陡倾层状岩体隧道衬砌承载力特性分析

王 胜

（辽宁建筑职业学院，辽宁 辽阳 111000）

在地下建立洞室不可避免地要面对复杂的地质环境.岩体作为一种地质材料，其失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的.先前的块体理论提出围岩是一种非连续介质，认为大多数岩体是被断层、节理、裂隙、层面及节理断层等结构面切割成许多相对较为坚硬岩块所组成的结构.20世纪80年代，孙广忠提出“岩体结构控制论”全面系统地研究了结构面影响岩体变形与破坏的基本规律；文献［1－8］分别采用数值模拟的计算方法探讨断层对隧道稳定性的影响.与此同时，人们对隧道衬砌的研究也在不断进行.1989年，Shigeyuki Kohno Al－fredo H－S提出隧道支护体系可靠度的概念及分析方法，李志刚［9］等人针对扁平特大断面公路隧道核心土模拟与分析，H.Yoshida［10］和H.Horii采用有限元分析对岩块受力进行分析.

1 工程概况

结合实际工程石棉隧道，考虑到隧道衬砌作为主要承担载荷的受力结构，其厚度变化直接影响隧道的安全性和使用寿命，因此本文针对层状岩体中隧道衬砌进行有限元分析，借助ANSYS软件［11］模拟隧道开挖与支护.根据模拟的数值结果分析二次衬砌的受力特点，探讨其厚度的不同对隧道稳定性的影响，为该工程提供施工参考.

石棉隧道为单线双车道，支护结构采用曲墙式带仰拱衬砌，Ⅳ级围岩，洞跨13m，埋深80m.二次衬砌采用C25混凝土.围岩及混凝土的力学参数［12］如表1所示.

表1 物理力学指标Table 1 Physical and mechanical properties of material

2 数值模拟

2.1 模型建立

隧道的力学分析采用弹性理论中的平面应变模型进行模拟［13］.隧道模拟的地层范围：水平方向长度为洞跨的8倍，即模型总宽度为104m；垂直方向隧道到底部边界取为洞跨的5倍，为65 m，加隧道埋深80m，即模型总高度为145m［14］.断层位于距离隧道左拱肩3m处（约为隧道跨径的0.2倍），其走向平行隧道，宽8m，厚2m，倾角为45°（其中距离指断层面与隧道开挖轮廓线的最短距离）.模型左、右边界施加水平方向约束，下部边界施加水平、垂直方向约束，上部边界为自由边界，不受任何约束.围岩、开挖土体采用4节点平面单元PLANE42加以模拟，衬砌采用BEAM3梁单元模拟，锚杆采用Link1单元模拟.本文主要考虑衬砌厚度为30、45、70、90cm四种情况下隧道结构的受力情况.

2.2 隧道开挖与支护模拟

隧道开挖和支护过程利用程序提供的单元进行“生死”处理的功能模拟.

计算时，首先计算岩石的自重应力，在此基础上模拟隧道的开挖与支护.其步骤：①将隧道模型进行有限元网格划分；②利用单元“死”的功能杀死开挖土体单元，并向杀死的土体单元施加X、Y方向的位移约束，模拟隧道开挖；③利用单元“生”的功能激活衬砌单元，解除激活单元上位移约束，模拟隧道的支护.

3 结果分析

3.1 衬砌内力分析

利用ANSYS程序对衬砌厚度为30、45、70、90cm四种情况进行分析，得出二次衬砌关键部位内力与衬砌厚度的关系，如图1～图3所示.

图1 二次衬砌关键部位弯矩与衬砌厚度的关系Fig.1 Relationship between bending moment of key component of second lining moment and lining thickness

由图1～图3可知：由于隧道左拱肩45°断层的存在，改变了无层状岩体隧道对称的受力状态，受其倾角影响，隧道右侧围岩应力较大，特别是右拱脚出现应力集中现象，使得衬砌的内力增大.

图2 衬砌关键部位剪力与衬砌厚度关系Fig.2 Relationship between shear force of key component of lining and lining thickness

图3 衬砌关键部位轴力与衬砌厚度关系Fig.3 Relationship between axial force of key component of lining and lining thickness

（1）随着衬砌厚度的增加二次衬砌的拱顶、拱脚及仰拱的弯矩值也随之增加，右拱脚尤为显著.拱脚应力集中，并且发生最大正负弯矩，右拱脚弯矩值变化明显，应加强监测，防止变形导致衬砌破坏.

（2）随着衬砌厚度的增加二次衬砌的拱顶、左拱脚及仰拱底部剪力值随着增加，但增加的幅度不大，曲线基本持平，右拱脚剪力值随着衬砌厚度增加急剧增加，曲线在衬砌厚度为70cm出现转折点.右拱脚产生最大剪应力，容易发生剪切破坏.

（3）二次衬砌拱顶、两侧拱脚、仰拱处基本为压力，且随着厚度的增加，轴力值也增加，当增加到一定厚度时，轴力值变化率减小.

3.2 锚杆受力分析

利用ANSYS程序对衬砌厚度为30、45、70、90cm四种情况下锚杆受力情况进行分析.

由图4可知：随着衬砌厚度的增加，隧道顶部锚杆轴变逐渐减小，隧道两侧锚杆轴变由正值变为负值，可见衬砌的厚度对锚杆受力有着很大的影响.

图4 锚杆轴变图Fig.4 Axial deformation diagram of roof bolt

4 结 论

本文针对石棉隧道复杂的地质条件，对隧道围岩受力情况进行数值模拟，通过分析得出下列结论：

（1）衬砌是维持隧道围岩稳定性重要影响因素之一.不同厚度的衬砌对隧道稳定性影响不同，但不是一味增加衬砌厚度对维持隧道稳定性越好，因此采用合适的衬砌厚度对实际工程有重要意义.

（2）随着衬砌厚度增加，其各项内力均随之增加，拱脚处的弯矩、剪力及轴力都达到最大值，出现应力集中现象.建议在施工过程中及日后的运行中都应对拱脚进行监测，时刻注意二次衬砌的变形及受力情况.

（3）随着衬砌厚度增加，隧道顶部锚杆轴变随之减小，隧道两侧锚杆轴变由正值变为负值，可见衬砌的厚度对锚杆受力有着很大的影响.

［1］ Wang S H，Liu J X，Tang C A，et al.Stability Analysis of a Large－span and Deep Tunnel［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41（3）：870－875.

［2］ 王述红，许研，赵岗，等.岩体结构面对大跨度隧道工程稳定性影响初步研究［J］.化工矿物与加工，2002（7）：24－26.

（Wang Shuhong，Xu Yan，Zhao Gang，et al.Preliminary Studies of the Effect of Structural Plane on Stability of Large－span Tunnel［J］.Industrial Minerals ＆Processing，2002，31（7）：24－26.）

［3］ 罗俊忠.断层对地下洞室围岩稳定性及其支护结构强度影响的数值试验研究［D］.西安：西安理工大学，2006.

（Luo Junzhong.Numerical Test on Influence of Fault on Underground Tunnel ［D］. Xi’an University of Technology，2006.）

［4］ 张楠，王述红，王晓明，等.含弱层围岩的隧道变形破坏过程模型实验研究［J］.地下空间与工程学报，2007（6）：1085－1088.

（Zhang Nan，Wang Shuhong，Wang Xiaoming，et al.Model Study on Mechanism of Deformation and Destruction of the Surrounding Rock in Tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007（6）：1085－1088.）

［5］ 刘君，孔宪京.节理岩体中隧道开挖与支护的数值模拟［J］.岩土力学，2007，28（2）：321－326.

（Liu Jun，Kong Xianjing. Numerical Simulation of Behavior of Jointed Rock Masses during Tunneling and Lining of Tunnels［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（2）：321－326.）

［6］ 刘文华，王述红，张亚兵，等.不连续介质岩体隧道三维数值模拟分析［J］.地下空间与工程学报，2007（6）：1154－1156.

（Liu Wenhua，Wang Shuhong，Zhang Yabing.Analysis of Three Dimensional Numerical Modeling of Discontinuous Rock［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007（6）：1154－1156.）

［7］ 王铁男，郝哲.FLAC在地铁隧道数值模拟中的应用［J］.沈阳大学学报，2010，22（1）：11－14.

（WangTienan，Hao Zhe. Application of FLAC in Numerical Simulation of Subway Tunnel［J］.Journal of Shenyang University，2010，22（1）：11－14.）

［8］ 郝哲，王来贵.大跨度公路隧道有限元模拟研究［J］.沈阳大学学报，2006，18（2）：50－53.

（Hao Zhe，Wang Laigui.Simulation Study on Large Span Road Tunnel by FEM ［J］.Journal of Shenyang University，2006，18（2）：50－53.）

［9］ 李志刚，丁文其，杨重存，等.扁平特大断面公路隧道核心土模拟与分析［J］.地下空间与工程学报，2007（4）：627－632.

（Li Zhigang，Ding Wenqi，Yang Chongcun，et al.Simulation and Analysis of Core Rock in Flat and Large Span Highway Tunnel ［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007（4）：627－632.）

［10］ Yoshida H，Horii H.A Constitutive Equation and FEM Analysis of Rock Masses Containing Fracturing Joints［C］∥Proceedings of the 8th International Conference on Computer Methods and Advances in Geomechanics，Charleston.1994，2：1717－22.

［11］ 张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析［M］.北京：清华大学出版社，2003：45－50.

（Zhang Shengmin. Structural Analysis with FEM Software ANSYS［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2003：45－50.）

［12］ 重庆交通科研设计院.JTG D70－2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004：21－23.

（Chongqing Communications Research and Design Institute.JTG D70－2004Code for Design of Road Tunnel［S］.Beijing：China Communications Press，2004：21－23.）

［13］ 徐芝纶.弹性力学简明教程：3版［M］.北京：高等教育出版社，2002：128－132.

（Xu Zhilun.Concise Guide of Elastic Mechanics：3rdEdition［M］.Beijing：Higher Education Press，2002：128－132.）

［14］ 赖永标，胡仁喜，黄书珍.ANSYS 11.0土木工程有限元分析典型范例［M］.北京：电子工业出版社，2007：78－82.

（Lai Yongbiao，Hu Renxi，Huang Shuzhen.ANSYS 11.0 Typical Examples of Finite Element Analysis on Civil Engineering［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2007：78－82.）