基于強(qiáng)度折減法雙線隧道支護(hù)參數(shù)分析

方 晶

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

川藏鐵路的修建具有海拔高、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜及材料運(yùn)輸距離長(zhǎng)等諸多難點(diǎn)，傳統(tǒng)工法及支護(hù)系統(tǒng)施工工序過(guò)于繁瑣，且質(zhì)量難以把控，進(jìn)度緩慢，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)川藏鐵路高要求、高標(biāo)準(zhǔn)的需求。為徹底解決隧道傳統(tǒng)施工工藝及選材造成的弊端，川藏鐵路很有必要在研究新型設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，制定出一套安全可靠且行之有效可以實(shí)現(xiàn)快速施工的新型支護(hù)體系，減少人工投入的同時(shí)提高隧道的施工效率，滿足川藏鐵路高要求、高標(biāo)準(zhǔn)的需要。為此研究不同支護(hù)參數(shù)對(duì)隧道安全系數(shù)的影響就極為必要。

1 工程概況

川藏鐵路全長(zhǎng)1 629 km，東起于四川成都，經(jīng)過(guò)雅安，西藏波密、林芝、貢嘎等地延伸到達(dá)西藏拉薩[1]。線路經(jīng)過(guò)區(qū)域山高谷深，地形條件極其復(fù)雜。修建川藏鐵路首先需要克服的就是巨大的高差，累計(jì)爬升高度約1.6×104m。除了高差，川藏鐵路的特長(zhǎng)隧道群也是一大難題。川藏鐵路全線隧道總長(zhǎng)達(dá)1 400 km，占線路總長(zhǎng)的80 %，川藏鐵路路線如圖1所示。

圖1 川藏鐵路路線

2 強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)

強(qiáng)度折減法是基于極限分析法而提出的理論，極限分析法假設(shè)理想塑性體或剛塑性體處于極限狀態(tài)，即巖土體的潛在滑動(dòng)面上的滑動(dòng)力與抗滑力相等或剪應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度相等。強(qiáng)度折減法主要服從摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，對(duì)巖土體的強(qiáng)度參數(shù)c、φ值反復(fù)除以相同的折減系數(shù)，即采用“等比例強(qiáng)度折減的方法”，直至巖土體達(dá)到極限破壞狀態(tài)。在圍巖的強(qiáng)度折減過(guò)程中，洞周位移會(huì)隨折減系數(shù)的提高不斷增大，本文參考鄭穎人[2]的研究，將隧道特征點(diǎn)的位移突變作為隧道失穩(wěn)的判據(jù)，將此時(shí)的折減系數(shù)視為隧道的安全系數(shù)，折減系數(shù)與特征點(diǎn)位移曲線如圖2所示。

圖2 折減系數(shù)-特征點(diǎn)位移曲線

本次計(jì)算中，使用FLAC3D有限差分軟件對(duì)相應(yīng)工況下的隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)隧道的特征點(diǎn)位移。折減過(guò)程中的“步長(zhǎng)”取為1.01，即第n步強(qiáng)度折減后的折減系數(shù)為1.01n。

3 模型建立

根據(jù)本次工程中所選用的鋼纖維混凝土的有關(guān)強(qiáng)度參數(shù)，及相關(guān)規(guī)范，研究的工況如表1所示。

表1 研究工況匯總

根據(jù)考慮的所有工程情況，建立單位厚度(1 m)的二維數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。所建模型的水平邊界尺寸為79 m，豎向尺寸邊界長(zhǎng)度取為100 m，假設(shè)隧道埋深50 m，雙線隧洞尺寸為13 m(寬)×11 m(高)。有限差分模型如圖3所示。

圖3 雙線隧洞開(kāi)挖有限差分模型

4 計(jì)算結(jié)果

觀察圖4～圖6可知，圍巖等級(jí)、支護(hù)混凝土等級(jí)和襯砌厚度均能有效提高隧道安全系數(shù)。

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，在圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)的情況下，支護(hù)等級(jí)和襯砌厚度對(duì)隧道安全系數(shù)均影響不大，相差0.05左右，這是因?yàn)閲鷰r本身?xiàng)l件較好，安全系數(shù)已經(jīng)有很大儲(chǔ)備，支護(hù)對(duì)隧道安全系數(shù)的提升空間有限。

觀察圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，圍巖等級(jí)和襯砌厚度保持不變的情況下，相鄰支護(hù)混凝土等級(jí)所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)相差0.06以下；圍巖等級(jí)和支護(hù)混凝土等級(jí)保持不變的情況下，相鄰襯砌厚度的隧道安全系數(shù)相差0.06以上。

圖4 圍巖等級(jí)Ⅲ時(shí)安全系數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

文章結(jié)合川藏線實(shí)際情況，對(duì)不同工況用強(qiáng)度折減法計(jì)算隧道安全系數(shù)，得到結(jié)論如下：

圖5 圍巖等級(jí)Ⅳ時(shí)安全系數(shù)變化曲線

圖6 圍巖等級(jí)Ⅴ時(shí)安全系數(shù)變化曲線

(1)在圍巖條件較好，比如圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)時(shí)，支護(hù)混凝土等級(jí)和襯砌厚度對(duì)隧道安全系數(shù)的提升并不明顯；

(2)在圍巖條件一般時(shí)，支護(hù)混凝土等級(jí)與襯砌厚度均能有效提高隧道安全系數(shù)，且襯砌厚度的提升效果更為明顯；

(3)結(jié)合川藏鐵路工程，在工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變的情況下，改善圍巖條件仍然是提高隧道安全性的重要辦法。