基于安全系數(shù)的隧道二次襯砌支護(hù)設(shè)計新方法

張 偉

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

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基于安全系數(shù)的隧道二次襯砌支護(hù)設(shè)計新方法

張 偉

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

通過Phase2軟件,對圓形隧道開挖過程中圍巖的變形和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了分析，確定了滿足收斂約束法原理的二襯支護(hù)時機(jī)和滿足安全系數(shù)為1.4的支護(hù)方案，并給出了其具體的應(yīng)用步驟，該分析方法為定量設(shè)計和改進(jìn)隧道二襯支護(hù)方案提供了新思路。

隧道，收斂約束法，開挖模擬，安全系數(shù)，支護(hù)方案

在進(jìn)行巖石隧道開挖過程中，原巖應(yīng)力重新分布，為控制和防止應(yīng)力誘導(dǎo)下圍巖的變形和破壞，需要進(jìn)行合理的襯砌支護(hù)。文獻(xiàn)[1]～[7]分別從經(jīng)驗類比、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬等方面提出了隧道開挖過程中支護(hù)的設(shè)計方法，總體來說，采用工程類比方法時，主觀經(jīng)驗占據(jù)主導(dǎo)地位，采用數(shù)值計算方法對支護(hù)方案進(jìn)行驗證和對比選擇時，只考慮了支護(hù)方案的安全性，而忽略了方案的經(jīng)濟(jì)性。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和實際工程，基于虛擬支撐力模擬了隧道的漸進(jìn)掘進(jìn)過程，并通過支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線，最終確定了滿足一定安全系數(shù)的二襯支護(hù)方案，實現(xiàn)了隧道的經(jīng)濟(jì)、安全施工，也為之后類似隧道的現(xiàn)場施工提供參考。

1 二襯施作時機(jī)及其控制

1.1 收斂約束法原理

“收斂—約束”法是國際隧道協(xié)會歸納出的一種解釋圍巖和支護(hù)動態(tài)作用過程的理論和方法。以隧道毛洞內(nèi)壁的徑向位移ur為橫坐標(biāo)，原巖應(yīng)力下作用于洞室內(nèi)壁的徑向壓應(yīng)力σr為縱坐標(biāo)，繪出表示二者關(guān)系的曲線，該曲線稱為收斂線；以支護(hù)外緣的徑向位移ur為橫坐標(biāo)，支護(hù)施加于洞壁的反力pi為縱坐標(biāo)，繪出表示二者關(guān)系的曲線，該曲線稱為約束線。在同一坐標(biāo)平面內(nèi)同時繪出收斂線和約束線，兩條曲線的交點即可作為隧道二次襯砌設(shè)計計算的依據(jù)。其原理可用圖1中的曲線來說明。

圖1中，B點和C點分別表示支護(hù)時間過早和過晚，圍巖壓力較大，相應(yīng)的支護(hù)費用較高，不合理；A點支護(hù)承受的圍巖壓力最小，是二次襯砌的最佳施作時間。圖中下半部分曲線反映洞壁徑向位移的變形速率。從圖中可以看出，F(xiàn)點為開始支護(hù)時間，隨著支護(hù)強(qiáng)度不斷發(fā)展，洞壁徑向位移變形速率基本達(dá)到穩(wěn)定時支護(hù)完成。確定開始支護(hù)時間(F點)是隧道經(jīng)濟(jì)施工的關(guān)鍵，也就是確定F點對應(yīng)的洞壁徑向位移。本文通過數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式法確定開始支護(hù)時的圍巖變形量。

1.2 二襯支護(hù)開始施作時機(jī)

以一開挖半徑為4 m的圓形隧道為例，隧道位于片巖中550 m深處，沿中間主應(yīng)力方向(σ2=25 MPa)開挖，最大主應(yīng)力值和最小主應(yīng)力值分別為30 MPa和15 MPa，分別沿水平和豎直方向。片巖的單軸壓縮強(qiáng)度UCS=50 MPa，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI=50。本次模擬計算以霍克布朗準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則，以支護(hù)斷面為分析面，距離掌子面2 m。建模時，隧道中心到模型邊界的距離取開挖半徑的4倍，對模型邊界施加完全約束。

為了考慮隧道開挖過程中的空間效應(yīng)，本次模擬分10個載荷步，在每一個載荷步對開挖面施加支護(hù)反力，反力系數(shù)分別取1,0.8,0.4,0.2,0.2,0.08,0.04,0.03,0.01,0。模型的加載示意圖如圖2所示。

以隧道拱頂(0,4)為特征點，表1列出了各個載荷步下特征點的變形量。

表1 特征點的變形量

為了確定施作支護(hù)前圍巖的變形量，Vlachopoulos和Diederichs提出了經(jīng)驗公式[8]，該公式對應(yīng)在坐標(biāo)系中的曲線如圖3所示。圖3中，橫坐標(biāo)表示支護(hù)斷面離掌子面距離與隧道半徑之比，縱坐標(biāo)為變形量與最大變形量之比，曲線變量為塑性區(qū)半徑與隧道半徑之比。對模型進(jìn)行分步計算，得到特征點的最大變形量為0.065 m，塑性區(qū)半徑為9.5 m，已知支護(hù)斷面距離掌子面2 m，此時對應(yīng)的曲線和橫、縱坐標(biāo)值如圖3中直線所示，即可得施作支護(hù)時特征點的變形量，為0.44×0.065=0.028 m。

查表1可知，當(dāng)特征點的變形量為0.028 m時，對應(yīng)的反力系數(shù)為0.1，因此應(yīng)該在第5個載荷步對該斷面開始支護(hù)。

2 滿足安全系數(shù)的二襯支護(hù)方案

在有限元軟件Phase2中，對給定的安全系數(shù)，可以繪制出以襯砌的軸向應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，剪應(yīng)力值或彎矩值為橫坐標(biāo)的支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線。支護(hù)完成后，將按照支護(hù)方案計算得到的襯砌內(nèi)力值與支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線進(jìn)行比對，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)上所有位置的內(nèi)力值都落在包絡(luò)線之內(nèi)，則該支護(hù)方案的安全系數(shù)大于設(shè)計值；反之，支護(hù)方案需要改進(jìn)。

本次模擬在第5載荷步開始支護(hù)，要求安全系數(shù)達(dá)到1.4。支護(hù)設(shè)計為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，選擇W100×19.3工字鋼沿隧道邊墻每隔2 m布置，混凝土選C25混凝土，厚度為100 mm，變形模量為25 GPa，泊松比為0.15。

2.1 襯砌內(nèi)力分析

按照上述支護(hù)方案對隧道施加支護(hù)，得到襯砌結(jié)構(gòu)上各個位置的內(nèi)力值與支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線的關(guān)系如圖4所示。圖4分別繪制了安全系數(shù)為1,1.2,1.4的支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線。

從圖4可以看出，襯砌上部分位置的內(nèi)力值落在包絡(luò)線外面，因此該方案不能滿足設(shè)計要求。以100 mm厚混凝土為例，設(shè)置安全系數(shù)范圍為0～1，則包絡(luò)圖上僅顯示安全系數(shù)小于1的點，這些點以及其對應(yīng)在襯砌結(jié)構(gòu)上的位置如圖5所示。從圖5可以看出，安全系數(shù)低于1的位置都集中于拱頂和拱底，這是由于開挖形成采空區(qū)，引起隧道周邊應(yīng)力集中，使得拱頂下沉，拱底向上抬起，容易發(fā)生開裂或塌陷現(xiàn)象。

2.2 方案改進(jìn)

從上述方案的計算結(jié)果可以看出，該方案支護(hù)強(qiáng)度不足，需要改進(jìn)。改進(jìn)支護(hù)方案的方法有，選擇高強(qiáng)度混凝土、工字鋼材料或增大混凝土厚度。以W150×18工字鋼和200 mm厚混凝土對方案進(jìn)行改進(jìn)并重復(fù)上述計算，得到襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力值與支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線的關(guān)系如圖6所示。

從圖6可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)上所有位置的內(nèi)力值都落在安全系數(shù)為1.4的包絡(luò)線內(nèi)部，即此時的支護(hù)結(jié)構(gòu)已完全達(dá)到設(shè)計要求。因此，工程應(yīng)用中，可以通過在數(shù)值軟件中改變支護(hù)參數(shù)實現(xiàn)支護(hù)方案的定量改進(jìn)，并能直觀地判斷改進(jìn)后的支護(hù)是否有效。同時，通過繪制支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線可以快速找出支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱位置，對薄弱位置進(jìn)行特殊施工也可達(dá)到改進(jìn)支護(hù)效果的目的。

3 結(jié)語

本文通過Phase2軟件模擬隧道的開挖支護(hù)過程，從滿足支護(hù)安全系數(shù)考慮，為隧道支護(hù)設(shè)計提供了一個新方法。在本文中，主要得到以下幾個結(jié)論：1)對于本次模擬，虛擬支撐力為0.1倍原巖應(yīng)力時，為開始支護(hù)的最合理時機(jī)。2)通過支護(hù)強(qiáng)度包絡(luò)線可以直觀地判斷襯砌結(jié)構(gòu)的支撐作用是否滿足設(shè)計要求；對于本次模擬，當(dāng)采用W150×18工字鋼，200 mm厚混凝土支護(hù)時，支護(hù)的安全系數(shù)已達(dá)到1.4。3)有限元軟件Phase2可以基于給定的安全系數(shù)判斷支護(hù)方案是否滿足要求，并且能夠準(zhǔn)確捕捉襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱位置，據(jù)此對薄弱位置加強(qiáng)支護(hù)，可以達(dá)到支護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

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A new design method of tunnel secondary lining support based on safety factor

Zhang Wei

(Taiyuan University of Technology, College of Mining Engineering, Taiyuan 030024, China)

This paper uses Phase2 software to analyze the deformation and lining structure internal force of the surrounding rock for a circular tunnel. The secondary lining support timing and the support scheme with 1.4 safety factor are determined based on the convergence constraint method. The analytical method provides a new idea for the design and improvement of the secondary lining support.

tunnel, convergence-confinement method， excavation simulation， safety factor， support scheme

1009-6825(2016)34-0156-03

2016-09-25

張 偉(1961- ),男，碩士，高級工程師

U451.4

A