两水隧道初期支护安全长度研究

鞠 森 森

(陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西 咸阳 712000)

两水隧道初期支护安全长度研究

鞠 森 森

(陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西 咸阳 712000)

基于两水隧道工程实例，从围岩稳定性入手，利用Ansys通用有限元软件建立了有限元分析模型，通过不同初期支护长度数值模拟分析，对隧道初期支护安全长度提出了建议，可以为隧道设计与施工提供一定的理论参考。

隧道，强度发挥系数，初期支护，数值模拟

从20世纪90年代开始，新奥法在我国隧道设计和施工中得到了非常广泛的应用。复合式衬砌支护的基本原理在于：充分利用围岩的自身承载能力；增强围岩强度，均衡围岩的应力分布；利用现场监控量测数据反馈到施工上。其中初期支护基本由喷射混凝土，锚杆钢拱架等多种支护形式组合而成，对隧道的安全性和稳定性有着重要的作用。目前对于隧道施工过程中支护稳定性和安全性的研究主要集中在对二次衬砌的研究上，对初期支护稳定性方面的研究不多，且大多采用基于支护位移的分析方法[1]。当隧道在仅有初期支护的情况下继续施工时，一旦施工距离过长很可能会对围岩稳定产生不利影响，从而导致隧道安全性受到影响。本文借助Ansys通用有限元软件,对在仅有初期支护的条件下，Ⅳ级围岩双线隧道断面不同长度下围岩稳定性进行比较分析，根据不同长度下的围岩强度发挥系数S.M.F.进行对比，提出在进行隧道施工时的初期支护安全长度，为隧道设计与施工提供一定的理论参考。

1 计算理论

1.1 围岩的强度发挥系数S.M.F.

强度发挥系数是用来表示所研究材料强度发挥程度的参数[2]。采用有限元法计算得到围岩各单元高斯点上的应力σx，σy，τxy，根据下式可求得各高斯点的主应力和主应力方向：

参照M-C准则计算，可得围岩的强度发挥系数S.M.F.表达式为：

当S.M.F.>0.8时，围岩进入扰动区，安全性转差；当S.M.F.>1时,围岩进入塑性区[3]，易发生破坏。

1.2 强度发挥系数S.M.F.在Ansys软件下的实现

Ansys软件中采用的默认屈服准则，为M-C不等角六边形外接圆D-P屈服准则，实践证明该准则与传统M-C屈服准则的计算结果相比有较大误差，如果使用该准则近似代替M-C屈服准则进行强度发挥系数的计算，计算误差过大。因此，本文采用徐干成、郑颖人于1990年针对三维空间问题提出的Mohr-Coulomb等面积圆D-P准则。

D-P准则是M-C准则的一种特殊形式，该准则下的屈服面不随材料的屈服而改变，所以没有强化准则，其计算效率较高，故在目前的常见大型有限元计算软件中均采用了D-P屈服准则而非M-C准则。其通用数学表达式为：

在Mohr-Coulomb等面积圆D-P准则中系数α,k的表达式如下：

计算表明该准则不仅便于有限元数值计算，而且其计算结果与M-C准则十分接近[4]，故在本文中采用该准则在Ansys下进行强度发挥系数的计算。

2 两水隧道工程概况

兰渝铁路两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区，地形较为陡峻，隧道穿越剥蚀中低山地貌，绝对高程170 m～700 m，自然坡度一般为10°～45°，隧道最大埋深346 m,隧道进口里程为DK357+082，出口里程为DK362+084，隧道全长4 922.35 m，其中Ⅳ级围岩段总长1 260 m。两水隧道施工区段多为深切峡谷和高山，河谷狭窄，跨越秦岭中高山的白龙江河谷区、秦岭高中山区，高程多在1 500 m～3 200 m之间，相对高差600 m～1 200 m。山高谷深，岭谷相间，高差大，沟谷深切多呈“V”字形。隧道范围内岩层主要为千枚岩夹板岩、炭质千枚岩夹板岩、灰岩等。

3 三维数值模拟分析模型的建立

1)计算模型：选取两水隧道Ⅳ级围岩双线铁路隧道相关参数，使用Ansys通用有限元软件建立有限元分析模型。模型模拟采用Ansys三维实体单元进行,初期支护采用Shell63单元模拟，围岩与锚杆加固区采用Solid45单元模拟，将隧道附近网格加密以加强计算精度。

2)模型范围：隧道横向(X方向)以隧道中线为轴分别向左右延伸64 m，竖向(Y方向)隧道拱底至下边界不小于2倍洞跨，拱顶至上边界应大于3倍坍落拱高度，竖向总体尺寸取64 m。a.边界条件：模型左、右边界施加X方向约束，前、后边界施加Z方向约束,隧道底面施加向上的纵向约束，模型上部为自由面，荷载主要考虑自重。b.计算参数：选取隧道模拟围岩物理参数如表1所示。c.计算工况：隧道采用两台阶法开挖，选取纵向(Z方向，以面向隧道方向为负)长度分别为12 m，15 m，18 m和21 m的四种工况进行对比分析。

表1 材料力学参数

4 数值模拟结果分析

不同初期支护长度隧道围岩强度发挥系数S.M.F.云图，四种不同初期支护长度下，隧道围岩强度发挥系数数值计算结果如表2所示。

表2 不同初期支护长度围岩强度发挥系数

由表2可以看出，四种情况下围岩强度发挥系数均小于1.00，说明四种情况下围岩均不会进入塑性区发生破坏。但是当连续初期支护长度达到21 m时，围岩强度发挥系数已经达到0.84，大于0.8，围岩进入扰动区，隧道的施工安全性趋于变差，继续开挖很容易造成破坏。同时，当连续初期支护长度达到21 m时，围岩强度发挥系数达到0.79已经很接近0.8。因此该Ⅳ级围岩双线铁路隧道初期支护安全长度不宜大于18 m。

5 结语

1)合理的初期支护安全长度是隧道工程施工安全的重要保障。经过数值模拟计算得出的初期支护安全长度可以将隧道施工对隧道周边围岩的影响限制在可接受的范围之内，保证隧道施工能够安全快速地进行,对两水隧道的安全施工提供一定的理论指导。

2)基于M-C准则等效面积D-P准则比Ansys软件本身默认的M-C不等角六边形外接圆D-P屈服准则具有更小的误差和可计算性，更适用于进行和岩土相关的三维有限元分析。

3)围岩强度发挥系数S.M.F.在隧道施工的围岩和支护结构安全性评价中，其能够提供的综合性信息是传统的评价指标所不能提供的，且在理论上具有合理性，为隧道支护结构安全性评价提供了直观的量化分析手段。

[1] 郑颖人，邱陈瑜，张 红，等.关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索[J].岩石力学与工程学报，2008，27(10)：1968-1980.

[2] 潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[3] 张传庆，周 辉，冯夏庭,等.基于屈服接近度的围岩安全性随机分析[J].岩石力学与工程学报，2007，26(2)：292-299.

[4] 徐干成，郑颖人.岩石工程中屈服准则应用的研究[J].岩土工程学报，1990，12(2)：93-99.

[5] 于学馥，郑颖人，刘怀恒,等.地下工程围岩稳定分析[M].北京：煤炭工业出版社，1983.

Study on safe length of preliminary Two-water tunnel support

Ju Sensen

(CollegeofCivilEngineering,ShannxiVocationalCollegeofIndustry,Xianyang712000,China)

Based on Two-water tunnel engineering example, starting from the surrounding rock stability, the article establishes finite element analysis model by applying Ansys finite element software. Through numerical simulation analysis of different preliminary support length, it puts forward preliminary tunnel support safety length, which has provided some theoretical guidance for tunnel design and construction.

tunnel, intensity exertion coefficient， preliminary support, numerical simulation

2015-06-16

鞠森森(1985- )，男，助教

1009-6825(2015)25-0185-03

U451.2

A