張叢峰,宋 林,2,羅承平

(1.中鐵一局集團有限公司, 西安 710054; 2.西安建筑科技大學土木工程學院,西安 710055)

1 概述

交通建設發(fā)展至今，隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性的判定標準仍沒有統(tǒng)一的指標。強度折減法已廣泛應用于邊坡和大壩工程中，有限元強度折減法通過對巖土強度參數(shù)的折減使巖土體處于極限狀態(tài)，從而使其顯示潛在的破壞面，并求得安全系數(shù)，在邊坡穩(wěn)定分析中取得了成功[1-3]，證明了有限元強度折減法對于分析圍巖穩(wěn)定問題有很好的適用性。近些年，該方法也逐漸應用于隧道工程中，研究成果對施工方案的選擇和施工階段安全控制具有很好的指導意義[4-6]。

哈大客運專線筆架山隧道是是當今國內斷面最大的高速鐵路隧道，隧道圍巖地質條件往往呈現(xiàn)不均質性、復雜性[7]，以筆架山隧道為研究背景，將有限元強度折減法應用于隧道施工過程的安全研究中，基于ANSYS有限元程序，對改進的CRD法施工過程的安全系數(shù)進行了定量研究，同時對開挖過程中圍巖塑性應變進行了分析，預測改進工法后施工階段圍巖的穩(wěn)定性和破壞形式。

2 安全系數(shù)計算方法

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定極限平衡方法計算安全系數(shù)用公式表示如下

(1)

式中，w，s，τ分別為傳統(tǒng)的安全系數(shù)，滑面上的抗剪強度和實際剪切力。式(1)兩邊同除以w，則變?yōu)?/p>

(2)

式中，w為安全系數(shù)，傳統(tǒng)極限平衡方法是將土體的抗剪強度指標c和φ值降低。

有限元中廣泛采用莫爾-庫倫屈服準則，此時屈服面為一圓形，其表達式如下

式中，F(xiàn)是莫爾-庫倫屈服準則，α，k是與巖土材料黏聚力c和內摩擦角φ有關的常數(shù)，變化不同的α，k值就可在有限元中實現(xiàn)不同的屈服準則。有限元強度折減法通過采用下式定義安全系數(shù)

(6)

用ANSYS有限元軟件對施工過程分析時，巖土的彈塑性主要通過D-P模型考慮，采用莫爾-庫倫等面積圓屈服準則，通過推導，其強度折減形式表示為[5]

(7)

在D-P準則中，有限元強度折減法可通過c和tanφ值進行折減，進而編程輸入有限元程序，對有限元模型進行迭代計算，若計算收斂則進一步增大折減系數(shù)，直至計算不收斂為止。臨界破壞狀態(tài)下的折減系數(shù)即為安全系數(shù)w。對施工開挖過程每個階段進行有限元安全系數(shù)計算時，對開挖過程逐步依次進行參數(shù)折減，直至試算出折減系數(shù)。開挖過程中，當進行下一步開挖工序的安全系數(shù)試算時，上一步開挖工序的計算參數(shù)將恢復為原值。

3 有限元強度折減法應用

3.1 概況

筆架山隧道全長345 m，最大埋深為31 m，穿越巖層為石英砂巖、泥頁巖，其中Ⅲ級圍巖159 m，Ⅳ級圍巖186 m，隧道按Ⅳ級圍巖防護。筆架山隧道是國內同類隧道中開挖面積最大的隧道，為保證施工安全，原開挖方案采用 CRD 法施工，如圖1(a)所示，由于CRD法廣泛應用于軟巖大斷面隧道，當在硬巖中采用該方案時，嚴重影響了施工進度。因此，研究人員對原方案進行了優(yōu)化了，提出了改進的CRD施工方案，如圖1(b)所示，如下所述：

(1)中隔壁改為豎撐，初支工字鋼型號不變，取消噴射混凝土；

(2)臨時仰拱改為水平支撐，不噴射混凝土，由原設計的I20a改為I25a，并做好縱向連接。

圖1 隧道施工方案(單位：mm)

施工工序如圖2所示。

圖2 隧道開挖工序

3.2 有限元模型

隧道開挖后的應力、應變影響范圍僅在隧道周圍距隧道中心點3～5倍開挖寬度[8，9]，因此有限元模型橫向寬度取102 m，高度取80 m，考慮隧道最大埋深為31 m。

有限元建模時，圍巖采用平面PLANE42單元模擬，考慮圍巖的彈塑性，選用Drucker-Prager模型(D-P模型)，錨桿采用Link1單元模擬，初期支護混凝土和二襯混凝土均采用PLANE42單元模擬，格柵鋼構架采用Beam3梁單元模擬。邊界條件：模型兩側邊界施加X方向約束，模型底邊界施加Y方向約束。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

3.3 材料參數(shù)

圍巖按Ⅳ級圍巖參數(shù)進行選取，支護設計參數(shù)依據(jù)設計文件和《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2001)[10]選取，詳見表1和表2。

表1 隧道圍巖參數(shù)

表2 支護結構參數(shù)

3.4 工況

圍巖開挖后，巖體應力重新分布，為體現(xiàn)圍巖變形的時間效應，將圍巖地應力按照施工過程分為幾步逐步釋放[4]。圍巖較好時，初期支護取大值，二次襯砌取小值。根據(jù)實際的圍巖情況，數(shù)值計算時，毛洞開挖釋放應力：初期支護釋放應力：二次襯砌后釋放應力=0.5∶0.25∶0.25。依據(jù)改進CRD法施工開挖工序，數(shù)值分析時共9個施工步。

施工步驟：(1)超前支護，①工序開挖；(2)①部初期支護；(3)超前支護，③工序開挖；(4)③工序初期支護，支護40 m后，架設橫向支撐。(5)超前支護，②工序開挖；(6)②部初期支護；(7)超前支護，④工序開挖；(8)④部初期支護；(9)仰拱填筑，二次襯砌支護。

施工開挖過程中，通過圍巖的穩(wěn)定性決定某一工況是否安全，采用有限元強度折減法通過對巖土體的強度指標進行折減，當強度指標折減至隧道圍巖不收斂時的折減系數(shù)即是該工況下的安全系數(shù)。

4 計算結果分析

4.1 等效塑性應變

采用改進CRD施工開挖方案，圖4～圖8為不同開挖工序下圍巖強度折減至破壞時的等效塑性應變圖。

圖4 區(qū)域①等效塑性應變

圖5 區(qū)域③等效塑性應變

圖6 區(qū)域②的等效塑性應變

圖7 區(qū)域④的等效塑性應變

圖8 二襯支護后的等效塑性應變

由圖5～圖8分析可得，筆架山隧道埋深淺，在Ⅳ級圍巖下，洞頂處的圍巖塑性區(qū)較少，隧道洞頂穩(wěn)定。

由開挖區(qū)域①和③分析可得，圍巖的失穩(wěn)形式以局部失穩(wěn)為主，主要出現(xiàn)在右拱腰和左拱腰位置。

由開挖區(qū)域②分析可得，圍巖的失穩(wěn)形式以局部失穩(wěn)為主，出現(xiàn)右拱腰和左拱腰位置。

由開挖區(qū)域④分析可得，隨著隧道一個斷面的開挖逐漸結束，圍巖的失穩(wěn)形式接近整體失穩(wěn)，出現(xiàn)在拱腰和拱腳位置。

開挖結束施作二襯后，由圖8可得，隧道的安全系數(shù)很高，通過圍巖強度的折減，塑性區(qū)產(chǎn)生在隧道底部不遠處的圍巖，即該工況下圍巖和隧道的整體性能已較好。

4.2 安全系數(shù)動態(tài)變化

結合改進CRD法開挖工藝，安全系數(shù)的動態(tài)變化曲線見圖9。

圖9 施工開挖過程安全系數(shù)

由圖9分析可得，安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在第三步開挖工序，即開挖隧道區(qū)域③時的施工工序，安全系數(shù)為2.7。第三步開挖施工步之后，安全系數(shù)隨著開挖過程逐漸增大。

施作初期支護后，隧道的整體性增強，安全度增大，初期支護及時閉合有利于隧道的安全，對穩(wěn)定圍巖有較大作用。

施作二襯后隧道的安全系數(shù)很高，值為13.2，有很高的安全儲備。

5 結論

以哈大客運專線筆架山隧道為研究背景，考慮圍巖-結構的相互作用，對筆架山隧道所采用的改進CRD開挖方案進行了全程動態(tài)安全度研究，分析了每步開挖工序下圍巖的穩(wěn)定性和失穩(wěn)形式，為隧道的安全、合理施工提供了技術支持，同時對類似隧道工程有較大的參考價值。結合數(shù)值分析可得如下結論。

(1)筆架山隧道埋深淺，在Ⅳ級圍巖下，洞頂處的圍巖塑性區(qū)較少，隧道洞頂穩(wěn)定。

(2)施作初期支護后，隧道的整體性增強，安全系數(shù)增大，安全度更高，初期支護及時的閉合有利于隧道的安全，對穩(wěn)定圍巖有較大作用。

(3)隧道前3個區(qū)域的開挖過程中，圍巖的失穩(wěn)形式以局部失穩(wěn)為主，主要出現(xiàn)在右拱腰和左拱腰位置，隧道最后一個區(qū)域的開挖過程中，圍巖的失穩(wěn)形式接近整體失穩(wěn)，失穩(wěn)出現(xiàn)在拱腰和拱腳位置。

(4)安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在第三步開挖工序，即開挖隧道區(qū)域③時的施工工況，安全系數(shù)為2.7。第三步開挖之后，安全系數(shù)隨著開挖過程逐漸增大。

(5)隧道施作二襯后，安全系數(shù)很高，有較高的安全儲備。

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