支護時機對圍巖穩(wěn)定性的影響研究

張國平（鐘山職業(yè)技術學院土木與環(huán)境工程學院，江蘇 南京 210049）

支護時機對圍巖穩(wěn)定性的影響研究

張國平（鐘山職業(yè)技術學院土木與環(huán)境工程學院，江蘇 南京 210049）

隨著地下洞室的開挖，洞周初始地應力得到釋放，圍巖發(fā)生變形。作者通過采用考慮地應力釋放率，建立三維FLAC3D數(shù)值模擬模型，以摩爾-庫侖強度準則為屈服條件，考慮開挖過程中不同的支護時機對隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，分析比較圍巖應力、塑性區(qū)、位移及錨桿軸力隨地應力釋放率的變化規(guī)律，以充分發(fā)揮圍巖和支護的共同承載能力。

支護時機；圍巖；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

1 引 言

隨著地下工程建設的蓬勃發(fā)展，及影響洞室穩(wěn)定性地質(zhì)條件的復雜性和難以預測性，使得地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析成為了地下工程設計和施工的主要問題。為了防止地下洞室在開挖過程中發(fā)生坍塌、滲透等事故，在洞室開挖過程中需要正確選擇洞室開挖方法、支護時機、襯砌結構類型等影響圍巖穩(wěn)定性的因素。其中，支護的施加時機起著關鍵的作用，如何在設計與施工中考慮不同的支護時機是一個值得探討的問題。合理的支護時機，可以限制圍巖變形的發(fā)展，調(diào)整巖土體的內(nèi)力重分布，充分發(fā)揮支護結構的承載力。

2 FLAC3D三維數(shù)值分析軟件［1］

FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件采用的是快速拉格朗日方法，可實現(xiàn)對巖石、土和支護結構等建立三維模型，并在邊坡穩(wěn)定性分析、隧道礦山巷道等地下工程變形和破壞分析、地下工程混凝土襯砌及巖石錨桿等支護結構分析、地震工程及礦山巖石爆破研究、地下洞室開挖設計與施工等巖土工程數(shù)值模擬計算方面得到了廣泛的應用。

FLAC3D內(nèi)置了零模型、正交各向異性彈性模型、各向同性彈性模型、橫觀各向同性彈性模型、莫爾—庫侖模型、德魯克—普拉格塑性模型等11種材料模型。每種模型對應一種特殊類型的巖土材料本構特性，學者可以使用 FLAC3D中內(nèi)置的模型，也可以使用FLAC3D自帶Fish編程語言來創(chuàng)建自己的模型。

3 莫爾-庫侖（Mohr-coulomb）屈服準則

莫爾-庫侖屈服準則體現(xiàn)了巖土材料壓剪破壞的實質(zhì)，所以在巖土工程界得到了廣泛的應用。

4 支護時機對圍巖穩(wěn)定性的影響分析

某隧洞長16km，洞徑13m，最大埋深2500m，筆者選取具有代表性的Ⅱ類圍巖進行全斷面開挖模擬計算分析。在開挖支護過程中，主要支護方式為錨桿+混凝土襯砌，并灌漿10m深，模擬計算參數(shù)見表1，錨桿設計參數(shù)見表2。并采用FLAC3D三維數(shù)值分析軟件進行模擬，數(shù)值模擬計算選用摩爾-庫侖模型。

模擬計算參數(shù) 表1

在地下洞室開挖支護施加過程中，確定應力釋放率是一個非常復雜的問題，其影響因素較多，如洞室的設計尺寸、支護時機、開挖方法、支護形式、洞室埋深等。圍巖支護前需釋放多少應力是個關鍵問題，應力釋放太多會導致來不及支護，而應力釋放太少的話有可能使得巖體內(nèi)部能量產(chǎn)生集聚，從而有可能使得支護結構荷載較大而發(fā)生破壞。所以，考慮到圍巖本身有一定的自穩(wěn)能力，分析在應力釋放率 40%～80%時進行施加支護，分析圍巖應力、塑性區(qū)、位移及錨桿軸力隨地應力釋放率的變化規(guī)律，為地下洞室開挖支護的設計、施工提供一定的理論和工程實踐借鑒作用。

根據(jù)表3的模擬計算結果，隨著應力釋放率的增加，大、小主應力變化幅度都不大，尤其是小主應力的變化幅度很微小，即支護時機對洞周的應力大小影響不明顯。也就是說，在錨桿和混凝土襯砌共同作用下，洞室圍巖應力集中程度不但有所緩減，而且在洞室開挖過程中，圍巖中的應力釋放一定程度的話不僅有利于改善巖體的穩(wěn)定性，又能充分發(fā)揮支護結構的承載力。

錨桿設計參數(shù)表 表2

圍巖應力計算結果 表3

對于圍巖塑性區(qū)，支護施加后塑性區(qū)分布范圍明顯減小，在應力釋放率小于70%時，塑性區(qū)范圍變化幅度不大，一般在 4～6m之間，而在應力釋放率超過70%時塑性區(qū)范圍為6～8m之間。很顯然，隨著支護時機的推遲，圍巖塑性區(qū)的范圍將增大，在應力釋放率40%～70%時，錨桿穿越了塑性區(qū)錨固在彈性區(qū)，但到80%應力釋放率時，錨桿不僅穿越了塑性區(qū)且超過了彈性區(qū)。

同時，根據(jù) FLAC3D數(shù)值模擬計算結果可知，不同支護時機對圍巖變形影響較大，洞周的變形如頂拱下沉位移、底部回彈位移與側(cè)墻位移顯然隨著支護時機的推遲而增大。而且隧洞頂拱的位移較底部回彈位移、側(cè)墻位移影響較為明顯。其中，洞室底部位移影響最小，尤其在應力釋放率 70%變化到 80%時，變化幅度微小。

從錨桿最大軸力模擬結果看出，錨桿軸力隨著應力釋放率的增加變化顯著，特別是應力釋放率從60%變化到 50%時，錨桿軸力變化幅度最大，增大了49.5kN。顯然，隨著應力釋放率的降低錨桿所承受的荷載將增加，即支護施加太早的話，錨桿將承受更大的荷載，有可能由于支護結構受力超過自身設計強度而失效。

5 結 論

顯然，隧洞開挖過程中，通過施加支護后，圍巖應力集中程度有所減緩，但支護時機導致應力變化的幅度較小。支護對隧洞圍巖變形的控制作用十分顯著，而且隨著支護時機的滯后，圍巖塑性區(qū)的范圍將增大，洞周各部位變形量也隨之增大。同時，錨桿的軸力隨著應力釋放率的減少增加幅度較大，因此應正確掌握支護時機，以免支護結構發(fā)生破壞。

洞室開挖會使得洞周初始地應力釋放，圍巖應力重新分布，圍巖發(fā)生變形。為避免開挖施工過程中發(fā)生事故，在地下洞室開挖過程中必須進行合理的進行支護，選擇恰當?shù)闹ёo時機，以充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，避免支護承受過大的荷載而發(fā)生破壞，發(fā)揮支護和圍巖的共同承載能力，形成統(tǒng)一承載體。

［1］劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］張周平，余偉健，高謙，韋寒波.金川深部工程圍巖支護時機與參數(shù)設計研究［J］.金屬礦山，2008（2）.

［3］張社榮，梁禮繪.考慮三維應力旋轉(zhuǎn)的隧洞襯砌支護時機研究［J］.水利學報，2007，38（6）.

［4］崔金鵬，蘇凱，常智慧，周亞峰.深埋TBM隧洞圍巖穩(wěn)定雨襯砌支護時機研究［J］.水電與新能源，2015，133（7）.

U451+.2

A

1007-7359（2016）02-0137-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.047

張國平（1979-），男，江蘇海門人，碩士，講師，主要從事建筑施工及造價方面的教學工作。