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。因為影響小凈距隧道合理凈距的因素較多，通過數(shù)值計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算出來，通過有限元模擬和強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，將庫侖準(zhǔn)則在角點處導(dǎo)數(shù)不聯(lián)系的問題進(jìn)行有效的解決，更加方便的同庫侖準(zhǔn)則相結(jié)合，通過計算公式，從而科學(xué)的確定參數(shù)。

1.2強度折減法原理。強度折減法指的是“將巖石或土體的強度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角值同時除以一個折減系數(shù)，得到一組新的粘聚力值和內(nèi)摩擦角值，從而使土體中的實際剪力強度和實際抗剪力產(chǎn)生有效的聯(lián)系，同時將巖石或土體強度參數(shù)逐漸降低逐次輸入計算直到其達(dá)到臨界破壞狀態(tài)為止。”通過相應(yīng)的程序進(jìn)行計算從而得到應(yīng)變突變地帶，對相應(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)過近年來的不斷實踐，強度折減法已經(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)用強度折減法的基礎(chǔ)上，有的研究學(xué)者提出了用強度折減法對小凈距隧道的合理凈距進(jìn)行準(zhǔn)確的確定，通過小凈距隧道中間巖柱的塑性區(qū)貫通情況，再結(jié)合強度折減法計算，從而實現(xiàn)對合理凈距的精確確定。

1.3合理凈距確定的有效方法。在強度折減法應(yīng)用過程中，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，這時中夾巖柱即將處于破壞狀態(tài)，這時候?qū)⒄蹨p系數(shù)F.按照1.0來取值計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，對處于臨界破壞狀態(tài)也沒有承載能力的中夾巖柱來說，自身的承載能力沒有充分發(fā)揮，勢必會極大的造成工程成本的增加，并且夾巖柱的穩(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。通過一系列實踐研究知道，如果凈距小到隧道的安全系數(shù)并發(fā)生突變時，這時可以通過有限元方法來計算，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

某隧道圍巖類別分別為三級、四級和五級圍巖，其中三級圍巖條件埋深5.65米，四級圍巖條件埋深分別為4.9米、9.7米、13.4米，五級圍巖條件埋深分別是9.8米、27.5米。因為該隧道涉及圍巖類別多，本文對四級圍巖下埋深為13.4米的隧道進(jìn)行模擬，凈距使用0.2B—1B，B是單洞開挖的最大寬度，并將0.05B作為級差進(jìn)行遞增，通過勘查可以獲取數(shù)值模擬計算參數(shù)。根據(jù)模擬計算的相關(guān)參數(shù)，將該隧道工程當(dāng)做平面應(yīng)變問題，建立二維有限元分析模型，通過有限元計算方法和強度折減法計算，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，中夾巖柱塑性區(qū)貫通，將整個巖柱布滿。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，這說明中夾巖柱根本沒有發(fā)揮應(yīng)有的支撐作用，好比是在圍巖中挖掘了一個相當(dāng)于兩個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，顯示中夾巖柱塑性區(qū)處于無連通狀態(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)做一個臨界狀態(tài)。

從另一方面來說，因為隧道出現(xiàn)塑性區(qū)是當(dāng)圍巖達(dá)到極限平衡時根據(jù)強度折減法計算得出的，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，有時是不完全準(zhǔn)確的，這一方法也相對保守了一些。重要的一個依據(jù)是，要通過強度折減法的計算，看安全系數(shù)在0.4B時是否發(fā)生了突變現(xiàn)象，從而對隧道的合理凈距進(jìn)行一個有效的更為準(zhǔn)確的判斷。通過圍巖塑性區(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，基本符合依據(jù)塑性區(qū)是否貫通來確定的最小凈距，還可以看出從隧道0.4B凈距開始，往后隧道兩拱頂?shù)奈灰谱兓兊孟鄬ζ骄?，由此可以斷?.4B的凈距是一個臨界狀態(tài)，也就可以確定此時的凈距就是小凈距隧道的合理凈距。

3　結(jié)語

通過某隧道工程采用二維彈塑性有限元方法，對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，知道利用強度折減法確定小凈距隧道合理凈距時，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)，和其相對應(yīng)的安全系數(shù)也會在某一處凈距發(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。本隧道工程實例確定的0.4B的合理凈距，也正好和傳統(tǒng)經(jīng)驗中四級圍巖的凈距控制在0.35B和0.45B之間的要求相符合。另一方面，利用強度折減有限元法計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)，但可以將強度折減法計算的安全系數(shù)，作為隧道工程一個定量指標(biāo)和分析的依據(jù)，更好的用于指導(dǎo)隧道工程的施工實踐中去，為隧道施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。