de desplazamiento de la superficie. Desde la perspectiva de los medios de implementación, existen cálculos numéricos, mediciones de seguimiento in situ y cálculos teóricos. Actualmente, la evaluación de la estabilidad de la roca circundante en túneles de carreteras se lleva a cabo principalmente en dos etapas de acuerdo con las especificaciones. En la primera etapa se utilizan analogías de ingeniería. Con base en las condiciones de diseño, como la ingeniería geológica, hidrogeológica, la física de las rocas y los parámetros mecánicos, y de acuerdo con las especificaciones y la experiencia en ingeniería, se evalúa la calidad de la roca circundante y se diseñan en consecuencia el tamaño de la sección del túnel, el método de excavación y el método de soporte. En la segunda etapa, a partir del cálculo numérico y de los resultados del seguimiento y medición in situ, se evalúa la estabilidad de la roca circundante y se modifican y ajustan los parámetros de soporte del túnel y los métodos de construcción.
La construcción posterior a la excavación de pequeños túneles de despeje tiene un gran impacto en la estabilidad de la roca circundante del primer túnel, y su mecanismo mecánico es más complejo que el de los túneles independientes. Los métodos e indicadores de evaluación de la estabilidad deben determinarse considerando exhaustivamente la calidad de la roca circundante, la distancia libre, la profundidad del enterramiento, el plan de excavación y el plan de soporte. Sin embargo, actualmente faltan investigaciones sobre los métodos e indicadores de evaluación de la estabilidad de la roca circundante de los túneles de carreteras de pequeño espacio libre. Después de revisar la literatura, se encontró que actualmente solo existen unos pocos métodos de evaluación e indicadores utilizados para evaluar la estabilidad de la roca circundante de túneles de un solo orificio. Por lo tanto, esta sección revisa principalmente el progreso de la investigación y la aplicación de los indicadores y métodos de evaluación de la estabilidad de las rocas circundantes de túneles independientes.
La evaluación de la estabilidad de la roca que rodea el túnel se puede dividir en dos categorías según su mecanismo de evaluación [54-56]. Una es la teoría de la resistencia basada en el sistema de conocimientos de la mecánica de materiales y la mecánica elástico-plástica, que evalúa la estabilidad de la roca circundante a través de la relación entre el estado tensional y la resistencia, es decir, el criterio de resistencia la otra se basa en lo permisible; desplazamiento (deformación) o asentamiento superficial alrededor de la roca circundante Para juzgar, es decir, el criterio de desplazamiento. La idea general del criterio de resistencia es obtener la distribución de tensiones de la roca circundante después de la excavación del túnel mediante cálculos numéricos y mediciones de seguimiento, y luego compararla con la resistencia de la roca circundante para evaluar la estabilidad de la roca circundante. Los criterios de resistencia clásicos incluyen el criterio de resistencia de Mohr-Coulomb, la teoría de la resistencia de Griffith, el criterio de resistencia de Drucker-Preiger y el criterio de resistencia de Hocker-Brown [57-60]. El criterio de fluencia de Mohr-Coulomb supone que un punto fallará cuando el esfuerzo cortante que actúa sobre él es igual a la resistencia cortante en ese punto, que está linealmente relacionada con el esfuerzo normal que actúa sobre la superficie. En general, se cree que esta teoría refleja de manera integral las características de resistencia de las rocas y es aplicable a las características de corte tanto de rocas plásticas como de rocas frágiles, pero no puede reflejar la influencia de las tensiones principales intermedias. La teoría de la resistencia de Griffith cree que la fractura de un material es causada por la concentración de tensión de tracción en las puntas de pequeñas grietas distribuidas dentro del material, y el mecanismo de falla del material es causado por el estiramiento. Este criterio de resistencia se propone para materiales frágiles como el vidrio, por lo que sólo es adecuado para estudiar la falla de rocas frágiles. El criterio de Drucker-Preiger (criterio D-P) es una expansión y promoción del criterio C-M y el criterio de Mises en mecánica plástica. Tiene en cuenta la influencia de la tensión principal intermedia y la presión hidrostática. Se utiliza en cálculos numéricos de mecánica geotécnica. Ingeniería en el país y en el extranjero. Ha sido ampliamente utilizado en el análisis.
El criterio de resistencia de Hoek-Brown divide la falla del macizo rocoso en dos mecanismos: falla por tracción y falla por corte. Considera de manera integral la influencia de múltiples factores como la resistencia del macizo rocoso, la resistencia estructural de la superficie y la estructura del macizo rocoso, y puede reflejar mejor el macizo rocoso. Características de daño no lineal. El criterio de la zona plástica es también un criterio de inestabilidad de las rocas circundantes ampliamente estudiado y aplicado en la teoría de la resistencia. La idea general es que la zona plástica de la roca circundante no significa que la roca circundante sea inestable. Sólo cuando la deformación plástica se desarrolle hasta cierto punto, se formará una superficie de falla potencial en la roca circundante y se alcanzará el estado de falla. El criterio de la zona plástica resuelve principalmente el problema de cuándo alcanza el rango de fluencia y en qué medida la roca circundante comienza a volverse inestable. Xu [61] creía que la zona plástica calculada de la roca circundante era mayor que 0,2 veces el diámetro de la excavación y que la roca circundante era inestable. Guan [6] creía que la zona plástica no debería exceder el 20% del diámetro del túnel como criterio aproximado para evaluar la estabilidad de la roca circundante. Cuando Zhu Weishen et al. [62] analizaron la estabilidad del grupo de centrales eléctricas subterráneas de Ertan, propusieron la relación β del área de la zona plástica de la roca alrededor de la caverna principal de la central eléctrica con respecto al área de la sección transversal f0 como criterio para la estabilidad del grupo. roca circundante. Además, Hoek [63] dio un criterio para juzgar la estabilidad de la roca circundante después del soporte, es decir, si la zona de daño alrededor del agujero está dentro de los límites del soporte del perno, es decir, si la zona plástica del entorno circundante la roca se limita al soporte del perno. Dentro del rango, la roca circundante se considera estable. El factor de seguridad y el método de reducción de la fuerza también son uno de los temas candentes en la investigación de criterios de fuerza en los últimos años. Este método consiste en dividir los principales valores característicos de resistencia del material, como C y φ, por el valor K. El valor K aumenta gradualmente y el cálculo se repite hasta que la roca circundante se vuelve inestable (es decir, el cálculo no puede converger). K es el factor de seguridad. Zhang Liming et al. [64] creen que es difícil determinar la superficie de seguridad y falla de un túnel utilizando solo la tensión, el desplazamiento, la zona de tensión de tracción y la zona plástica obtenida mediante el análisis tradicional de elementos finitos. El método se utiliza para determinar la seguridad y la superficie de falla del túnel. La superficie de falla se puede usar para obtener el factor de seguridad de la reserva de resistencia general del túnel. El factor de seguridad se propone basándose en la falla por corte de los túneles. La falla por tracción también puede ocurrir en los túneles, por lo que el juicio de estabilidad del factor de seguridad por falla por tracción requiere más investigación. Además de los criterios de resistencia a la estabilidad de la roca circundante mencionados anteriormente, también existen la teoría del coeficiente de concentración de tensiones, la teoría de bloques y la teoría de resistencia del macizo rocoso. Por ejemplo, Hoek [63] cree que una vez que la resistencia del macizo rocoso se reduce en un 20% en comparación con la tensión in situ, la deformación aumentará considerablemente y, a menos que se controlen estas deformaciones, el túnel puede colapsar; [65] creen que el coeficiente de concentración de tensión puede reflejar indirectamente la resistencia de la roca circundante. Estabilidad; Jing [66] cree que hay bloques inestables en el túnel que rodea la roca, y su inestabilidad provocará una serie de inestabilidad de bloques.
El criterio de desplazamiento es encontrar el desplazamiento de cada punto de control bajo un cierto estado límite, que es el llamado desplazamiento límite, y luego juzgar la estabilidad de la roca circundante. Normalmente, se puede utilizar la cantidad de desplazamiento o la tasa de desplazamiento [67, 68]. Este método cree que no importa cuán complejo sea el mecanismo del túnel, la respuesta después de varias acciones puede reflejarse en el desplazamiento circundante. La dinámica mecánica del túnel se puede comprender mediante la observación del desplazamiento circundante. La estabilidad del túnel también debe determinarse a partir de los cambios de desplazamiento que se desarrollan en el entorno. El "Nuevo Método Austriaco", que tiene como base técnica principal el empernado y la voladura, ofrece la posibilidad de utilizar el desplazamiento como criterio para la estabilidad de la roca circundante mediante el seguimiento de la deformación de la roca circundante y estructuras de soporte. Sakurai [69] creía que la evaluación de la estabilidad de los túneles debería basarse en la deformación del macizo rocoso que rodea el túnel. Zhu Yongquan [67] creía que la evaluación de la estabilidad de la roca circundante debería basarse en la comparación de U > U0, y también debería combinarse con las leyes de desarrollo y cambio de desplazamiento. Propuso que se determinaran las condiciones para la estabilidad básica de la roca circundante. y el apoyo inicial son: la tasa de desplazamiento se reduce significativamente y el resultado El desplazamiento representa más del 80% del desplazamiento total. La literatura [70] da la definición de desplazamiento permisible, es decir, bajo las condiciones de garantizar que no se produzcan aflojamientos perjudiciales en cavernas o túneles subterráneos, y que no se produzcan asentamientos perjudiciales en la superficie del suelo, una vez estabilizada la deformación del túnel, el El desplazamiento total entre la pared lateral del túnel y el asentamiento de la bóveda es el desplazamiento horizontal máximo. El documento [71] proporciona los principios para establecer estándares de seguridad para la roca circundante y los criterios para juzgar la estabilidad de la roca circundante en función de los cambios de desplazamiento o los valores de desplazamiento final previstos. De hecho, el desplazamiento permitido de la roca circundante está relacionado con las condiciones geológicas de la roca circundante, la profundidad de entierro del túnel (agujero), el tamaño de la sección transversal, el método de construcción de la excavación, el método y los parámetros de soporte, las construcciones de la superficie, la resistencia del material de la roca circundante y otros factores. Por lo tanto, diferentes países tienen diferentes estándares empíricos [70, 765, 438 0] para el desplazamiento permitido de cavernas subterráneas, y el énfasis también es diferente.
Por ejemplo, los estándares de control de asentamientos de bóvedas formulados por Francia solo consideran la profundidad de enterramiento de cavernas y rocas blandas y duras; Japón ha clasificado el monitoreo de asentamientos de túneles poco profundos como nivel A y ha proporcionado estándares correspondientes para túneles con diferentes profundidades de enterramiento. Basándose en las leyes de deformación de los túneles, Alemania ha establecido sus propias normas de restricción para diferentes partes con características de deformación obvias.
Existen pocos estudios sobre los indicadores y métodos de evaluación de la estabilidad de la roca circundante en túneles de despeje pequeños y falta de sistematicidad. No existe un límite de monitoreo para el desplazamiento alrededor de pequeños túneles de paso en las regulaciones de túneles ferroviarios y de carreteras de mi país. En la actualidad, el trabajo de investigación ha logrado algunos resultados. La literatura [52] toma la zona plástica discontinua de la columna de roca media y la tensión del revestimiento como base para la evaluación de la estabilidad. La masa rocosa dentro del rango de espesor y profundidad de los pilares de roca en el túnel de despeje pequeño se utiliza como carga, y la resistencia última de los pernos de roca que sostienen los pilares de roca en el túnel de despeje pequeño se establece con base en la teoría del equilibrio límite. y en base a esto, se establecen los pilares de roca en el túnel de pequeño espacio libre [72]; Li Yunpeng [54] y otros utilizaron métodos estadísticos para establecer la ecuación de control de deformación permitida de un túnel de pequeño espacio libre rodeado de piedra caliza y filita. , y analizaron la ecuación de control de deformación permitida de un túnel de pequeño espacio libre rodeado de piedra caliza y filita basándose en esta ecuación de estabilidad y seguridad del túnel. Liu Shengli [73] analizó las características de estabilidad de la roca circundante de un túnel pequeño; despeje del túnel de tráfico urbano de doble vía bajo condiciones geológicas complejas, y evaluó la estabilidad de la roca circundante del túnel Xiahuanglian bajo las pequeñas condiciones de despeje existentes y la estabilidad estructural.
En resumen, es necesario mejorar los resultados de la investigación sobre los estándares y métodos de evaluación de la estabilidad de las rocas circundantes de túneles independientes separados y túneles de paso pequeños. No existe un método de cálculo teórico adecuado para los cambios espaciales punto por punto de la tensión in situ y los parámetros mecánicos de la roca circundante, y no existe un método teórico unificado generalmente reconocido para los criterios de falla de la roca circundante. En la actualidad, el mecanismo mecánico de la estabilidad de las rocas circundantes aún no está claro. Aunque los criterios de inestabilidad de la roca circundante dados en ingeniería en forma de desplazamiento relativo permisible o tasa de convergencia permisible son exitosos en la mayoría de los casos, a menudo ocurre el fenómeno opuesto a los criterios anteriores. Cuando el valor de deformación de la roca circundante débil excede varias veces el valor permitido por el código, aún no se ha vuelto inestable, pero colapsa en el túnel poco profundo. Esto muestra que usar el desplazamiento solo para caracterizar la estabilidad es incompleto y no está dirigido. Por lo tanto, se puede decir que la investigación teórica sobre el criterio de estabilidad de la roca que rodea el túnel aún se encuentra en la etapa de opiniones divergentes, y el criterio de inestabilidad aún no se ha resuelto bien.