任婧婧 鄭恒祥

摘 要：隧洞作為水利工程中重要的水工建筑物，其圍巖穩(wěn)定性在整個(gè)工程中至關(guān)重要。因此，總結(jié)地下洞室圍巖穩(wěn)定性研究分析方法，分析不同支護(hù)類型對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，并對(duì)不同支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法做出評(píng)判，從而為以后隧洞的開(kāi)挖施工和支護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：圍巖穩(wěn)定性;分析方法;強(qiáng)度折減法

中圖分類號(hào)：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0082-03

Abstract： As an important hydraulic structure in hydraulic engineering， the stability of surrounding rock of tunnel is a crucial issue in the whole project. This paper summarizes the research and analysis methods of the stability of surrounding rock of underground tunnel， and evaluates different supporting timing selection methods. It provides a reference for the excavation and support of tunnel in the future.

Keywords： surrounding rock stability;analysis method;strength reduction

在地下洞室的穩(wěn)定性研究中，圍巖是否穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全通常是研究的重中之重。圍巖的穩(wěn)定性不僅與施工工序、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、支護(hù)形式以及圍巖結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受洞室埋深和截面尺寸的影響。目前，對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析仍沒(méi)有形成統(tǒng)一的理論，大多停留在定性分析階段，所以對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定分析方法進(jìn)行總結(jié)十分必要，以掌握其優(yōu)點(diǎn)與不足，從而在實(shí)際工程中做出準(zhǔn)確判斷，為其他地下工程提供參考，最終推動(dòng)圍巖穩(wěn)定性的發(fā)展。

1 隧洞圍巖穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)初，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始探究圍巖穩(wěn)定性。從隧洞圍巖穩(wěn)定性的局部變形理論到連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，人們把圍巖和支護(hù)系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在隧洞的支護(hù)和施工中，數(shù)值模擬法作為一種高效、準(zhǔn)確的方法被廣泛應(yīng)用，在隧洞圍巖的穩(wěn)定性研究中起到了較好的作用。目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)類比法、解析法以及數(shù)值模擬法3類。

1.1 經(jīng)驗(yàn)類比法

經(jīng)驗(yàn)類比法主要包括工程地質(zhì)類比法、歷史分析法、專家系統(tǒng)等，其中工程地質(zhì)類比法應(yīng)用最為廣泛。這種方法需要確定的參數(shù)較多，而一些參數(shù)難以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)獲得，所以多應(yīng)用于隧洞截面尺寸較小、埋深較淺的地下洞室穩(wěn)定性分析，在解決地下工程問(wèn)題中發(fā)揮了重要作用。

1.2 解析法

解析法通常被用來(lái)分析節(jié)理發(fā)育不好、圍巖巖石堅(jiān)硬、完整性良好的圍巖，在一定程度上可以對(duì)洞型方案、成洞條件做出穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，但是對(duì)于淺埋洞室以及受地面擾動(dòng)影響的軟弱圍巖不能得出準(zhǔn)確結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確描述圍巖的失穩(wěn)破壞詳細(xì)過(guò)程。另外，解析法具有精度高、分析速度快和易于規(guī)律性研究等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中是一種分析圍巖穩(wěn)定性最基礎(chǔ)的方法。它的不足在于當(dāng)圍巖應(yīng)力應(yīng)變大于峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變時(shí)，圍巖將進(jìn)入全應(yīng)力、應(yīng)變曲線峰后段的剛體滑移和張裂狀態(tài)，此方法將不再適用[1]。

1.3 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是將實(shí)際工程進(jìn)行合理的簡(jiǎn)單化處理，先建立模型，再確定需計(jì)算的材料參數(shù)，最后提取結(jié)果。數(shù)值模擬法不僅可以考慮各種非均質(zhì)、非線性等復(fù)雜工程因素，還可以模擬不同支護(hù)方案和施工工序?qū)Φ叵露词覈鷰r穩(wěn)定性的影響，能夠直觀地反映實(shí)際工況。

2 基于強(qiáng)度折減法的圍巖穩(wěn)定性

1975年，英國(guó)科學(xué)家Zienkiewicz最先提出強(qiáng)度折減法，該方法多應(yīng)用于邊坡、地基等工程。鄭穎人等首次將這種方法引入隧道圍巖穩(wěn)定性分析，通常折減的是巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，計(jì)算時(shí)用折減后的參數(shù)。如果在分析判斷后結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定，材料參數(shù)將繼續(xù)進(jìn)行折減，直到結(jié)構(gòu)恰好失穩(wěn)，此時(shí)得到的折減系數(shù)就是結(jié)構(gòu)的安全因數(shù)。

當(dāng)洞室的圍巖安全系數(shù)小于1時(shí)，洞室將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。此時(shí)，若材料參數(shù)的折減再?gòu)?開(kāi)始增加，將不適用于此條件，而是應(yīng)該將黏聚力和摩擦角擴(kuò)大[N]倍，直到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化不能滿足穩(wěn)定性要求。此時(shí)得到的折減系數(shù)除以[N]，將會(huì)得到洞室小于1的安全儲(chǔ)備系數(shù)。強(qiáng)度折減示意圖如圖1所示。

唐曉松等人將強(qiáng)度折減法引入隧道施工穩(wěn)定性分析，主要采用洞室圍巖位移發(fā)生突變的方法，以塑性區(qū)是否貫通和有限元求解是否收斂作為輔助分析方法，最后通過(guò)綜合分析得到圍巖的安全系數(shù)，為隧道工程施工過(guò)程提供了一條新的路徑[2]。

3 不同支護(hù)類型對(duì)穩(wěn)定性的影響

隧洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖分布不均勻，施工條件復(fù)雜，自穩(wěn)能力較差，故要采取不同的支護(hù)方式來(lái)保證圍巖的安全性。胡睿等人通過(guò)強(qiáng)度折減法研究了在不同圍巖類型下采用同一支護(hù)類型的圍巖變化規(guī)律，并對(duì)比分析同一圍巖類別不同支護(hù)形式的圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律[3]。各類圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

研究結(jié)果表明：施加錨桿支護(hù)措施相比于無(wú)支護(hù)措施的開(kāi)挖方式，隧洞的安全系數(shù)提高了5%～15%;Ⅲ類圍巖在無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)情況下的安全系數(shù)為3.81，施加錨桿后安全系數(shù)增長(zhǎng)為4.0，施加噴護(hù)后安全系數(shù)大于10;Ⅳ類圍巖在施加錨桿后安全系數(shù)由無(wú)支護(hù)的1.83變?yōu)?.11，施加噴護(hù)和錨桿支護(hù)后安全系數(shù)也大于10;Ⅴ類圍巖在無(wú)支護(hù)的情況下安全系數(shù)小于1，隧洞自穩(wěn)能力較差，需加鋼拱架和錨桿支護(hù)措施滿足其穩(wěn)定性要求;Ⅴ類圍巖在加噴護(hù)作用下的安全系數(shù)為2.63，再加上錨桿后安全系數(shù)為3.01。

3.1 不同支護(hù)時(shí)機(jī)下的圍巖穩(wěn)定性分析

2008年，蘇凱等人為獲得等效節(jié)點(diǎn)力而在地下洞室開(kāi)挖過(guò)程釋放的荷載基礎(chǔ)上加以升華，同時(shí)為模擬分析對(duì)比不同支護(hù)時(shí)機(jī)而通過(guò)施加不同比例的等效節(jié)點(diǎn)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，支護(hù)方式為噴錨支護(hù)[4]。結(jié)果表明：支護(hù)時(shí)機(jī)越早，開(kāi)挖荷載由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的越多，圍巖承受的荷載和受波動(dòng)的范圍區(qū)越小，從而圍巖越穩(wěn)定;支護(hù)時(shí)機(jī)越晚，錨桿受到的應(yīng)力會(huì)相對(duì)較小，此時(shí)圍巖的塑性屈服區(qū)和增量位移逐漸增大，洞室更易發(fā)生破壞。

洞室開(kāi)挖過(guò)程即圍巖應(yīng)力釋放過(guò)程，此時(shí)圍巖的單元應(yīng)力狀態(tài)為初始狀態(tài)應(yīng)力和開(kāi)挖時(shí)的應(yīng)力增量的疊加，即

式（1）中，[σ0]為單元的原巖應(yīng)力。式（2）中，[D]為單元的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系矩陣;[B]為幾何矩陣。

開(kāi)挖釋放荷載可按式（4）計(jì)算：

3.2 支護(hù)時(shí)機(jī)選擇判據(jù)

隧洞在開(kāi)挖后的單元應(yīng)力狀態(tài)可分為塑性狀態(tài)和彈性狀態(tài)，表達(dá)式分別為：

式（5）和式（6）中：[F]為屈服函數(shù);[σ0]為單元的原始應(yīng)力;[σc]為開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力;[Δσ]為附加應(yīng)力。

由于隧洞施工條件復(fù)雜，胡天明等人分析了裸洞開(kāi)挖和在不同時(shí)期施加初期支護(hù)時(shí)圍巖的變形、應(yīng)力和塑性破壞區(qū)[5]。結(jié)果表明，初期支護(hù)可有效改善圍巖的穩(wěn)定性。圍巖發(fā)生變形越小，塑性區(qū)范圍也越小，支護(hù)措施發(fā)揮的作用越大。所以，選擇合適的支護(hù)措施對(duì)圍巖穩(wěn)定性有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

地下洞室圍巖失穩(wěn)是一個(gè)特別復(fù)雜的非線性過(guò)程，同時(shí)受到多種因素的影響。在進(jìn)行地下洞室穩(wěn)定性判斷時(shí)，不僅要參考過(guò)去的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還要結(jié)合實(shí)際情況的真實(shí)數(shù)據(jù)，才能做出正確的判斷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)不能僅僅依賴于一種方法，而是需將多種方法進(jìn)行綜合分析，這是未來(lái)研究圍巖穩(wěn)定性的一種發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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