兩水隧道初期支護安全長度研究

鞠 森 森

(陜西工業職業技術學院土木工程學院，陜西 咸陽 712000)

兩水隧道初期支護安全長度研究

鞠 森 森

(陜西工業職業技術學院土木工程學院，陜西 咸陽 712000)

基于兩水隧道工程實例，從圍巖穩定性入手，利用Ansys通用有限元軟件建立了有限元分析模型，通過不同初期支護長度數值模擬分析，對隧道初期支護安全長度提出了建議，可以為隧道設計與施工提供一定的理論參考。

隧道，強度發揮系數，初期支護，數值模擬

從20世紀90年代開始，新奧法在我國隧道設計和施工中得到了非常廣泛的應用。復合式襯砌支護的基本原理在于：充分利用圍巖的自身承載能力；增強圍巖強度，均衡圍巖的應力分布；利用現場監控量測數據反饋到施工上。其中初期支護基本由噴射混凝土，錨桿鋼拱架等多種支護形式組合而成，對隧道的安全性和穩定性有著重要的作用。目前對于隧道施工過程中支護穩定性和安全性的研究主要集中在對二次襯砌的研究上，對初期支護穩定性方面的研究不多，且大多采用基于支護位移的分析方法[1]。當隧道在僅有初期支護的情況下繼續施工時，一旦施工距離過長很可能會對圍巖穩定產生不利影響，從而導致隧道安全性受到影響。本文借助Ansys通用有限元軟件,對在僅有初期支護的條件下，Ⅳ級圍巖雙線隧道斷面不同長度下圍巖穩定性進行比較分析，根據不同長度下的圍巖強度發揮系數S.M.F.進行對比，提出在進行隧道施工時的初期支護安全長度，為隧道設計與施工提供一定的理論參考。

1 計算理論

1.1 圍巖的強度發揮系數S.M.F.

強度發揮系數是用來表示所研究材料強度發揮程度的參數[2]。采用有限元法計算得到圍巖各單元高斯點上的應力σx，σy，τxy，根據下式可求得各高斯點的主應力和主應力方向：

參照M-C準則計算，可得圍巖的強度發揮系數S.M.F.表達式為：

當S.M.F.>0.8時，圍巖進入擾動區，安全性轉差；當S.M.F.>1時,圍巖進入塑性區[3]，易發生破壞。

1.2 強度發揮系數S.M.F.在Ansys軟件下的實現

Ansys軟件中采用的默認屈服準則，為M-C不等角六邊形外接圓D-P屈服準則，實踐證明該準則與傳統M-C屈服準則的計算結果相比有較大誤差，如果使用該準則近似代替M-C屈服準則進行強度發揮系數的計算，計算誤差過大。因此，本文采用徐干成、鄭穎人于1990年針對三維空間問題提出的Mohr-Coulomb等面積圓D-P準則。

D-P準則是M-C準則的一種特殊形式，該準則下的屈服面不隨材料的屈服而改變，所以沒有強化準則，其計算效率較高，故在目前的常見大型有限元計算軟件中均采用了D-P屈服準則而非M-C準則。其通用數學表達式為：

在Mohr-Coulomb等面積圓D-P準則中系數α,k的表達式如下：

計算表明該準則不僅便于有限元數值計算，而且其計算結果與M-C準則十分接近[4]，故在本文中采用該準則在Ansys下進行強度發揮系數的計算。

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白龍江左岸中山區，地形較為陡峻，隧道穿越剝蝕中低山地貌，絕對高程170 m～700 m，自然坡度一般為10°～45°，隧道最大埋深346 m,隧道進口里程為DK357+082，出口里程為DK362+084，隧道全長4 922.35 m，其中Ⅳ級圍巖段總長1 260 m。兩水隧道施工區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、秦嶺高中山區，高程多在1 500 m～3 200 m之間，相對高差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。隧道范圍內巖層主要為千枚巖夾板巖、炭質千枚巖夾板巖、灰巖等。

3 三維數值模擬分析模型的建立

1)計算模型：選取兩水隧道Ⅳ級圍巖雙線鐵路隧道相關參數，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三維實體單元進行,初期支護采用Shell63單元模擬，圍巖與錨桿加固區采用Solid45單元模擬，將隧道附近網格加密以加強計算精度。

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.計算參數：選取隧道模擬圍巖物理參數如表1所示。c.計算工況：隧道采用兩臺階法開挖，選取縱向(Z方向，以面向隧道方向為負)長度分別為12 m，15 m，18 m和21 m的四種工況進行對比分析。

表1 材料力學參數

4 數值模擬結果分析

不同初期支護長度隧道圍巖強度發揮系數S.M.F.云圖，四種不同初期支護長度下，隧道圍巖強度發揮系數數值計算結果如表2所示。

表2 不同初期支護長度圍巖強度發揮系數

由表2可以看出，四種情況下圍巖強度發揮系數均小于1.00，說明四種情況下圍巖均不會進入塑性區發生破壞。但是當連續初期支護長度達到21 m時，圍巖強度發揮系數已經達到0.84，大于0.8，圍巖進入擾動區，隧道的施工安全性趨于變差，繼續開挖很容易造成破壞。同時，當連續初期支護長度達到21 m時，圍巖強度發揮系數達到0.79已經很接近0.8。因此該Ⅳ級圍巖雙線鐵路隧道初期支護安全長度不宜大于18 m。

5 結語

1)合理的初期支護安全長度是隧道工程施工安全的重要保障。經過數值模擬計算得出的初期支護安全長度可以將隧道施工對隧道周邊圍巖的影響限制在可接受的范圍之內，保證隧道施工能夠安全快速地進行,對兩水隧道的安全施工提供一定的理論指導。

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

3)圍巖強度發揮系數S.M.F.在隧道施工的圍巖和支護結構安全性評價中，其能夠提供的綜合性信息是傳統的評價指標所不能提供的，且在理論上具有合理性，為隧道支護結構安全性評價提供了直觀的量化分析手段。

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

[2] 潘昌實.隧道力學數值方法[M].北京：中國鐵道出版社，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分析[J].巖石力學與工程學報，2007，26(2)：292-299.

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

[5] 于學馥，鄭穎人，劉懷恒,等.地下工程圍巖穩定分析[M].北京：煤炭工業出版社，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