強(qiáng)度折減法在評(píng)價(jià)鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性問題中的應(yīng)用探討

孫長升

摘 要 強(qiáng)度折減法通過對(duì)巖土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行不斷折減，最終使巖土體處于極限狀態(tài)，并求得穩(wěn)定安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法首先在邊坡穩(wěn)定分析中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，強(qiáng)度折減法在隧道工程中也逐漸被引入應(yīng)用研究。通過建立數(shù)值計(jì)算模型，通過分析不同級(jí)別圍巖在不同強(qiáng)度折減系數(shù)條件下鐵路隧道掌子面拱頂沉降和水平位移變化得到其穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的應(yīng)用進(jìn)行了探討，可為以后進(jìn)行鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了新思路，新方法。

關(guān)鍵詞 鐵路隧道 強(qiáng)度折減法 圍巖穩(wěn)定性 安全系數(shù)

Abstract Strength reduction method is a way in which strength parameters of rock and soil are reduced continuously and make rock and soil reach the ultimate limit state and get the safety factor of stability. Strength reduction method is widely used in slope stability analysis. In recent years， the strength reduction method has also been applied in some tunnel engineering. Analyze the change of vault settlement， extrusion deformation， and horizontal displacement of railway tunnel face in surrounding rock of different level and different strength reduction factor， discuss the application of strength reduction method in assessment of stability problem in railway tunnel by numerical model. It gives a new idea and a new way to estimate the stability of railway tunnel in the future.

Keywords railway tunnel； strength reduction method； stability of the surrounding rock； safety factor

0 引言

一直以來，隧道圍巖的穩(wěn)定性一直是工程界研究的重點(diǎn)之一。一方面，隧道等地下工程處在圍巖中，而圍巖又異常復(fù)雜。地應(yīng)力、地質(zhì)結(jié)構(gòu)，圍巖的力學(xué)性質(zhì)、地下水等因素均會(huì)對(duì)隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，有時(shí)甚至是決定性影響；另一方面，設(shè)計(jì)施工中的工程因素如開挖斷面形狀、開挖工序、施工方法等也會(huì)對(duì)隧道穩(wěn)定性造成影響。這就給隧道圍巖穩(wěn)定性判別帶來困難。①

目前關(guān)于隧道圍巖穩(wěn)定性的研究方法主要有極限分析法、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測、強(qiáng)度折減法等。②③④⑤

強(qiáng)度折減法通過對(duì)巖土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行不斷折減，最終使巖土體處于極限狀態(tài)，并求得穩(wěn)定安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法首先在邊坡穩(wěn)定分析中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，強(qiáng)度折減法在隧道工程中也逐漸被引入實(shí)際應(yīng)用研究。⑥

本文通過數(shù)值計(jì)算模型，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2005）相關(guān)內(nèi)容，對(duì)采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的應(yīng)用進(jìn)行探討，為以后進(jìn)行鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了新思路，新方法。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

有限差分計(jì)算模型如圖1所示。隧道斷面尺寸以時(shí)速160km/h鐵路隧道斷面為例，開挖跨度13m。模型上部邊界為自由面，側(cè)面邊界施加垂直于邊界方向的位移約束，底部邊界施加三向位移約束。隧道開挖考慮土層的自重荷載。對(duì)于深埋情況，在模型上邊界加以均布面力來模擬深埋情況（本次計(jì)算深埋取埋深100m）。

1.2 本構(gòu)模型及強(qiáng)度折減法

（1）以特征點(diǎn)處的位移（如邊坡工程采用坡頂點(diǎn)豎直方向的位移及坡腳點(diǎn)水平方向的位移） 是否突變作為失穩(wěn)判據(jù)；

（2）以廣義塑性應(yīng)變或者等效塑性應(yīng)變（如邊坡工程采用從坡腳到坡頂貫通）作為破壞的標(biāo)志；

（3）以有限元計(jì)算不收斂作為判據(jù)。

本次計(jì)算取第一種，即以特征點(diǎn)處的位移是否突變作為失穩(wěn)判據(jù)。

1.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型圍巖級(jí)別取Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三種圍巖級(jí)別。計(jì)算參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2005）中的關(guān)于各級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值范圍取值，見表1。

不同強(qiáng)度折減安全系數(shù)下的計(jì)算參數(shù)根據(jù)式1和式2計(jì)算后取值。

1.4 計(jì)算過程

模擬計(jì)算中以全斷面開挖為例進(jìn)行分析。通過不斷增大強(qiáng)度折減系數(shù)逐一對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行開挖計(jì)算。模型計(jì)算收斂后，以模型掌子面拱頂沉降、邊墻水平位移和掌子面的擠出變形作為特征點(diǎn)的特征位移，提取每一級(jí)強(qiáng)度折減系數(shù)下的特征位移值，以便進(jìn)行分析。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)增大到某一值后，計(jì)算模型將不再收斂。

提取各個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)下模型特征點(diǎn)的位移，得到的計(jì)算結(jié)果如下。

2 計(jì)算結(jié)果

埋深為100m情況下各圍巖級(jí)別隧道模型特征點(diǎn)的位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化見圖2～圖4。

根據(jù)深埋情況計(jì)算模型得到的各級(jí)圍巖隧道特征點(diǎn)位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化的結(jié)果可以看出：

（1）各級(jí)圍巖隧道特征點(diǎn)的位移均隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大而增大。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)增大到一定值后，特征點(diǎn)的位移急劇增大，計(jì)算不收斂。

（2）各級(jí)圍巖隧道掌子面擠出變形遠(yuǎn)大于拱頂沉降及邊墻水平位移，拱頂沉降略大于邊墻水平位移。

（3）埋深為100m情況Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖級(jí)別隧道分別在強(qiáng)度折減系數(shù)達(dá)到5.2、2.8和1.6后計(jì)算結(jié)果不再收斂。所以埋深為100m情況Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖隧道的穩(wěn)定安全系數(shù)分別為5.2、2.8和1.6。

3 結(jié)論及建議

本文建立數(shù)值計(jì)算模型，采用強(qiáng)度折減法對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)速160km/h斷面的鐵路隧道深埋條件下的各級(jí)圍（下轉(zhuǎn)第66頁）（上接第56頁）巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究，主要得到如下結(jié)論和建議：

（1）在不考慮構(gòu)造應(yīng)力的條件下，掌子面擠出變形遠(yuǎn)大于拱頂沉降和邊墻水平位移，說明保證掌子面的穩(wěn)定性是控制隧道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

（2）圍巖級(jí)別較差的隧道施工中更應(yīng)注意保護(hù)圍巖，減少外界擾動(dòng)造成的圍巖強(qiáng)度降低。

（3）對(duì)鐵路隧道穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同種工況下采用強(qiáng)度折減法能夠得到一個(gè)精確且唯一的穩(wěn)定安全系數(shù)，相對(duì)于現(xiàn)場監(jiān)測等傳統(tǒng)方法的不確定性具有一定優(yōu)勢(shì)，給未來進(jìn)行鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了新方法。

注釋

① 賈蓬，唐春安，楊天鴻，李連崇.RFPA 強(qiáng)度折減法在巖石隧道穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2007.29（3）：50-55.

② Lee I M， Nam S W， Ahn J H. Effect of seepage forces on tunnel face stability[J]. Canadian Geotechnical Journal，2003.40（2）：342-350.

③ 許模，肖維，毛邦燕等.圓梁山隧道毛壩向斜段巖溶作用強(qiáng)度模擬研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010.25（2）：36-39.

④ 蘇永華，張鵬，李翔.基于Kriging 算法的隧道襯砌穩(wěn)定可靠度分析[J].公路交通科技，2009.26（12）：62-68.

⑤ 張志強(qiáng)，蘇江川，姜元俊.馬王槽主隧道與橫通道交叉部施工受力特征數(shù)值模擬分析[J].公路交通科技，2007.24（1）：109-113.

⑥ 鄭穎人，沈珠江，龔曉南.巖土塑性力學(xué)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

⑦ 褚雪松，龐峰，李亮，等.邊坡穩(wěn)定有限元強(qiáng)度折減法與極限平衡法對(duì)比[J].人民黃河，2011.33（10）：93-95.

⑧ 趙尚毅，鄭穎人，時(shí)衛(wèi)民，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002.24（3）：343-346.