唐 勃

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 引言

特征曲線法是用于隧道設(shè)計的一種基本方法，它的應(yīng)用原理不僅吸收了巖體力學(xué)的基本研究成果，并且改變了過去一直沿用經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)進行隧道設(shè)計計算的現(xiàn)狀[1]。但是限于彈塑性力學(xué)的基本原理和對圍巖介質(zhì)的基本假設(shè)，致使圍巖特征曲線只有圓形斷面才有解析解，這使得特征曲線法在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用受到很大限制。雖然對于非標準圓形的隧道斷面，可以將其近似轉(zhuǎn)化成圓形斷面，但是這種轉(zhuǎn)化會必定產(chǎn)生誤差，加之解析解中忽略了圍巖軟化、中間應(yīng)力、剪脹和塑性區(qū)較小彈性模量等的影響，因此對非標準圓形斷面隧道的圍巖特征曲線采用解析解是不可取的[2～3]。本文采用數(shù)值模擬的方法，模擬大瑤山隧道的工程實際情況，通過控制圍巖應(yīng)力釋放率，得出不同圍巖應(yīng)力對應(yīng)的洞周位移并擬合得到圍巖特征曲線。結(jié)合擬合出來的曲線，通過確定不同的初支施作時機確定支護曲線。然后對隧道初期支護進行設(shè)計并驗算其安全性，論文研究方法對特征曲線法的實際應(yīng)用具有一定參考價值。

2 特征曲線法原理

特征曲線法起源于法國，又稱“收斂—約束”法[4]。該方法的基本原理是確定圍巖特征曲線和支護特性曲線，并通過二者的相交來確定隧道支護體系的最佳狀態(tài)。該方法的關(guān)鍵步驟是正確擬合這兩條曲線的基本趨勢及其相關(guān)因素對曲線走勢的影響以及由二者相互作用下所決定的最佳支護平衡條件。

2.1 圍巖特征曲線的確定

2.2 支護限制線的確定

根據(jù)不同支護材料的支護剛度計算公式，通過不同的支護組合形式，即可確定初期支護的支護剛度，物理意義表征支護特性曲線的斜率。然后在圍巖特征曲線上選定不同的圍巖初始位移或限定設(shè)計支護壓力(實質(zhì)是選擇不同的支護時機)，便可確定支護特征曲線。

采用的支護組合形式不同，就會有不同的組合剛度。一般情況下剛度系數(shù)的計算式為K=K1+K2+K3。

3 大瑤山隧道圍巖特征曲線的確定

3.1 工程概況

大瑤山隧道位于湘粵交界南嶺山脈南麓的瑤山地區(qū)，下穿獅子山最高峰，起訖里程為DK1908+264～DK1918+345，隧道全長10081 m，為全線最長的隧道，也是國內(nèi)目前建成高鐵項目中唯一特長隧道。

本文以大瑤山隧道DK1910+185～DK1910+290區(qū)間段為模擬對象，該區(qū)間隧道埋深344 m～385 m，圍巖級別Ⅴ級。

3.2 有限元模型建立

該區(qū)間隧道最大跨徑14.86 m，高程12.54 m。采用平面彈塑性有限元進行數(shù)值模擬，圍巖視為服從Mohr-Coulomb準則的理想彈塑性體，原始地應(yīng)力只考慮重力場的作用，用Plane42單元進行模擬。左右邊界至洞周的距離定為45 m，約為隧道跨徑的3倍，計算埋深350 m，上邊界至洞頂距離40 m，其余土壓力用邊界應(yīng)力代替。模型建立不包括初期支護，通過在隧道開挖洞周施加不同大小的反向壓力模擬圍巖壓力的釋放過程。

3.3 計算依據(jù)及參數(shù)選擇

Ⅴ級圍巖參數(shù)指標按照大瑤山隧道地質(zhì)勘察資料取值，如表1所示。計算模型及其網(wǎng)格劃分如圖1所示。

表1 Ⅴ級圍巖計算參數(shù)

圖1 計算模型及網(wǎng)格

3.4 計算結(jié)果

提取不同圍巖壓力釋放率下拱頂節(jié)點的徑向位移μ和圍巖徑向應(yīng)力Pi，部分數(shù)據(jù)如表3所示。以μ為橫坐標，Pi為縱坐標，對二者的關(guān)系進行擬合，結(jié)果如圖2所示。

圖2 圍巖特征曲線擬合

由圖3結(jié)果可知，當(dāng)圍巖洞周位移小于15 mm時，圍巖處于彈性狀態(tài)，圍巖壓力與位移呈直線關(guān)系。隨后圍巖進入塑性區(qū)，隨圍巖壓力釋放位移變化率增大。

4 隧道支護壓力的確定

特征曲線法的支護原理是初期支護結(jié)構(gòu)限制圍巖的過度變形，同時允許圍巖發(fā)生一定變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。支護壓力的確定實質(zhì)上是不同支護時機的選擇，如果緊隨施工開挖的進行施作初期支護，此時只有小部分圍巖內(nèi)部壓力釋放出來，洞周圍巖的徑向位移也較小，但是會造成支護體系最終的支護壓力和支護變形較大，對支護結(jié)構(gòu)的安全不利。反之，如果初期支護滯后開挖一段時間后再進行，即允許圍巖壓力釋放一部分，這樣最終支護壓力和變形就會相對較小，因而可以滿足支護的安全性和經(jīng)濟性。但是滯后時間的確定很關(guān)鍵，因為圍巖塑性區(qū)發(fā)展到一定程度后就會產(chǎn)生松動壓力，如果滯后時間過長可能造成隧道坍塌。

受捐人資產(chǎn)信息真實度易遭質(zhì)疑，眾籌門檻低。輕松籌平臺對于受捐人所籌錢款數(shù)目是否合理沒有相應(yīng)的衡量標準，所能獲得的信息均由受捐人主動提供，平臺的審核較為被動。筆者在輕松籌軟件上隨機抽取了若干名受捐人，對其發(fā)布的家庭資產(chǎn)信息進行統(tǒng)計，超過半數(shù)的家庭資產(chǎn)不詳或無資產(chǎn)，有些家庭資產(chǎn)不符合市場行情也沒有說明情況。

張常光[3]等人將初期支護假設(shè)為理想彈塑性材料組成的具有固定剛度的均質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)，在開挖面后方2倍寬度處施作初期支護，此時對應(yīng)的位移釋放系數(shù)約為85%，據(jù)此在圍巖壓力特征曲線上確定支護作用的起始位置。

5 初期支護設(shè)計及其安全性評價

5.1 初期支護設(shè)計

首先按照工程類比法進行初期支護設(shè)計，支護參數(shù)如表2～表4所示，計算各支護材料的支護剛度。組合支護剛度K=K1+K2+K3。結(jié)合在圖3中選取支護設(shè)計壓力，設(shè)橫坐標為圍巖徑向位移與洞徑的比值，縱軸為支護壓力與未受開挖影響處的圍巖壓力的比值為縱坐標，繪制二者的關(guān)系圖，如圖3所示。圖中①②③線的斜率表征的物理意義是支護剛度，與橫軸的交點表示支護施做時圍巖已發(fā)生的位移值與洞徑的比值。

表2 支護材料計算參數(shù)

表3 錨桿計算參數(shù)

表4 鋼拱架計算參數(shù)

圖3 不同圍壓釋放率下的支護曲線

5.2 初期支護安全性評價

利用荷載結(jié)構(gòu)法對初期支護進行安全性評價。用Beam3單元模擬初期支護，三種不同的支護時機通過施加不同的圍巖壓力實現(xiàn)，用徑向彈簧模擬圍巖與初期支護之間的作用關(guān)系。錨桿和鋼架的支護作用等效到噴射混凝土之中。圍巖位移釋放率70%時的彎矩圖見圖4。

圖4 70%圍壓釋放率時初支彎矩圖

表5 三種支護壓力下初支安全性評價

由計算結(jié)果可得，三種支護壓力下的初期支護設(shè)計結(jié)構(gòu)均能滿足安全系數(shù)大于2.0的設(shè)計要求，且在選定范圍內(nèi)圍巖位移釋放率越大(即支護時機越滯后)，初支結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)越高。

6 結(jié)論及展望

(1)非圓形斷面隧道運用特征曲線法進行支護設(shè)計時，可以運用數(shù)值模擬的方法，提取洞周應(yīng)力和相應(yīng)位移，擬合圍巖特征曲線，擬合結(jié)果較為理想，優(yōu)于將斷面作近似轉(zhuǎn)化的方法。

(2)運用特征曲線法進行隧道支護設(shè)計，在確定圍巖特征曲線之后，可以通過控制圍巖初始變形或者初始支護壓力結(jié)合支護剛度確定支護特性曲線，兩條曲線的交點為支護依據(jù)。

(3)關(guān)于噴射混凝土支護剛度隨齡期變化有待進一步深入研究，以便得出更符合實際情況的支護特征曲線，對特征曲線法的優(yōu)化和推廣應(yīng)用意義重大。

[1]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.174-189.

[2]張素敏，宋玉香，朱永全.隧道圍巖特征曲線數(shù)值模擬與分析[J].巖土力學(xué)，2004，25(3).

[3]張常光，趙均海，張慶賀.基于統(tǒng)一強度理論的深埋圓形巖石隧道收斂限制分析[J].巖土工程學(xué)報，2012，34(1).

[4]孫鈞，侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，1991.273-284.