基于虛擬支撐力逐步釋放法的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析

劉曉偉

摘 要：以羊八井1#隧道V級(jí)圍巖段為例，以施加虛擬支撐力逐步釋放法作為基本方法，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)開挖支護(hù)后的隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，研究襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。在實(shí)際施工中，應(yīng)力隨著開挖的進(jìn)行首先釋放一部分，施作初期支護(hù)以及二襯、二襯加強(qiáng)層后地應(yīng)力繼續(xù)釋放，將初期支護(hù)的內(nèi)力與規(guī)范值比較，并計(jì)算二襯、二襯加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)最不利截面的強(qiáng)度安全系數(shù)。結(jié)果表明：初期支護(hù)噴射混凝土性基本能滿足設(shè)計(jì)要求，考慮到可能出現(xiàn)的各種偶然因素，在設(shè)計(jì)中，通過適當(dāng)提高鋼拱架型鋼型號(hào)或減小鋼拱架間距來(lái)提高其安全性;二襯最不利截面的強(qiáng)度安全系數(shù)大于規(guī)范值，滿足安全性的規(guī)定;二襯加強(qiáng)層的安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定值，符合作為安全儲(chǔ)備的要求。

關(guān)鍵詞：施加虛擬支撐力逐步釋放法;初期支護(hù);安全系數(shù)

中圖分類號(hào)：U458文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0095-04

Abstract： Taking a tunnel surrounding rock section of grade five as an example and taking the gradual release of virtual support force as the basic method， the internal force of tunnel lining structure after excavation and support was calculated by ANSYS finite element analysis software， and the safety of lining structure was studied. In the actual construction， a part of the stress was released firstly along with the excavation， and the ground stress continues to release after the initial support and the secondary and tertiary support were applied. The internal force of the initial support was compared with the standard value and the strength safety factor of the most unfavorable section of the secondary and tertiary lining structure was calculated. The results show that the shotcrete performance of the primary support can basically meet the design requirements. Considering various possible accidental factors， the safety of the primary support can be improved by properly increasing the type of steel arch or reducing the spacing of steel arch. The safety factor of the most unfavorable section of the secondary lining is greater than the standard value， which meets the safety requirements. The safety factor of the tertiary lining is far greater than the requirements of safety reserve at the specified value.

Keywords： exerting virtual support force and gradually releasing method;primary support;safety factor

按照規(guī)定，隧道的襯砌結(jié)構(gòu)要具有足夠的強(qiáng)度，只有這樣才能保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)物在施工階段及運(yùn)營(yíng)期具有較高的安全性。為了保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，通常要計(jì)算其襯砌截面的強(qiáng)度安全系數(shù)[1-3]，而計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)的前提是準(zhǔn)確計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力[4-5]。目前，計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法較多，但大多數(shù)計(jì)算方法的結(jié)果的精確度較低[6]。而且，在研究襯砌內(nèi)力時(shí)，還必須考慮實(shí)際開挖及開挖每一步其圍巖應(yīng)力的釋放。為了精確計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，利用虛擬支撐力逐步釋放法在有限元程序中模擬存在地應(yīng)力的隧道開挖圍巖應(yīng)力的釋放，從而得到較為精確的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

本文依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)襯砌截面的強(qiáng)度驗(yàn)算理論計(jì)算最不利截面的強(qiáng)度安全系數(shù)，通過與設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，說明設(shè)計(jì)支護(hù)方案的合理性，為類似隧道施工及設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 工程概況

羊八井1#隧道左線起訖樁號(hào)為ZK3786+740～ZK3788+005，長(zhǎng)1 265 m;右線起訖樁號(hào)為K3786+720～K3788+046，長(zhǎng)1 326 m。該隧道區(qū)屬高山峽谷地貌，地形起伏較大。隧道范圍內(nèi)中線高程為4 270.0～4518.0 m，最大高差約248 m。山體自然坡度為25°～55°，植被稀疏、主要以高原草甸為主。進(jìn)、出口均處于山前斜坡地帶，進(jìn)口斜坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài);出口斜坡崩坡堆積及泥石流沙礫堆積，小沖溝及沖痕發(fā)育，表層極不穩(wěn)定，整體穩(wěn)定性較差。

塌方處掌子面樁號(hào)為K3787+397，該范圍原設(shè)計(jì)圍巖主要以中風(fēng)化花崗巖為主，灰白色，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎～較完整;中風(fēng)化基巖[Rc]=63.8MPa，[Kv]=0.46，[BQ]=396.4，[K1]=0.3，[K2]=0.3，[BQ]=336.4。圍巖自穩(wěn)性一般，無(wú)及時(shí)支護(hù)時(shí)，隧道拱部易掉塊、甚至產(chǎn)生坍塌。集中降雨?duì)顟B(tài)下，洞室一般呈現(xiàn)線狀或者滴狀出水;局部裂隙因富水而成為排水通道，有淋雨?duì)罨蛘哂苛鳡顟B(tài)出水，施工時(shí)容易發(fā)生突水、涌水。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算方法及計(jì)算軟件

本文選取ANSYS大型有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，因ANSYS中沒有直接的命令進(jìn)行虛擬支撐力的施加，故開發(fā)出施加虛擬支撐力的命令來(lái)模擬地應(yīng)力的逐步釋放，運(yùn)用此命令能很好地完成隧道開挖過程中襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算。

2.2 本構(gòu)關(guān)系選擇

基于隧道結(jié)構(gòu)的幾何尺寸沿縱向要遠(yuǎn)大于徑向，其襯砌的荷載方向均與其橫斷面平行，而且此荷載沿隧道路線方向近似均勻分布。根據(jù)彈性力學(xué)的平面應(yīng)變定義，關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析可以按平面問題進(jìn)行。

大多數(shù)巖體在實(shí)際受力中的應(yīng)力都處于較低水平，通過研究巖體的平面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以推測(cè)出：此狀態(tài)下的巖體可近似按線彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析，故本計(jì)算實(shí)例采用理想線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.3 模型及計(jì)算結(jié)果

2.3.1 模型簡(jiǎn)介。根據(jù)此隧道實(shí)際情況，選取的最不利截面原設(shè)計(jì)圍巖V級(jí)，選取最不利斷面的埋深為20 m，兩側(cè)及下側(cè)取3倍的隧道開挖跨度和高度為限，計(jì)算模型的邊界條件：底部約束豎向位移，兩側(cè)約束水平位移。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖1所示。

計(jì)算采用平面應(yīng)變單元PLANE42模擬隧道圍巖及拱腳處大塊鋼筋混凝土;梁?jiǎn)卧狟EAM3模擬初期支護(hù)噴射混凝土、二襯及二襯加強(qiáng)層;LINK1單元模擬錨桿（導(dǎo)洞處臨時(shí)錨桿在計(jì)算中不予考慮）;噴射混凝土與二襯之間以及二襯與二襯加強(qiáng)層之間的相互作用用彈簧單元COMBIN14模擬，材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

隧道施工模擬分9步進(jìn)行，隧道施工工序方案如圖2所示，依據(jù)同地區(qū)類似隧道試驗(yàn)測(cè)定，開挖應(yīng)力釋放百分率取用見表2所示。

2.3.2 拱部噴射混凝土內(nèi)力結(jié)果。噴射混凝土的最不利工況應(yīng)該出現(xiàn)在上部中導(dǎo)坑已開挖，臨時(shí)支撐已拆除，但拱部二襯尚未施工完成的時(shí)候，即開挖模擬的第五步，此時(shí)拱部噴射混凝土的最大最小主應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。

從圖上可以看出，此時(shí)噴射混凝土大主應(yīng)力基本上小于1.27 MPa，基本滿足C25噴射混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.3 MPa的要求，由于應(yīng)力集中，上部中導(dǎo)坑與上部左右兩側(cè)導(dǎo)坑交接處噴射混凝土大主應(yīng)力偏大;噴射混凝土小主應(yīng)力最大值為14.2 MPa，基本滿足噴射C25噴射混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度13.5 MPa的要求。

綜上，初期支護(hù)噴射混凝土基本能滿足設(shè)計(jì)要求，但在實(shí)際施工時(shí)，荷載釋放系數(shù)不一定和計(jì)算所采用比例一致，考慮可能出現(xiàn)的各種偶然因素，建議通過適當(dāng)提高鋼拱架型鋼型號(hào)或減小鋼拱架間距來(lái)改善噴射混凝土的受力情況。

2.3.3 二襯內(nèi)力結(jié)果。二襯由三部分組成，即二襯邊墻、拱圈部二襯以及仰拱。其施作時(shí)間是不同的，接下來(lái)將逐一進(jìn)行分析。二襯邊墻是在數(shù)值模擬的第二步施作的，其最大主應(yīng)力變化過程見圖5和圖6。

施工過程中，二襯邊墻的大主應(yīng)力最大值為2.15 MPa，發(fā)生在左上側(cè)導(dǎo)坑開挖之后左側(cè)二襯邊墻和臨時(shí)支護(hù)的交接處。隨著施工的進(jìn)行，最大主應(yīng)力最大值產(chǎn)生的部位逐步向邊墻底部轉(zhuǎn)移，施工結(jié)束時(shí)邊墻的大主應(yīng)力最大值為1.38 MPa，滿足C30混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度2.2 MPa的要求。

拱圈二襯及仰拱分別是在數(shù)值模擬的第六步和第八步施作的，其彎矩和軸力的變化過程見圖7和圖8。

二襯的最不利工況應(yīng)該出現(xiàn)在二襯加強(qiáng)層施作之前，即數(shù)值模擬的第八步，故選取第八步的內(nèi)力結(jié)果按規(guī)范公式對(duì)拱圈二襯（單元編號(hào)見圖9）進(jìn)行截面安全系數(shù)計(jì)算。

二襯安全系數(shù)分布曲線如圖10所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，二襯拱圈的最小安全系數(shù)為11.74，發(fā)生在拱圈和邊墻的交接處，滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70/2—2014）對(duì)安全系數(shù)的規(guī)定。

2.3.4 二襯加強(qiáng)層內(nèi)力結(jié)果。二襯加強(qiáng)層單元編號(hào)見圖11。二襯加強(qiáng)層于計(jì)算模擬的第九步施作，計(jì)算得到的軸力見圖12和圖13。

對(duì)二襯加強(qiáng)層（單元編號(hào)見圖11進(jìn)行截面安全系數(shù)計(jì)算，計(jì)算所得的安全系數(shù)如圖14所示。

從圖14不難看出，二襯加強(qiáng)層的安全系數(shù)為73.63～284.42，二襯加強(qiáng)層所承受內(nèi)力很小的主要原因是二襯加強(qiáng)層主要作為安全儲(chǔ)備。上述結(jié)果滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70/2—2014）對(duì)安全系數(shù)的規(guī)定。

3 結(jié)論

通過對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖最不利截面施工過程的數(shù)值模擬分析，通過計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)，得出隧道開挖方法、初期支護(hù)和二襯及二襯加強(qiáng)層的設(shè)置基本能夠維持圍巖穩(wěn)定。但是，初期支護(hù)受力較大，因此，建議通過在隧道拱頂附近一定范圍內(nèi)均布設(shè)長(zhǎng)錨桿、適當(dāng)提高鋼拱架型鋼型號(hào)以及減小鋼拱架間距等措施，改善初期支護(hù)的受力性能，確保二襯、二襯加強(qiáng)層施作前初期支護(hù)的穩(wěn)定，為隧道施工及設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行提供保證。

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