不同支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

張龍生 俞文生 周小勇 朱 林 張露晨

(1.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330000;2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000; 3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

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不同支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

張龍生1俞文生2周小勇1朱 林3張露晨3

(1.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330000;2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000; 3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

采用有限差分軟件FLAC3D，以摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則為屈服條件，建立了二維有限差分?jǐn)?shù)值模型，對(duì)比分析不同圍巖級(jí)別情況下，初期支護(hù)噴射混凝土厚度對(duì)不同級(jí)別圍巖的支護(hù)作用效果，從而選出不同圍巖級(jí)別下適宜的噴射混凝土厚度。

圍巖，混凝土，數(shù)值模型，錨桿

0 引言

隨著我國(guó)各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的不斷加大，我國(guó)的地下工程尤其是各類隧道的建設(shè)工程也正如火如荼的展開(kāi)，我國(guó)正在修建的隧道、洞室及地下工程的建設(shè)規(guī)模和速度已經(jīng)是世界第一，我國(guó)已然成為全球隧道工程最多、最復(fù)雜、發(fā)展速度最快的國(guó)家[1]。

在這種大的建設(shè)背景下，傳統(tǒng)的隧道襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)采用的經(jīng)驗(yàn)類比法愈發(fā)不能滿足隧道建設(shè)發(fā)展的要求，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)單位和工程師開(kāi)始采用數(shù)值模擬方法來(lái)設(shè)計(jì)隧道的支護(hù)方案[2-8]。本文采用有限差分軟件FLAC3D，基于摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則為屈服條件，建立二維有限差分?jǐn)?shù)值模型。為了對(duì)比分析不同圍巖級(jí)別情況下(主要選擇Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖)，作為初期支護(hù)噴射混凝土厚度對(duì)不同級(jí)別圍巖的支護(hù)作用效果，建立統(tǒng)一的數(shù)值模型尺寸和形狀。選取圍巖級(jí)別和噴混厚度作為變量，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，研究初期支護(hù)中噴射混凝土厚度的支護(hù)效果差異，從而選出不同圍巖級(jí)別下最優(yōu)的噴射混凝土厚度，為公路隧道建設(shè)中噴射混凝土的施工設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)和參考。

1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

1.1 斷面選取依據(jù)

數(shù)值模擬中的隧道具體斷面形狀和尺寸，參考JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，依據(jù)兩車道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓圖(如圖1所示)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的斷面形式如圖2所示。

1.2 圍巖級(jí)別參數(shù)選取

本文的數(shù)值模擬主要針對(duì)公路隧道中的Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖，參數(shù)主要依據(jù)JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)各級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值，并可以根據(jù)具體工程實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)修改。

1.3 噴射混凝土材料參數(shù)選取

噴射混凝土材料，選用隧道建設(shè)實(shí)際工程中的經(jīng)驗(yàn)取值，其具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模擬中使用的錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼架單元結(jié)構(gòu)，其參數(shù)均采用JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中的建議取值。鋼筋網(wǎng)及鋼架參數(shù)均按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求的鋼筋間距及直徑要求，等效化成鋼筋混凝土參數(shù)，在噴射混凝土參數(shù)進(jìn)行一定的等效代換。

表1 噴射混凝土材料參數(shù)取值

由于噴射混凝土的收縮，若其厚度小于50 mm，噴層中粗集料的含量甚少，容易引起收縮開(kāi)裂。同時(shí)噴層過(guò)薄也不足抵抗巖塊的移動(dòng)，常出現(xiàn)局部開(kāi)裂和剝落。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)噴射混凝土支護(hù)作用情況進(jìn)行了調(diào)查，噴射混凝土支護(hù)的厚度不應(yīng)小于50 mm。同時(shí)為了發(fā)揮圍巖的自撐作用，要求噴層具有一定的柔性，施工時(shí)要求分幾次噴射達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。對(duì)于三車道以上的大斷面隧道，噴混凝土層相對(duì)柔性大，噴射混凝土厚度可以適當(dāng)加大，但不宜大于300 mm。對(duì)于Ⅳ，Ⅴ級(jí)不穩(wěn)定的圍巖，一般須設(shè)計(jì)鋼架支護(hù)。

2 數(shù)值模擬方案描述

第一步：隧道開(kāi)挖后，3倍～5倍洞徑范圍為開(kāi)挖影響范圍，該范圍內(nèi)的巖體成為圍巖體，應(yīng)力將產(chǎn)生重分布。因此，在建立數(shù)值模型計(jì)算時(shí)主要考慮該范圍內(nèi)的圍巖體，具體為隧道上部覆蓋圍巖體厚度取3倍隧道跨度，約36 m，左右兩邊巖體厚度取4倍隧道跨度，約48 m，底部巖體厚度取3倍隧道跨度。按照上述設(shè)計(jì)尺寸，并在參考地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格，按照1∶1比例尺寸建立模型。

第二步：施加邊界條件，限制左右兩側(cè)水平方向位移為0，固定底邊的水平和豎向位移均為0，隧道埋深100 m，在上邊界均布施加豎直方向荷載T1=ρgh，其中,ρ為巖體的密度；h=64；豎直方向漸變系數(shù)為ρg。側(cè)壓系數(shù)為1.2，故在左右邊界施加水平荷載T2=1.2T1，水平方向漸變系數(shù)為1.2ρg，從而模擬地應(yīng)力。

第三步：選定某一級(jí)別圍巖，將其相關(guān)參數(shù)賦值于數(shù)值模型內(nèi)，然后進(jìn)行開(kāi)挖，支護(hù)。模擬研究設(shè)計(jì)規(guī)范要求范圍內(nèi)的可能初期支護(hù)襯砌層厚度對(duì)圍巖的支護(hù)作用，給出數(shù)據(jù)分析及相關(guān)的數(shù)據(jù)云圖展示，包括模型整體Z方向的位移，模型Z方向的應(yīng)力等云圖。然后整理分析特定圍巖級(jí)別下不同噴射混凝土層厚度對(duì)圍巖支護(hù)作用的影響，進(jìn)行優(yōu)選，確定最優(yōu)厚度。

第四步：針對(duì)不同圍巖級(jí)別，調(diào)整對(duì)應(yīng)的巖體參數(shù)，包括巖體密度、內(nèi)摩擦角、粘聚力、體積模量以及彈性模量等，重復(fù)第二步。

第五步：進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的全部匯總分析處理，通過(guò)圖表及力學(xué)參數(shù)結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)噴射混凝土襯砌層對(duì)圍巖支護(hù)作用的影響進(jìn)行定性的認(rèn)識(shí)，最后給出噴射混凝土襯砌與圍巖相互作用的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

3 模擬結(jié)果及分析

由于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖自穩(wěn)能力強(qiáng)，基本不需要太多支護(hù)，一般均進(jìn)行錨桿加噴射混凝土，噴層的厚度不超過(guò)12 cm，錨桿一般為隨機(jī)錨桿。因此，主要研究Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖的支護(hù)。

3.1 Ⅳ級(jí)圍巖

本文模擬時(shí)設(shè)定Ⅳ級(jí)圍巖的開(kāi)挖方法為上下臺(tái)階法。在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，圍巖不能自穩(wěn)，需要進(jìn)行支護(hù)。

1)25 cm噴層支護(hù)。

圖3顯示下半斷面開(kāi)挖之后，雖然及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，但圍巖的位移仍然在持續(xù)增加，最后拱頂最大沉降約為8.55 cm，并且破壞區(qū)域也在不斷擴(kuò)大。由此可知，單獨(dú)的噴混層支護(hù)在四級(jí)圍巖條件下無(wú)法滿足安全施工的要求，需要采用鋼架和鋼筋網(wǎng)或錨噴+鋼筋網(wǎng)+鋼架的聯(lián)合支護(hù)。

2)25 cm錨噴支護(hù)+鋼筋網(wǎng)+鋼架。

如圖4和圖5所示，開(kāi)挖下半斷面，并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，拱頂最大沉降約為2.02 cm，塑性區(qū)明顯減小，相比只有噴層，支護(hù)效果有明顯的提升。

3.2 Ⅴ級(jí)圍巖

1)25 cm錨噴支護(hù)+鋼筋網(wǎng)+鋼架。

如圖6和圖7所示，采用25 cm的聯(lián)合支護(hù)形式后，拱頂沉降約為4.35 cm，塑性區(qū)小，圍巖的穩(wěn)定性較好，基本滿足安全施工要求。

2)30 cm錨噴支護(hù)+鋼筋網(wǎng)+鋼架。

如圖8和圖9所示，與25 cm的聯(lián)合支護(hù)手段相比，30 cm的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)一步控制了圍巖變形，拱頂最大沉降由4.35 cm下降到3.27 cm，塑性區(qū)域進(jìn)一步減小，整個(gè)圍巖體受力情況也進(jìn)一步變好。但從支護(hù)效果來(lái)看，變化不是很明顯，因此一般采用25 cm聯(lián)合支護(hù)即可，在大變形、大流變情況下，建議采用30 cm聯(lián)合支護(hù)情況。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合規(guī)范中對(duì)隧道最大允許沉降值的要求，可得到如下結(jié)論：

1)在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，推薦采用25 cm的錨噴+鋼筋網(wǎng)+鋼架的聯(lián)合支護(hù)方式，能夠較好地保證圍巖體的整體穩(wěn)定性，滿足隧道建設(shè)的安全施工要求。

2)在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，一般可以優(yōu)先采用25 cm的錨噴+鋼筋網(wǎng)+鋼架的聯(lián)合支護(hù)方式，但如果圍巖狀況較差，變形較大，可以改為30 cm的錨噴+鋼筋網(wǎng)+鋼架的聯(lián)合支護(hù)方式。

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Numerical analysis of surrounding rock stability under different supporting conditions

Zhang Longsheng1Yu Wensheng2Zhou Xiaoyong1Zhu Lin3Zhang Luchen3

(1.JiangxiTransportConsultationCompany，Nanchang330000，China;2.JiangxiProvincialExpresswayInvestmentGroupCo.，Ltd，Nanchang330000，China;3.Geotechnical&StructuralEngineeringResearchCenter，ShandongUniversity，Jinan250061，China)

In this paper, the finite difference software FLAC3Dis used to establish a two-dimensional finite difference numerical model with Mohr-Coulomb criterion as the yield condition. In order to compare and analyze the effect of the thickness of the shotcrete on the support of different levels of surrounding rock, so as to select the appropriate shotcrete thickness under different surrounding rock level.

surrounding rock, concrete, numerical model, bolt

1009-6825(2016)30-0165-03

2016-08-13

張龍生(1966- )，男，高級(jí)工程師； 俞文生(1976- )，男，教授級(jí)高級(jí)工程師； 周小勇(1975- )，男，高級(jí)工程師； 朱 林(1992- )，男，在讀碩士； 張露晨(1988- )，男，在讀博士

U451.2

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