基于强度折减法双线隧道支护参数分析

方 晶

(西南交通大学，四川成都 610031)

川藏铁路的修建具有海拔高、地质环境复杂及材料运输距离长等诸多难点，传统工法及支护系统施工工序过于繁琐，且质量难以把控，进度缓慢，已经无法适应川藏铁路高要求、高标准的需求。为彻底解决隧道传统施工工艺及选材造成的弊端，川藏铁路很有必要在研究新型设计理念的基础上，制定出一套安全可靠且行之有效可以实现快速施工的新型支护体系，减少人工投入的同时提高隧道的施工效率，满足川藏铁路高要求、高标准的需要。为此研究不同支护参数对隧道安全系数的影响就极为必要。

1 工程概况

川藏铁路全长1 629 km，东起于四川成都，经过雅安，西藏波密、林芝、贡嘎等地延伸到达西藏拉萨[1]。线路经过区域山高谷深，地形条件极其复杂。修建川藏铁路首先需要克服的就是巨大的高差，累计爬升高度约1.6×104m。除了高差，川藏铁路的特长隧道群也是一大难题。川藏铁路全线隧道总长达1 400 km，占线路总长的80 %，川藏铁路路线如图1所示。

图1 川藏铁路路线

2 强度折减法计算安全系数

强度折减法是基于极限分析法而提出的理论，极限分析法假设理想塑性体或刚塑性体处于极限状态，即岩土体的潜在滑动面上的滑动力与抗滑力相等或剪应力与抗剪强度相等。强度折减法主要服从摩尔-库仑准则，对岩土体的强度参数c、φ值反复除以相同的折减系数，即采用“等比例强度折减的方法”，直至岩土体达到极限破坏状态。在围岩的强度折减过程中，洞周位移会随折减系数的提高不断增大，本文参考郑颖人[2]的研究，将隧道特征点的位移突变作为隧道失稳的判据，将此时的折减系数视为隧道的安全系数，折减系数与特征点位移曲线如图2所示。

图2 折减系数-特征点位移曲线

本次计算中，使用FLAC3D有限差分软件对相应工况下的隧道开挖过程进行数值模拟，开挖过程中监测隧道的特征点位移。折减过程中的“步长”取为1.01，即第n步强度折减后的折减系数为1.01n。

3 模型建立

根据本次工程中所选用的钢纤维混凝土的有关强度参数，及相关规范，研究的工况如表1所示。

表1 研究工况汇总

根据考虑的所有工程情况，建立单位厚度(1 m)的二维数值模型进行计算。所建模型的水平边界尺寸为79 m，竖向尺寸边界长度取为100 m，假设隧道埋深50 m，双线隧洞尺寸为13 m(宽)×11 m(高)。有限差分模型如图3所示。

图3 双线隧洞开挖有限差分模型

4 计算结果

观察图4～图6可知，围岩等级、支护混凝土等级和衬砌厚度均能有效提高隧道安全系数。

观察图4可以发现，在围岩等级为Ⅲ级的情况下，支护等级和衬砌厚度对隧道安全系数均影响不大，相差0.05左右，这是因为围岩本身条件较好，安全系数已经有很大储备，支护对隧道安全系数的提升空间有限。

观察图5、图6可以发现，围岩等级和衬砌厚度保持不变的情况下，相邻支护混凝土等级所对应的安全系数相差0.06以下；围岩等级和支护混凝土等级保持不变的情况下，相邻衬砌厚度的隧道安全系数相差0.06以上。

图4 围岩等级Ⅲ时安全系数变化曲线

5 结论

文章结合川藏线实际情况，对不同工况用强度折减法计算隧道安全系数，得到结论如下：

图5 围岩等级Ⅳ时安全系数变化曲线

图6 围岩等级Ⅴ时安全系数变化曲线

(1)在围岩条件较好，比如围岩等级为Ⅲ级时，支护混凝土等级和衬砌厚度对隧道安全系数的提升并不明显；

(2)在围岩条件一般时，支护混凝土等级与衬砌厚度均能有效提高隧道安全系数，且衬砌厚度的提升效果更为明显；

(3)结合川藏铁路工程，在工程地质条件复杂多变的情况下，改善围岩条件仍然是提高隧道安全性的重要办法。