特征曲線法在大瑤山隧道設計中的應用

2013-08-14 05:27:32唐勃

河南科技 2013年10期

唐勃

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 引言

特征曲線法是用于隧道設計的一種基本方法，它的應用原理不僅吸收了巖體力學的基本研究成果，并且改變了過去一直沿用經典結構力學進行隧道設計計算的現狀[1]。但是限于彈塑性力學的基本原理和對圍巖介質的基本假設，致使圍巖特征曲線只有圓形斷面才有解析解，這使得特征曲線法在隧道結構設計中的應用受到很大限制。雖然對于非標準圓形的隧道斷面，可以將其近似轉化成圓形斷面，但是這種轉化會必定產生誤差，加之解析解中忽略了圍巖軟化、中間應力、剪脹和塑性區較小彈性模量等的影響，因此對非標準圓形斷面隧道的圍巖特征曲線采用解析解是不可取的[2～3]。本文采用數值模擬的方法，模擬大瑤山隧道的工程實際情況，通過控制圍巖應力釋放率，得出不同圍巖應力對應的洞周位移并擬合得到圍巖特征曲線。結合擬合出來的曲線，通過確定不同的初支施作時機確定支護曲線。然后對隧道初期支護進行設計并驗算其安全性，論文研究方法對特征曲線法的實際應用具有一定參考價值。

2 特征曲線法原理

特征曲線法起源于法國，又稱“收斂—約束”法[4]。該方法的基本原理是確定圍巖特征曲線和支護特性曲線，并通過二者的相交來確定隧道支護體系的最佳狀態。該方法的關鍵步驟是正確擬合這兩條曲線的基本趨勢及其相關因素對曲線走勢的影響以及由二者相互作用下所決定的最佳支護平衡條件。

2.1 圍巖特征曲線的確定

2.2 支護限制線的確定

根據不同支護材料的支護剛度計算公式，通過不同的支護組合形式，即可確定初期支護的支護剛度，物理意義表征支護特性曲線的斜率。然后在圍巖特征曲線上選定不同的圍巖初始位移或限定設計支護壓力(實質是選擇不同的支護時機)，便可確定支護特征曲線。

采用的支護組合形式不同，就會有不同的組合剛度。一般情況下剛度系數的計算式為K=K1+K2+K3。

3 大瑤山隧道圍巖特征曲線的確定

3.1 工程概況

大瑤山隧道位于湘粵交界南嶺山脈南麓的瑤山地區，下穿獅子山最高峰，起訖里程為DK1908+264～DK1918+345，隧道全長10081 m，為全線最長的隧道，也是國內目前建成高鐵項目中唯一特長隧道。

本文以大瑤山隧道DK1910+185～DK1910+290區間段為模擬對象，該區間隧道埋深344 m～385 m，圍巖級別Ⅴ級。

3.2 有限元模型建立

該區間隧道最大跨徑14.86 m，高程12.54 m。采用平面彈塑性有限元進行數值模擬，圍巖視為服從Mohr-Coulomb準則的理想彈塑性體，原始地應力只考慮重力場的作用，用Plane42單元進行模擬。左右邊界至洞周的距離定為45 m，約為隧道跨徑的3倍，計算埋深350 m，上邊界至洞頂距離40 m，其余土壓力用邊界應力代替。模型建立不包括初期支護，通過在隧道開挖洞周施加不同大小的反向壓力模擬圍巖壓力的釋放過程。

3.3 計算依據及參數選擇

Ⅴ級圍巖參數指標按照大瑤山隧道地質勘察資料取值，如表1所示。計算模型及其網格劃分如圖1所示。

表1 Ⅴ級圍巖計算參數

圖1 計算模型及網格

3.4 計算結果

提取不同圍巖壓力釋放率下拱頂節點的徑向位移μ和圍巖徑向應力Pi，部分數據如表3所示。以μ為橫坐標，Pi為縱坐標，對二者的關系進行擬合，結果如圖2所示。

圖2 圍巖特征曲線擬合

由圖3結果可知，當圍巖洞周位移小于15 mm時，圍巖處于彈性狀態，圍巖壓力與位移呈直線關系。隨后圍巖進入塑性區，隨圍巖壓力釋放位移變化率增大。

4 隧道支護壓力的確定

特征曲線法的支護原理是初期支護結構限制圍巖的過度變形，同時允許圍巖發生一定變形，以充分發揮圍巖的自承載能力。支護壓力的確定實質上是不同支護時機的選擇，如果緊隨施工開挖的進行施作初期支護，此時只有小部分圍巖內部壓力釋放出來，洞周圍巖的徑向位移也較小，但是會造成支護體系最終的支護壓力和支護變形較大，對支護結構的安全不利。反之，如果初期支護滯后開挖一段時間后再進行，即允許圍巖壓力釋放一部分，這樣最終支護壓力和變形就會相對較小，因而可以滿足支護的安全性和經濟性。但是滯后時間的確定很關鍵，因為圍巖塑性區發展到一定程度后就會產生松動壓力，如果滯后時間過長可能造成隧道坍塌。

受捐人資產信息真實度易遭質疑，眾籌門檻低。輕松籌平臺對于受捐人所籌錢款數目是否合理沒有相應的衡量標準，所能獲得的信息均由受捐人主動提供，平臺的審核較為被動。筆者在輕松籌軟件上隨機抽取了若干名受捐人，對其發布的家庭資產信息進行統計，超過半數的家庭資產不詳或無資產，有些家庭資產不符合市場行情也沒有說明情況。

張常光[3]等人將初期支護假設為理想彈塑性材料組成的具有固定剛度的均質圓環結構，在開挖面后方2倍寬度處施作初期支護，此時對應的位移釋放系數約為85%，據此在圍巖壓力特征曲線上確定支護作用的起始位置。

5 初期支護設計及其安全性評價

5.1 初期支護設計

首先按照工程類比法進行初期支護設計，支護參數如表2～表4所示，計算各支護材料的支護剛度。組合支護剛度K=K1+K2+K3。結合在圖3中選取支護設計壓力，設橫坐標為圍巖徑向位移與洞徑的比值，縱軸為支護壓力與未受開挖影響處的圍巖壓力的比值為縱坐標，繪制二者的關系圖，如圖3所示。圖中①②③線的斜率表征的物理意義是支護剛度，與橫軸的交點表示支護施做時圍巖已發生的位移值與洞徑的比值。