兩水隧道初期支護(hù)安全長(zhǎng)度研究

鞠 森 森

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

兩水隧道初期支護(hù)安全長(zhǎng)度研究

鞠 森 森

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

基于兩水隧道工程實(shí)例，從圍巖穩(wěn)定性入手，利用Ansys通用有限元軟件建立了有限元分析模型，通過(guò)不同初期支護(hù)長(zhǎng)度數(shù)值模擬分析，對(duì)隧道初期支護(hù)安全長(zhǎng)度提出了建議，可以為隧道設(shè)計(jì)與施工提供一定的理論參考。

隧道，強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)，初期支護(hù)，數(shù)值模擬

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，新奧法在我國(guó)隧道設(shè)計(jì)和施工中得到了非常廣泛的應(yīng)用。復(fù)合式襯砌支護(hù)的基本原理在于：充分利用圍巖的自身承載能力；增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度，均衡圍巖的應(yīng)力分布；利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反饋到施工上。其中初期支護(hù)基本由噴射混凝土，錨桿鋼拱架等多種支護(hù)形式組合而成，對(duì)隧道的安全性和穩(wěn)定性有著重要的作用。目前對(duì)于隧道施工過(guò)程中支護(hù)穩(wěn)定性和安全性的研究主要集中在對(duì)二次襯砌的研究上，對(duì)初期支護(hù)穩(wěn)定性方面的研究不多，且大多采用基于支護(hù)位移的分析方法[1]。當(dāng)隧道在僅有初期支護(hù)的情況下繼續(xù)施工時(shí)，一旦施工距離過(guò)長(zhǎng)很可能會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，從而導(dǎo)致隧道安全性受到影響。本文借助Ansys通用有限元軟件,對(duì)在僅有初期支護(hù)的條件下，Ⅳ級(jí)圍巖雙線隧道斷面不同長(zhǎng)度下圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行比較分析，根據(jù)不同長(zhǎng)度下的圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)S.M.F.進(jìn)行對(duì)比，提出在進(jìn)行隧道施工時(shí)的初期支護(hù)安全長(zhǎng)度，為隧道設(shè)計(jì)與施工提供一定的理論參考。

1 計(jì)算理論

1.1 圍巖的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)S.M.F.

強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)是用來(lái)表示所研究材料強(qiáng)度發(fā)揮程度的參數(shù)[2]。采用有限元法計(jì)算得到圍巖各單元高斯點(diǎn)上的應(yīng)力σx，σy，τxy，根據(jù)下式可求得各高斯點(diǎn)的主應(yīng)力和主應(yīng)力方向：

參照M-C準(zhǔn)則計(jì)算，可得圍巖的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)S.M.F.表達(dá)式為：

當(dāng)S.M.F.>0.8時(shí)，圍巖進(jìn)入擾動(dòng)區(qū)，安全性轉(zhuǎn)差；當(dāng)S.M.F.>1時(shí),圍巖進(jìn)入塑性區(qū)[3]，易發(fā)生破壞。

1.2 強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)S.M.F.在Ansys軟件下的實(shí)現(xiàn)

Ansys軟件中采用的默認(rèn)屈服準(zhǔn)則，為M-C不等角六邊形外接圓D-P屈服準(zhǔn)則，實(shí)踐證明該準(zhǔn)則與傳統(tǒng)M-C屈服準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果相比有較大誤差，如果使用該準(zhǔn)則近似代替M-C屈服準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算誤差過(guò)大。因此，本文采用徐干成、鄭穎人于1990年針對(duì)三維空間問(wèn)題提出的Mohr-Coulomb等面積圓D-P準(zhǔn)則。

D-P準(zhǔn)則是M-C準(zhǔn)則的一種特殊形式，該準(zhǔn)則下的屈服面不隨材料的屈服而改變，所以沒(méi)有強(qiáng)化準(zhǔn)則，其計(jì)算效率較高，故在目前的常見(jiàn)大型有限元計(jì)算軟件中均采用了D-P屈服準(zhǔn)則而非M-C準(zhǔn)則。其通用數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

在Mohr-Coulomb等面積圓D-P準(zhǔn)則中系數(shù)α,k的表達(dá)式如下：

計(jì)算表明該準(zhǔn)則不僅便于有限元數(shù)值計(jì)算，而且其計(jì)算結(jié)果與M-C準(zhǔn)則十分接近[4]，故在本文中采用該準(zhǔn)則在Ansys下進(jìn)行強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)的計(jì)算。

2 兩水隧道工程概況

蘭渝鐵路兩水隧道位于甘肅省武都區(qū)白龍江左岸中山區(qū)，地形較為陡峻，隧道穿越剝蝕中低山地貌，絕對(duì)高程170 m～700 m，自然坡度一般為10°～45°，隧道最大埋深346 m,隧道進(jìn)口里程為DK357+082，出口里程為DK362+084，隧道全長(zhǎng)4 922.35 m，其中Ⅳ級(jí)圍巖段總長(zhǎng)1 260 m。兩水隧道施工區(qū)段多為深切峽谷和高山，河谷狹窄，跨越秦嶺中高山的白龍江河谷區(qū)、秦嶺高中山區(qū)，高程多在1 500 m～3 200 m之間，相對(duì)高差600 m～1 200 m。山高谷深，嶺谷相間，高差大，溝谷深切多呈“V”字形。隧道范圍內(nèi)巖層主要為千枚巖夾板巖、炭質(zhì)千枚巖夾板巖、灰?guī)r等。

3 三維數(shù)值模擬分析模型的建立

1)計(jì)算模型：選取兩水隧道Ⅳ級(jí)圍巖雙線鐵路隧道相關(guān)參數(shù)，使用Ansys通用有限元軟件建立有限元分析模型。模型模擬采用Ansys三維實(shí)體單元進(jìn)行,初期支護(hù)采用Shell63單元模擬，圍巖與錨桿加固區(qū)采用Solid45單元模擬，將隧道附近網(wǎng)格加密以加強(qiáng)計(jì)算精度。

2)模型范圍：隧道橫向(X方向)以隧道中線為軸分別向左右延伸64 m，豎向(Y方向)隧道拱底至下邊界不小于2倍洞跨，拱頂至上邊界應(yīng)大于3倍坍落拱高度，豎向總體尺寸取64 m。a.邊界條件：模型左、右邊界施加X(jué)方向約束，前、后邊界施加Z方向約束,隧道底面施加向上的縱向約束，模型上部為自由面，荷載主要考慮自重。b.計(jì)算參數(shù)：選取隧道模擬圍巖物理參數(shù)如表1所示。c.計(jì)算工況：隧道采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖，選取縱向(Z方向，以面向隧道方向?yàn)樨?fù))長(zhǎng)度分別為12 m，15 m，18 m和21 m的四種工況進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同初期支護(hù)長(zhǎng)度隧道圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)S.M.F.云圖，四種不同初期支護(hù)長(zhǎng)度下，隧道圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同初期支護(hù)長(zhǎng)度圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)

由表2可以看出，四種情況下圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)均小于1.00，說(shuō)明四種情況下圍巖均不會(huì)進(jìn)入塑性區(qū)發(fā)生破壞。但是當(dāng)連續(xù)初期支護(hù)長(zhǎng)度達(dá)到21 m時(shí)，圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.84，大于0.8，圍巖進(jìn)入擾動(dòng)區(qū)，隧道的施工安全性趨于變差，繼續(xù)開(kāi)挖很容易造成破壞。同時(shí)，當(dāng)連續(xù)初期支護(hù)長(zhǎng)度達(dá)到21 m時(shí)，圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)達(dá)到0.79已經(jīng)很接近0.8。因此該Ⅳ級(jí)圍巖雙線鐵路隧道初期支護(hù)安全長(zhǎng)度不宜大于18 m。

5 結(jié)語(yǔ)

1)合理的初期支護(hù)安全長(zhǎng)度是隧道工程施工安全的重要保障。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出的初期支護(hù)安全長(zhǎng)度可以將隧道施工對(duì)隧道周邊圍巖的影響限制在可接受的范圍之內(nèi)，保證隧道施工能夠安全快速地進(jìn)行,對(duì)兩水隧道的安全施工提供一定的理論指導(dǎo)。

2)基于M-C準(zhǔn)則等效面積D-P準(zhǔn)則比Ansys軟件本身默認(rèn)的M-C不等角六邊形外接圓D-P屈服準(zhǔn)則具有更小的誤差和可計(jì)算性，更適用于進(jìn)行和巖土相關(guān)的三維有限元分析。

3)圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)S.M.F.在隧道施工的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)中，其能夠提供的綜合性信息是傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)所不能提供的，且在理論上具有合理性，為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)提供了直觀的量化分析手段。

[1] 鄭穎人，邱陳瑜，張 紅，等.關(guān)于土體隧洞圍巖穩(wěn)定性分析方法的探索[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(10)：1968-1980.

[2] 潘昌實(shí).隧道力學(xué)數(shù)值方法[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1995.

[3] 張傳慶，周 輝，馮夏庭,等.基于屈服接近度的圍巖安全性隨機(jī)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(2)：292-299.

[4] 徐干成，鄭穎人.巖石工程中屈服準(zhǔn)則應(yīng)用的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1990，12(2)：93-99.

[5] 于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒,等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.

Study on safe length of preliminary Two-water tunnel support

Ju Sensen

(CollegeofCivilEngineering,ShannxiVocationalCollegeofIndustry,Xianyang712000,China)

Based on Two-water tunnel engineering example, starting from the surrounding rock stability, the article establishes finite element analysis model by applying Ansys finite element software. Through numerical simulation analysis of different preliminary support length, it puts forward preliminary tunnel support safety length, which has provided some theoretical guidance for tunnel design and construction.

tunnel, intensity exertion coefficient， preliminary support, numerical simulation

2015-06-16

鞠森森(1985- )，男，助教

1009-6825(2015)25-0185-03

U451.2

A