引言

鐵路工程隧道建設(shè)中，由于小凈距隧道凈距小，隧道圍巖穩(wěn)定性受中夾巖柱穩(wěn)定的影響較大，選擇合理的凈距，可以有效的加固中夾巖柱保證其穩(wěn)定性。因?yàn)橛绊懶艟嗨淼篮侠韮艟嗟囊蛩剌^多，通過(guò)數(shù)值計(jì)算法可以將圍巖的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)分布等情況精確的計(jì)算出來(lái)，通過(guò)有限元模擬和強(qiáng)度折減原理二者的有效結(jié)合，并根據(jù)不同凈距中安全系數(shù)的突變，從而科學(xué)的確定小凈距隧道的合理凈距。

1　有限元計(jì)算方法

1.1彈塑性破壞準(zhǔn)則。文章按照彈塑性材料考慮并模擬中巖體，利用巖土工程中經(jīng)常使用的D—P屈服準(zhǔn)則，將庫(kù)侖準(zhǔn)則在角點(diǎn)處導(dǎo)數(shù)不聯(lián)系的問(wèn)題進(jìn)行有效的解決，更加方便的同庫(kù)侖準(zhǔn)則相結(jié)合，通過(guò)計(jì)算公式，從而科學(xué)的確定參數(shù)。

1.2強(qiáng)度折減法原理。強(qiáng)度折減法指的是“將巖石或土體的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)，得到一組新的粘聚力值和內(nèi)摩擦角值，從而使土體中的實(shí)際剪力強(qiáng)度和實(shí)際抗剪力產(chǎn)生有效的聯(lián)系，同時(shí)將巖石或土體強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低逐次輸入計(jì)算直到其達(dá)到臨界破壞狀態(tài)為止。”通過(guò)相應(yīng)的程序進(jìn)行計(jì)算從而得到應(yīng)變突變地帶，對(duì)相應(yīng)的折減系數(shù)進(jìn)行確定，得到的折減系數(shù)F也就是安全系數(shù)。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的不斷實(shí)踐，強(qiáng)度折減法已經(jīng)日漸成熟，在邊坡穩(wěn)定分析中廣泛應(yīng)用。在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用強(qiáng)度折減法的基礎(chǔ)上，有的研究學(xué)者提出了用強(qiáng)度折減法對(duì)小凈距隧道的合理凈距進(jìn)行準(zhǔn)確的確定，通過(guò)小凈距隧道中間巖柱的塑性區(qū)貫通情況，再結(jié)合強(qiáng)度折減法計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)合理凈距的精確確定。

1.3合理凈距確定的有效方法。在強(qiáng)度折減法應(yīng)用過(guò)程中，如果小凈距隧道的中夾巖柱塑性區(qū)得到了貫通，并且塑性應(yīng)變值較大，這時(shí)中夾巖柱即將處于破壞狀態(tài)，這時(shí)候?qū)⒄蹨p系數(shù)F.按照1.0來(lái)取值計(jì)算不收斂確定最合理的凈距并不科學(xué)合理。原因是僅靠外界加固作用，對(duì)處于臨界破壞狀態(tài)也沒(méi)有承載能力的中夾巖柱來(lái)說(shuō)，自身的承載能力沒(méi)有充分發(fā)揮，勢(shì)必會(huì)極大的造成工程成本的增加，并且?jiàn)A巖柱的穩(wěn)定性也難以得到有效保證。在當(dāng)前的公路隧道新奧法施工中，噴錨柔性支護(hù)體系經(jīng)常被采用，能使圍巖自身的承能力最大限度地發(fā)揮出來(lái)。通過(guò)一系列實(shí)踐研究知道，如果凈距小到隧道的安全系數(shù)并發(fā)生突變時(shí)，這時(shí)可以通過(guò)有限元方法來(lái)計(jì)算，得出中夾巖柱塑性區(qū)連通的臨界狀態(tài)和塑性應(yīng)變突變的狀態(tài)。

2　工程概況

某隧道圍巖類(lèi)別分別為三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)圍巖，其中三級(jí)圍巖條件埋深5.65米，四級(jí)圍巖條件埋深分別為4.9米、9.7米、13.4米，五級(jí)圍巖條件埋深分別是9.8米、27.5米。因?yàn)樵撍淼郎婕皣鷰r類(lèi)別多，本文對(duì)四級(jí)圍巖下埋深為13.4米的隧道進(jìn)行模擬，凈距使用0.2B—1B，B是單洞開(kāi)挖的最大寬度，并將0.05B作為級(jí)差進(jìn)行遞增，通過(guò)勘查可以獲取數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)。根據(jù)模擬計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，將該隧道工程當(dāng)做平面應(yīng)變問(wèn)題，建立二維有限元分析模型，通過(guò)有限元計(jì)算方法和強(qiáng)度折減法計(jì)算，可以求出極限平衡狀態(tài)下小凈距隧道的凈距，以0.2B為基礎(chǔ)，分別向上遞加0.05B,即0.2B、0.25B、0.3B、0.35B、0.4B的圍巖塑性區(qū)分布圖。從分布圖中可以顯示凈距為0.2B時(shí)，中夾巖柱塑性區(qū)貫通，將整個(gè)巖柱布滿(mǎn)。隧道兩側(cè)邊緣的泥巖處塑性區(qū)從上到下也依次貫通，出現(xiàn)了剪切性的破壞，這說(shuō)明中夾巖柱根本沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的支撐作用，好比是在圍巖中挖掘了一個(gè)相當(dāng)于兩個(gè)隧道跨度和凈距總和的超大型跨度的隧道。當(dāng)凈距為0.35B時(shí)中夾巖柱塑性區(qū)部分處于貫通狀態(tài)，當(dāng)凈距為0.4B時(shí)，顯示中夾巖柱塑性區(qū)處于無(wú)連通狀態(tài)，巖柱中塑性區(qū)面積明顯處于減小狀態(tài)，塑性區(qū)由連通轉(zhuǎn)為不連通，所以就把凈距在0.4B左右當(dāng)做一個(gè)臨界狀態(tài)。

從另一方面來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗淼莱霈F(xiàn)塑性區(qū)是當(dāng)圍巖達(dá)到極限平衡時(shí)根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算得出的，單憑塑性區(qū)是否貫通進(jìn)行最小凈距臨界狀態(tài)的確定，有時(shí)是不完全準(zhǔn)確的，這一方法也相對(duì)保守了一些。重要的一個(gè)依據(jù)是，要通過(guò)強(qiáng)度折減法的計(jì)算，看安全系數(shù)在0.4B時(shí)是否發(fā)生了突變現(xiàn)象，從而對(duì)隧道的合理凈距進(jìn)行一個(gè)有效的更為準(zhǔn)確的判斷。通過(guò)圍巖塑性區(qū)分布圖觀察可以知道，安全系數(shù)明顯有突變的區(qū)域是凈距處于0.35B至0.4B之間時(shí)，基本符合依據(jù)塑性區(qū)是否貫通來(lái)確定的最小凈距，還可以看出從隧道0.4B凈距開(kāi)始，往后隧道兩拱頂?shù)奈灰谱兓兊孟鄬?duì)平緩，由此可以斷定0.4B的凈距是一個(gè)臨界狀態(tài)，也就可以確定此時(shí)的凈距就是小凈距隧道的合理凈距。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)某隧道工程采用二維彈塑性有限元方法，對(duì)隧道不同凈距下小凈距隧道圍巖的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)進(jìn)行模擬分析，知道利用強(qiáng)度折減法確定小凈距隧道合理凈距時(shí)，隨著凈距的不斷增加，隧道中間巖柱塑性區(qū)是呈現(xiàn)逐漸減小的狀態(tài)，和其相對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)也會(huì)在某一處凈距發(fā)生突變，就可以確定此處的凈距為小凈距隧道的合理凈距。本隧道工程實(shí)例確定的0.4B的合理凈距，也正好和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)中四級(jí)圍巖的凈距控制在0.35B和0.45B之間的要求相符合。另一方面，利用強(qiáng)度折減有限元法計(jì)算得出的隧道圍巖安全系數(shù)，既使大于1.0，也不能證明隧道一定在穩(wěn)定狀態(tài)，但可以將強(qiáng)度折減法計(jì)算的安全系數(shù)，作為隧道工程一個(gè)定量指標(biāo)和分析的依據(jù)，更好的用于指導(dǎo)隧道工程的施工實(shí)踐中去，為隧道施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。