支護時機對圍巖穩定性的影響研究

張國平（鐘山職業技術學院土木與環境工程學院，江蘇 南京 210049）

支護時機對圍巖穩定性的影響研究

張國平（鐘山職業技術學院土木與環境工程學院，江蘇 南京 210049）

隨著地下洞室的開挖，洞周初始地應力得到釋放，圍巖發生變形。作者通過采用考慮地應力釋放率，建立三維FLAC3D數值模擬模型，以摩爾-庫侖強度準則為屈服條件，考慮開挖過程中不同的支護時機對隧洞圍巖穩定性的影響，分析比較圍巖應力、塑性區、位移及錨桿軸力隨地應力釋放率的變化規律，以充分發揮圍巖和支護的共同承載能力。

支護時機；圍巖；穩定性；數值模擬

1 引 言

隨著地下工程建設的蓬勃發展，及影響洞室穩定性地質條件的復雜性和難以預測性，使得地下洞室圍巖穩定性分析成為了地下工程設計和施工的主要問題。為了防止地下洞室在開挖過程中發生坍塌、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、支護時機、襯砌結構類型等影響圍巖穩定性的因素。其中，支護的施加時機起著關鍵的作用，如何在設計與施工中考慮不同的支護時機是一個值得探討的問題。合理的支護時機，可以限制圍巖變形的發展，調整巖土體的內力重分布，充分發揮支護結構的承載力。

2 FLAC3D三維數值分析軟件［1］

FLAC3D三維數值模擬軟件采用的是快速拉格朗日方法，可實現對巖石、土和支護結構等建立三維模型，并在邊坡穩定性分析、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結構分析、地震工程及礦山巖石爆破研究、地下洞室開挖設計與施工等巖土工程數值模擬計算方面得到了廣泛的應用。

FLAC3D內置了零模型、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。每種模型對應一種特殊類型的巖土材料本構特性，學者可以使用 FLAC3D中內置的模型，也可以使用FLAC3D自帶Fish編程語言來創建自己的模型。

3 莫爾-庫侖（Mohr-coulomb）屈服準則

莫爾-庫侖屈服準則體現了巖土材料壓剪破壞的實質，所以在巖土工程界得到了廣泛的應用。

4 支護時機對圍巖穩定性的影響分析

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

模擬計算參數 表1

在地下洞室開挖支護施加過程中，確定應力釋放率是一個非常復雜的問題，其影響因素較多，如洞室的設計尺寸、支護時機、開挖方法、支護形式、洞室埋深等。圍巖支護前需釋放多少應力是個關鍵問題，應力釋放太多會導致來不及支護，而應力釋放太少的話有可能使得巖體內部能量產生集聚，從而有可能使得支護結構荷載較大而發生破壞。所以，考慮到圍巖本身有一定的自穩能力，分析在應力釋放率 40%～80%時進行施加支護，分析圍巖應力、塑性區、位移及錨桿軸力隨地應力釋放率的變化規律，為地下洞室開挖支護的設計、施工提供一定的理論和工程實踐借鑒作用。

根據表3的模擬計算結果，隨著應力釋放率的增加，大、小主應力變化幅度都不大，尤其是小主應力的變化幅度很微小，即支護時機對洞周的應力大小影響不明顯。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，圍巖中的應力釋放一定程度的話不僅有利于改善巖體的穩定性，又能充分發揮支護結構的承載力。

錨桿設計參數表 表2

圍巖應力計算結果 表3

對于圍巖塑性區，支護施加后塑性區分布范圍明顯減小，在應力釋放率小于70%時，塑性區范圍變化幅度不大，一般在 4～6m之間，而在應力釋放率超過70%時塑性區范圍為6～8m之間。很顯然，隨著支護時機的推遲，圍巖塑性區的范圍將增大，在應力釋放率40%～70%時，錨桿穿越了塑性區錨固在彈性區，但到80%應力釋放率時，錨桿不僅穿越了塑性區且超過了彈性區。

同時，根據 FLAC3D數值模擬計算結果可知，不同支護時機對圍巖變形影響較大，洞周的變形如頂拱下沉位移、底部回彈位移與側墻位移顯然隨著支護時機的推遲而增大。而且隧洞頂拱的位移較底部回彈位移、側墻位移影響較為明顯。其中，洞室底部位移影響最小，尤其在應力釋放率 70%變化到 80%時，變化幅度微小。

從錨桿最大軸力模擬結果看出，錨桿軸力隨著應力釋放率的增加變化顯著，特別是應力釋放率從60%變化到 50%時，錨桿軸力變化幅度最大，增大了49.5kN。顯然，隨著應力釋放率的降低錨桿所承受的荷載將增加，即支護施加太早的話，錨桿將承受更大的荷載，有可能由于支護結構受力超過自身設計強度而失效。

5 結 論

顯然，隧洞開挖過程中，通過施加支護后，圍巖應力集中程度有所減緩，但支護時機導致應力變化的幅度較小。支護對隧洞圍巖變形的控制作用十分顯著，而且隨著支護時機的滯后，圍巖塑性區的范圍將增大，洞周各部位變形量也隨之增大。同時，錨桿的軸力隨著應力釋放率的減少增加幅度較大，因此應正確掌握支護時機，以免支護結構發生破壞。

洞室開挖會使得洞周初始地應力釋放，圍巖應力重新分布，圍巖發生變形。為避免開挖施工過程中發生事故，在地下洞室開挖過程中必須進行合理的進行支護，選擇恰當的支護時機，以充分發揮圍巖的自穩能力，避免支護承受過大的荷載而發生破壞，發揮支護和圍巖的共同承載能力，形成統一承載體。

［1］劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南［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時機與參數設計研究［J］.金屬礦山，2008（2）.

［3］張社榮，梁禮繪.考慮三維應力旋轉的隧洞襯砌支護時機研究［J］.水利學報，2007，38（6）.

［4］崔金鵬，蘇凱，常智慧，周亞峰.深埋TBM隧洞圍巖穩定雨襯砌支護時機研究［J］.水電與新能源，2015，133（7）.

U451+.2

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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方面的教學工作。