支護(hù)時(shí)機(jī)對圍巖穩(wěn)定性的影響研究

張國平（鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 210049）

支護(hù)時(shí)機(jī)對圍巖穩(wěn)定性的影響研究

張國平（鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 210049）

隨著地下洞室的開挖，洞周初始地應(yīng)力得到釋放，圍巖發(fā)生變形。作者通過采用考慮地應(yīng)力釋放率，建立三維FLAC3D數(shù)值模擬模型，以摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則為屈服條件，考慮開挖過程中不同的支護(hù)時(shí)機(jī)對隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，分析比較圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)、位移及錨桿軸力隨地應(yīng)力釋放率的變化規(guī)律，以充分發(fā)揮圍巖和支護(hù)的共同承載能力。

支護(hù)時(shí)機(jī)；圍巖；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

1 引 言

隨著地下工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，及影響洞室穩(wěn)定性地質(zhì)條件的復(fù)雜性和難以預(yù)測性，使得地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析成為了地下工程設(shè)計(jì)和施工的主要問題。為了防止地下洞室在開挖過程中發(fā)生坍塌、滲透等事故，在洞室開挖過程中需要正確選擇洞室開挖方法、支護(hù)時(shí)機(jī)、襯砌結(jié)構(gòu)類型等影響圍巖穩(wěn)定性的因素。其中，支護(hù)的施加時(shí)機(jī)起著關(guān)鍵的作用，如何在設(shè)計(jì)與施工中考慮不同的支護(hù)時(shí)機(jī)是一個(gè)值得探討的問題。合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，可以限制圍巖變形的發(fā)展，調(diào)整巖土體的內(nèi)力重分布，充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力。

2 FLAC3D三維數(shù)值分析軟件［1］

FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件采用的是快速拉格朗日方法，可實(shí)現(xiàn)對巖石、土和支護(hù)結(jié)構(gòu)等建立三維模型，并在邊坡穩(wěn)定性分析、隧道礦山巷道等地下工程變形和破壞分析、地下工程混凝土襯砌及巖石錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)分析、地震工程及礦山巖石爆破研究、地下洞室開挖設(shè)計(jì)與施工等巖土工程數(shù)值模擬計(jì)算方面得到了廣泛的應(yīng)用。

FLAC3D內(nèi)置了零模型、正交各向異性彈性模型、各向同性彈性模型、橫觀各向同性彈性模型、莫爾—庫侖模型、德魯克—普拉格塑性模型等11種材料模型。每種模型對應(yīng)一種特殊類型的巖土材料本構(gòu)特性，學(xué)者可以使用 FLAC3D中內(nèi)置的模型，也可以使用FLAC3D自帶Fish編程語言來創(chuàng)建自己的模型。

3 莫爾-庫侖（Mohr-coulomb）屈服準(zhǔn)則

莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則體現(xiàn)了巖土材料壓剪破壞的實(shí)質(zhì)，所以在巖土工程界得到了廣泛的應(yīng)用。

4 支護(hù)時(shí)機(jī)對圍巖穩(wěn)定性的影響分析

某隧洞長16km，洞徑13m，最大埋深2500m，筆者選取具有代表性的Ⅱ類圍巖進(jìn)行全斷面開挖模擬計(jì)算分析。在開挖支護(hù)過程中，主要支護(hù)方式為錨桿+混凝土襯砌，并灌漿10m深，模擬計(jì)算參數(shù)見表1，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。并采用FLAC3D三維數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬計(jì)算選用摩爾-庫侖模型。

模擬計(jì)算參數(shù) 表1

在地下洞室開挖支護(hù)施加過程中，確定應(yīng)力釋放率是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，其影響因素較多，如洞室的設(shè)計(jì)尺寸、支護(hù)時(shí)機(jī)、開挖方法、支護(hù)形式、洞室埋深等。圍巖支護(hù)前需釋放多少應(yīng)力是個(gè)關(guān)鍵問題，應(yīng)力釋放太多會(huì)導(dǎo)致來不及支護(hù)，而應(yīng)力釋放太少的話有可能使得巖體內(nèi)部能量產(chǎn)生集聚，從而有可能使得支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載較大而發(fā)生破壞。所以，考慮到圍巖本身有一定的自穩(wěn)能力，分析在應(yīng)力釋放率 40%～80%時(shí)進(jìn)行施加支護(hù)，分析圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)、位移及錨桿軸力隨地應(yīng)力釋放率的變化規(guī)律，為地下洞室開挖支護(hù)的設(shè)計(jì)、施工提供一定的理論和工程實(shí)踐借鑒作用。

根據(jù)表3的模擬計(jì)算結(jié)果，隨著應(yīng)力釋放率的增加，大、小主應(yīng)力變化幅度都不大，尤其是小主應(yīng)力的變化幅度很微小，即支護(hù)時(shí)機(jī)對洞周的應(yīng)力大小影響不明顯。也就是說，在錨桿和混凝土襯砌共同作用下，洞室圍巖應(yīng)力集中程度不但有所緩減，而且在洞室開挖過程中，圍巖中的應(yīng)力釋放一定程度的話不僅有利于改善巖體的穩(wěn)定性，又能充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力。

錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)表 表2

圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 表3

對于圍巖塑性區(qū)，支護(hù)施加后塑性區(qū)分布范圍明顯減小，在應(yīng)力釋放率小于70%時(shí)，塑性區(qū)范圍變化幅度不大，一般在 4～6m之間，而在應(yīng)力釋放率超過70%時(shí)塑性區(qū)范圍為6～8m之間。很顯然，隨著支護(hù)時(shí)機(jī)的推遲，圍巖塑性區(qū)的范圍將增大，在應(yīng)力釋放率40%～70%時(shí)，錨桿穿越了塑性區(qū)錨固在彈性區(qū)，但到80%應(yīng)力釋放率時(shí)，錨桿不僅穿越了塑性區(qū)且超過了彈性區(qū)。

同時(shí)，根據(jù) FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，不同支護(hù)時(shí)機(jī)對圍巖變形影響較大，洞周的變形如頂拱下沉位移、底部回彈位移與側(cè)墻位移顯然隨著支護(hù)時(shí)機(jī)的推遲而增大。而且隧洞頂拱的位移較底部回彈位移、側(cè)墻位移影響較為明顯。其中，洞室底部位移影響最小，尤其在應(yīng)力釋放率 70%變化到 80%時(shí)，變化幅度微小。

從錨桿最大軸力模擬結(jié)果看出，錨桿軸力隨著應(yīng)力釋放率的增加變化顯著，特別是應(yīng)力釋放率從60%變化到 50%時(shí)，錨桿軸力變化幅度最大，增大了49.5kN。顯然，隨著應(yīng)力釋放率的降低錨桿所承受的荷載將增加，即支護(hù)施加太早的話，錨桿將承受更大的荷載，有可能由于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力超過自身設(shè)計(jì)強(qiáng)度而失效。

5 結(jié) 論

顯然，隧洞開挖過程中，通過施加支護(hù)后，圍巖應(yīng)力集中程度有所減緩，但支護(hù)時(shí)機(jī)導(dǎo)致應(yīng)力變化的幅度較小。支護(hù)對隧洞圍巖變形的控制作用十分顯著，而且隨著支護(hù)時(shí)機(jī)的滯后，圍巖塑性區(qū)的范圍將增大，洞周各部位變形量也隨之增大。同時(shí)，錨桿的軸力隨著應(yīng)力釋放率的減少增加幅度較大，因此應(yīng)正確掌握支護(hù)時(shí)機(jī)，以免支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

洞室開挖會(huì)使得洞周初始地應(yīng)力釋放，圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖發(fā)生變形。為避免開挖施工過程中發(fā)生事故，在地下洞室開挖過程中必須進(jìn)行合理的進(jìn)行支護(hù)，選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī)，以充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，避免支護(hù)承受過大的荷載而發(fā)生破壞，發(fā)揮支護(hù)和圍巖的共同承載能力，形成統(tǒng)一承載體。

［1］劉波，韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］張周平，余偉健，高謙，韋寒波.金川深部工程圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)與參數(shù)設(shè)計(jì)研究［J］.金屬礦山，2008（2）.

［3］張社榮，梁禮繪.考慮三維應(yīng)力旋轉(zhuǎn)的隧洞襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38（6）.

［4］崔金鵬，蘇凱，常智慧，周亞峰.深埋TBM隧洞圍巖穩(wěn)定雨襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)研究［J］.水電與新能源，2015，133（7）.

U451+.2

A

1007-7359（2016）02-0137-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.047

張國平（1979-），男，江蘇海門人，碩士，講師，主要從事建筑施工及造價(jià)方面的教學(xué)工作。