考慮開挖面空間效應的隧道支護設計新方法

曾開華，韓小川，張常光

(1.南昌工程學院土木與建筑工程學院，江西南昌330099;2.長安大學建筑工程學院，陜西西安710061)

考慮開挖面空間效應的隧道支護設計新方法

曾開華1，韓小川1，張常光2

(1.南昌工程學院土木與建筑工程學院，江西南昌330099;2.長安大學建筑工程學院，陜西西安710061)

隧道開挖面的空間效應對選擇合理的支護時機十分重要。本文利用位移釋放系數來確定隧道前期變形，提出了考慮開挖面空間效應的隧道支護設計新方法，給出了其具體應用步驟，并得出因素影響特性。研究結果表明:中間主應力、圍巖剪脹特性及不同施作距離對支護的起始作用位置及圍巖穩定變形均有顯著影響，但支護壓力間的差異卻相對較小，因而隧道支護設計既要依據支護壓力，還要保證對圍巖變形的有效限制作用。

開挖面空間效應 支護設計 位移釋放系數 支護壓力 圍巖穩定變形

現有巖石隧道設計一般多根據支護壓力來選擇支護的類型與尺寸，以保證支護不發生屈服及隧道不發生坍塌，而很少關心支護能否對圍巖變形起到有效的約束作用。同時，支護施作位置也較隨意，相同類型及尺寸的支護在不同位置任意構筑，沒有考慮支護壓力的距離變化，由此導致的支護破壞及隧道塌方時有發生。造成這些事故的主要原因是對隧道開挖面的空間效應認識不清［1］，以致低估支護壓力和圍巖變形，進而錯誤地選擇支護及施作位置。實際上只有隧道開挖面空間效應的存在，才使得在開挖面后方一定距離處實施有效的支護成為可能，但應選擇合適的支護時機。在圍巖平面彈塑性分析中，常采用應力釋放法來描述開挖面空間效應所產生的虛擬支護力［2］，但難以建立虛擬支護力與開挖面間距離及圍巖性態之間的函數關系。當前更多學者轉向采用位移釋放法來描述并確定隧道的前期變形，最具代表性的當屬:Vlachopoulos和Diederichs［3］以無支護圍巖最大塑性區半徑Rmax為基礎而建立的位移釋放系數，簡稱V—D位移釋放系數。鑒于此，本文借鑒已有圍巖特征曲線新解，并由V—D位移釋放系數確定隧道前期變形，進而利用收斂約束法確定支護壓力和圍巖穩定變形，提出考慮開挖面空間效應的支護設計新方法，給出其具體應用步驟，且對影響因素特性進行了分析。所得結果對支護選型及優化設計具有指導意義，工程應用前景良好。

1 收斂約束法原理

收斂約束法廣泛應用于各種巖石工程，特別是由新奧法施工的深埋洞室，其力學模型為平面應變狀態下的圓形隧道，在隧道洞壁處受虛擬的均勻支護力pi作用，在無窮遠處受初始地應力p0作用，如圖1所示。圖中ri為隧道半徑、R為圍巖塑性區半徑。圍巖為均勻、連續的各向同性巖體，滿足理想彈—塑性模型。

圖1 隧道的力學模型

1.1 圍巖特征曲線新解

圍巖特征曲線是收斂約束法3條主要曲線之一，描述的是洞壁位移u0與支護力pi之間的關系，筆者在文獻［4］中建立了基于統一強度理論［5］并能反映圍巖剪脹特性影響的理想彈—塑性圍巖特征曲線新解。其中，圍巖塑性區半徑R和隧道洞壁位移u0分別用下述公式(1)和公式(2)計算。

式中:C0，C1，C2，α和Y均為方程常數;c，φ為黏聚力和內摩擦角，E，ν為彈性模量和泊松比，G為剪切模量;py為臨界支護力，β為剪脹特性參數;b為統一強度理論參數，0≤b≤1。

1.2 V—D位移釋放系數

隧道開挖面空間效應的機理為:開挖面前方未開挖的巖體對后方已開挖圍巖應力和變形發展有約束作用，其約束程度取決于圍巖特性、斷面形狀、隧道埋深以及施工擾動等。位移釋放系數u*(x)為在開挖過程中某一研究斷面洞壁處的位移u0(x)與其平面應變無支護下的最大位移u0max之比，即u*(x)=u0(x)/ u0max，其中x為該斷面距開挖面的距離，x＞0代表開挖面后方，x=0代表開挖面，x＜0代表開挖面前方。Vlachopoulos和Diederichs［3］利用有限差分FLAC3D數值模擬，建立了以圍巖最大塑性區半徑Rmax為基礎的V—D位移釋放系數u*(x)。其表達式為

式中:x*=x/ri為相對位置;R*=Rmax/ri為相對半徑;為開挖面x=0處的位移釋放系數。

2 支護設計新方法

本文提出的支護設計新方法為:利用V—D位移釋放系數u*(x)及由式(2)得到的隧道洞壁最大位移u0max，來確定隧道前期變形u0a及支護起始作用位置，進而利用收斂約束特征曲線的交點，就能得到考慮開挖面空間效應的支護壓力和圍巖穩定變形。按此新方法所得的支護壓力和圍巖穩定變形，來選擇合適的支護類型及尺寸，并對具體支護施作位置給予限定。

2.1 應用步驟

假定支護為由理想彈—塑性材料形成的均質圓環，施作后可立即發揮作用。該新方法的具體應用步驟如下:

1)根據地應力、圍巖強度及隧道尺寸等條件，由式(1)和式(2)得到支護力pi=0時的最大塑性區半徑Rmax及隧道洞壁最大位移u0max。

2)根據支護施作位置x*=x/ri，由式(3)計算對應的位移釋放系數u*，結合洞壁最大位移u0max進而確定隧道前期變形u0a，如圖2所示。

圖2 隧道支護設計新方法示意

3)由式(2)構建圍巖特征曲線(點E為彈—塑性變形的分界點)，依據前期變形u0a在圖2橫坐標上確定支護起始作用位置，進而由特征曲線的交點D得到支護壓力和圍巖穩定變形uD。

2.2 影響因素分析

主要探討中間主應力、圍巖剪脹特性及不同施作距離對支護壓力和圍巖穩定變形的影響特性。取文獻［4］中的隧道算例，圍巖參數為c=1.73 MPa，φ=30°，ν=0.3，E=1.0 GPa，初始地應力p0=10 MPa。

1)中間主應力

圖3給出了剪脹特性參數β=1.5時，統一強度理論參數b取0和1情況下的收斂約束差異，圖中以不同的線條及符號代表不同參數下的情況(圖4和圖5亦用此表示方法)，具體的應用步驟按2.1節進行。由圖3知:不同參數b下的支護起始作用位置及圍巖穩定變形均明顯不同，參數b=0即Mohr-Coulomb準則得到的圍巖穩定變形過于偏大，易造成不必要的設計與施工浪費。參數b=1時的支護壓力也小于參數b=0時的，應考慮中間主應力對圍巖強度提高及其對支護設計的有利作用。

2)圍巖剪脹特性

圖4給出了統一強度理論參數b=0時，剪脹特性參數β取1和3情況下的收斂約束差異。由圖4知:參數β=3時的支護起始作用位置及圍巖穩定變形均明顯大于參數β=1時的，但支護壓力隨著參數β的增加卻略有減小，應考慮剪脹特性對圍巖穩定變形的不利影響。

圖3 中間主應力的影響

圖4 圍巖剪脹的影響

3)不同施作距離

圖5給出了參數b=0，β=3時，2種施作距離x= ri，x=2ri下的收斂約束差異。由圖5知:不同施作距離下的支護壓力及圍巖穩定變形都明顯不同，施作距離x=2ri時的支護壓力小而圍巖穩定變形大，即在距離開挖面后的較遠處進行支護，以增大圍巖變形為代價換來了支護壓力的降低，因而按不同距離處的支護壓力而設計的支護不能隨意改變施作位置，否則將造成支護的強度不足或圍巖發生大變形，甚至支護結構失效以致隧道坍塌。

圖5 支護距離的影響

3 結論

1)本文考慮開挖面空間效應提出了隧道支護設計的新方法，并給出其具體應用步驟。該新方法的關鍵就是由V—D位移釋放系數式(3)結合洞壁最大位移來確定隧道前期變形，即收斂約束分析中橫坐標上的支護起始作用位置。

2)參數分析表明:中間主應力、圍巖剪脹特性及不同施作距離對支護起始作用位置及圍巖穩定變形均有顯著影響，但支護壓力間的差異卻相對較小，應充分考慮這3種因素的綜合影響，合理適時地構筑有效支護，確保支護設計的最優化。

［1］張傳慶，馮夏庭，周輝，等.應力釋放法在隧洞開挖模擬中若干問題的研究［J］.巖土力學，2008，29(5):1174-1180.

［2］CARRANZA-TORRES C，FAIRHURST C.Application of the Convergence-confinement Method of Tunnel Design to Rock Masses that Satisfy the Hoek-Brown Failure Criterion［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，2000，15(2): 187-213.

［3］VLACHOPOULOS N，DIEDERICHSMS.ImprovedLongitudinal Displacement Profiles for ConvergenceConfinement Analysis of Deep Tunnels［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2009，42(2):131-146.

［4］曾開華，鞠海燕，盛國君，等.巷道圍巖彈塑性解析解及工程應用［J］.煤炭學報，2011，36(5):752-753.

［5］俞茂宏.巖土類材料的統一強度理論及其應用［J］.巖土工程學報，1994，16(2):1-10.

New design method of tunnel support considering spatial effect of excavation face

ZENG Kaihua1，HAN Xiaochuan1，ZHANG Changguang2
(1.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Institute of Technology，Nanchang Jiangxi 330099，China; 2.School of Civil Engineering，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710061，China)

T he spatial effect of tunnel excavation face is very important for choosing a reasonable support time.A new design method of tunnel support considering spatial effect of excavation face was introduced by utilizing displacement release coefficient to determine the tunnel deformation of earlier stage，specific application procedures were proposed，and factor influence characteristic was concluded in this paper.T he research results showed that the intermediate principal stress，surrounding rock dilatancy and support distance has a significant effect on initial location of support and stable deformation of the surrounding rock，and the difference among support pressures is relatively small，which means the tunnel support design should not only consider the support pressure but also ensure the effective restrict of surrounding rock deformation.

Spatial effect of excavation face;Support design;Displacement release coefficient;Supporting pressure; Stable deformation of surrounding rock

U451+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.16

1003-1995(2015)05-0062-04

(責任審編孟慶伶)

2014-08-12;

2015-02-26

國家自然科學基金項目(41202191);江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ13753);江西省自然科學基金項目(20142BAB206001)

曾開華(1968—)，男，江西豐城人，教授，博士。