基于安全系數的隧道二次襯砌支護設計新方法

張 偉

(太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

?

·橋梁·隧道·

基于安全系數的隧道二次襯砌支護設計新方法

張 偉

(太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

通過Phase2軟件,對圓形隧道開挖過程中圍巖的變形和襯砌結構內力進行了分析，確定了滿足收斂約束法原理的二襯支護時機和滿足安全系數為1.4的支護方案，并給出了其具體的應用步驟，該分析方法為定量設計和改進隧道二襯支護方案提供了新思路。

隧道，收斂約束法，開挖模擬，安全系數，支護方案

在進行巖石隧道開挖過程中，原巖應力重新分布，為控制和防止應力誘導下圍巖的變形和破壞，需要進行合理的襯砌支護。文獻[1]～[7]分別從經驗類比、現(xiàn)場監(jiān)測和數值模擬等方面提出了隧道開挖過程中支護的設計方法，總體來說，采用工程類比方法時，主觀經驗占據主導地位，采用數值計算方法對支護方案進行驗證和對比選擇時，只考慮了支護方案的安全性，而忽略了方案的經濟性。本文結合相關文獻和實際工程，基于虛擬支撐力模擬了隧道的漸進掘進過程，并通過支護強度包絡線，最終確定了滿足一定安全系數的二襯支護方案，實現(xiàn)了隧道的經濟、安全施工，也為之后類似隧道的現(xiàn)場施工提供參考。

1 二襯施作時機及其控制

1.1 收斂約束法原理

“收斂—約束”法是國際隧道協(xié)會歸納出的一種解釋圍巖和支護動態(tài)作用過程的理論和方法。以隧道毛洞內壁的徑向位移ur為橫坐標，原巖應力下作用于洞室內壁的徑向壓應力σr為縱坐標，繪出表示二者關系的曲線，該曲線稱為收斂線；以支護外緣的徑向位移ur為橫坐標，支護施加于洞壁的反力pi為縱坐標，繪出表示二者關系的曲線，該曲線稱為約束線。在同一坐標平面內同時繪出收斂線和約束線，兩條曲線的交點即可作為隧道二次襯砌設計計算的依據。其原理可用圖1中的曲線來說明。

圖1中，B點和C點分別表示支護時間過早和過晚，圍巖壓力較大，相應的支護費用較高，不合理；A點支護承受的圍巖壓力最小，是二次襯砌的最佳施作時間。圖中下半部分曲線反映洞壁徑向位移的變形速率。從圖中可以看出，F(xiàn)點為開始支護時間，隨著支護強度不斷發(fā)展，洞壁徑向位移變形速率基本達到穩(wěn)定時支護完成。確定開始支護時間(F點)是隧道經濟施工的關鍵，也就是確定F點對應的洞壁徑向位移。本文通過數值模擬和經驗公式法確定開始支護時的圍巖變形量。

1.2 二襯支護開始施作時機

以一開挖半徑為4 m的圓形隧道為例，隧道位于片巖中550 m深處，沿中間主應力方向(σ2=25 MPa)開挖，最大主應力值和最小主應力值分別為30 MPa和15 MPa，分別沿水平和豎直方向。片巖的單軸壓縮強度UCS=50 MPa，地質強度指標GSI=50。本次模擬計算以霍克布朗準則為破壞準則，以支護斷面為分析面，距離掌子面2 m。建模時，隧道中心到模型邊界的距離取開挖半徑的4倍，對模型邊界施加完全約束。

為了考慮隧道開挖過程中的空間效應，本次模擬分10個載荷步，在每一個載荷步對開挖面施加支護反力，反力系數分別取1,0.8,0.4,0.2,0.2,0.08,0.04,0.03,0.01,0。模型的加載示意圖如圖2所示。

以隧道拱頂(0,4)為特征點，表1列出了各個載荷步下特征點的變形量。

表1 特征點的變形量

為了確定施作支護前圍巖的變形量，Vlachopoulos和Diederichs提出了經驗公式[8]，該公式對應在坐標系中的曲線如圖3所示。圖3中，橫坐標表示支護斷面離掌子面距離與隧道半徑之比，縱坐標為變形量與最大變形量之比，曲線變量為塑性區(qū)半徑與隧道半徑之比。對模型進行分步計算，得到特征點的最大變形量為0.065 m，塑性區(qū)半徑為9.5 m，已知支護斷面距離掌子面2 m，此時對應的曲線和橫、縱坐標值如圖3中直線所示，即可得施作支護時特征點的變形量，為0.44×0.065=0.028 m。

查表1可知，當特征點的變形量為0.028 m時，對應的反力系數為0.1，因此應該在第5個載荷步對該斷面開始支護。

2 滿足安全系數的二襯支護方案

在有限元軟件Phase2中，對給定的安全系數，可以繪制出以襯砌的軸向應力值為縱坐標，剪應力值或彎矩值為橫坐標的支護強度包絡線。支護完成后，將按照支護方案計算得到的襯砌內力值與支護強度包絡線進行比對，當襯砌結構上所有位置的內力值都落在包絡線之內，則該支護方案的安全系數大于設計值；反之，支護方案需要改進。

本次模擬在第5載荷步開始支護，要求安全系數達到1.4。支護設計為復合式襯砌結構，選擇W100×19.3工字鋼沿隧道邊墻每隔2 m布置，混凝土選C25混凝土，厚度為100 mm，變形模量為25 GPa，泊松比為0.15。

2.1 襯砌內力分析

按照上述支護方案對隧道施加支護，得到襯砌結構上各個位置的內力值與支護強度包絡線的關系如圖4所示。圖4分別繪制了安全系數為1,1.2,1.4的支護強度包絡線。

從圖4可以看出，襯砌上部分位置的內力值落在包絡線外面，因此該方案不能滿足設計要求。以100 mm厚混凝土為例，設置安全系數范圍為0～1，則包絡圖上僅顯示安全系數小于1的點，這些點以及其對應在襯砌結構上的位置如圖5所示。從圖5可以看出，安全系數低于1的位置都集中于拱頂和拱底，這是由于開挖形成采空區(qū)，引起隧道周邊應力集中，使得拱頂下沉，拱底向上抬起，容易發(fā)生開裂或塌陷現(xiàn)象。

2.2 方案改進

從上述方案的計算結果可以看出，該方案支護強度不足，需要改進。改進支護方案的方法有，選擇高強度混凝土、工字鋼材料或增大混凝土厚度。以W150×18工字鋼和200 mm厚混凝土對方案進行改進并重復上述計算，得到襯砌結構內力值與支護強度包絡線的關系如圖6所示。

從圖6可以看出，襯砌結構上所有位置的內力值都落在安全系數為1.4的包絡線內部，即此時的支護結構已完全達到設計要求。因此，工程應用中，可以通過在數值軟件中改變支護參數實現(xiàn)支護方案的定量改進，并能直觀地判斷改進后的支護是否有效。同時，通過繪制支護強度包絡線可以快速找出支護結構的薄弱位置，對薄弱位置進行特殊施工也可達到改進支護效果的目的。

3 結語

本文通過Phase2軟件模擬隧道的開挖支護過程，從滿足支護安全系數考慮，為隧道支護設計提供了一個新方法。在本文中，主要得到以下幾個結論：1)對于本次模擬，虛擬支撐力為0.1倍原巖應力時，為開始支護的最合理時機。2)通過支護強度包絡線可以直觀地判斷襯砌結構的支撐作用是否滿足設計要求；對于本次模擬，當采用W150×18工字鋼，200 mm厚混凝土支護時，支護的安全系數已達到1.4。3)有限元軟件Phase2可以基于給定的安全系數判斷支護方案是否滿足要求，并且能夠準確捕捉襯砌結構的薄弱位置，據此對薄弱位置加強支護，可以達到支護方案的經濟性和安全性。

[1] JTGD 70—2004，公路隧道設計規(guī)范[S].

[2] 李洪斌．南灣隧道深基坑支護方案比選[J].廣東土木與建筑，2008(4):45-47．

[3] 鄧少軍，陽軍生，張學民，等．淺埋偏壓連拱隧道施工數值模擬及方案比選[J].地下空間與工程學報，2005，1(6):940-943．

[4] 馮夏庭，江 權，向天兵，等．大型洞室群智能動態(tài)設計方法及其實踐[J].巖石力學與工程學報，2011，30(3):433-448．

[5] 喬春生，魏莉萍．巖石地下工程錨噴支護設計的人工智能方法及其集成[J].巖石力學與工程學報，2004，23(5):781-785．

[6] 王述紅，朱浮聲，張 凱，等．巖體隧道施工過程智能輔助決策系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].巖石力學與工程學報，2002，21(4):590-594．

[7] 孫海濤，劉東燕，黃聲樹，等．隧道支護時機智能決策方法研究[J].重慶建筑大學學報，2007，29(3):78-82．

[8] Hoek, E., Carranza-Torres,C.,Diederichs,M.S,et al.Integration of geotechnical and structural design in tunneling[A].Proceedings University of Minnesota 56th Annual Geotechnical Engineering Conference[C]. Minneapolis,2008：1-53.

A new design method of tunnel secondary lining support based on safety factor

Zhang Wei

(Taiyuan University of Technology, College of Mining Engineering, Taiyuan 030024, China)

This paper uses Phase2 software to analyze the deformation and lining structure internal force of the surrounding rock for a circular tunnel. The secondary lining support timing and the support scheme with 1.4 safety factor are determined based on the convergence constraint method. The analytical method provides a new idea for the design and improvement of the secondary lining support.

tunnel, convergence-confinement method， excavation simulation， safety factor， support scheme

1009-6825(2016)34-0156-03

2016-09-25

張 偉(1961- ),男，碩士，高級工程師

U451.4

A