基于強度折減法的昔格達地層隧道穩定性分析

何能方, 曹曉川, 張選龍

(中交隧道局第四工程有限公司, 四川成都 610091)

隨著我國經濟的快速增長，對交通的需求也隨之加大。為減小西南地區日益增長的運輸壓力，新建成昆鐵路擴能改造工程應運而生，基礎交通建設正逐步向西南山嶺地區發展，因此隧道工程將大量涌現，其中穿越復雜地質的長大隧道所需要的技術條件將更高。

成昆鐵路穿越了四川攀西地區所特有的河湖相半成巖，當地命名為“昔格達”。這種特殊的巖土具有遇水后崩解泥化，工程性質迅速劣化、強度降低，為極不穩定的砂泥巖[1]。昔格達地層隧道工程建設實踐表明，在建設過程中易出現初支開裂、鋼架扭曲、圍巖大變形甚至塌方等工程災害[2]。故對于昔格達地層隧道的圍巖穩定性分析對保證施工安全，指導支護設計都具有重要意義。

2004年，鄭穎人等[3]首次將強度折減法應用于隧道工程中，以整體安全系數和局部安全系數定量表征隧道安全性，并求出隧道失穩的潛在滑動面，為隧道設計施工提供理論指導。隨著數值計算技術的不斷進步，應用有限元分析求解隧道安全系數得到了迅速發展。江權[4]等基于M-C準則，以洞室之間的等效塑性應變貫通作為洞室群的失穩判據，通過巖土體參數的折減得到洞室群的整體安全系數，并在實際工程中得到了應用。安永林[5]等依托武廣專線瀏陽河隧道，通過強度折減法探明了隧道失穩全過程，并以隧道失穩形態提出了針對性的工程措施。孔超[6]通過數值方法和室內模型試驗對比分析，研究得出了大規模高密度城市隧道群的安全系數。同時針對支護結構的作用效果，陳力華[7]、張紅[8]、徐立功[9]等均采用有限元分析方法，從安全系數的角度探討了隧道錨桿、噴射混凝土的作用功效，并通過隧道支護結構的安全系數對參數設計提供參考和依據。

昔格達地層在天然狀態下工程性質較好，而在地下水的作用下其強度降低，隧道圍巖穩定性變差。含水率、埋深等敏感因素與隧道穩定性的關系對隧道施工和支護設計都具有現實意義，因此本文基于強度折減法，以安全系數定量評價昔格達地層隧道圍巖穩定性。

1　強度折減法基本原理

強度折減法最初多應用于巖土邊坡的穩定性分析中，鄭穎人[3]等首次將其應用于隧道工程中，其實質是通過對巖土體抗剪強度參數(主要包括粘聚力c、內摩擦角φ)通過一定方式進行折減，如式1所示。通過不斷增大折減系數使巖土體抗剪強度參數逐漸減小，最后得到一個臨界折減系數使系統處于極限平衡狀態，定義當系統抗剪強度折減系數為Fs時，系統處于極限平衡狀態，此時認為系統的安全系數為Fs。

(1)

1.1　屈服準則

在實際工程應用中，我們往往需要在滿足一定工程精度的前提下，選擇最為簡單實用的本構模型。在數值模擬分析中，通常采用Morh-Coulomb彈塑性本構模型來模擬隧道結構周圍的巖土體、加固圈和注漿材料。巖土體滿足M-C屈服準則：

(2)

式中：I1為主應力第一不變量；J2偏應力第二不變量；ω0為洛德角。

1.2　失穩判據

通過數值分析方法對巖土工程進行穩定性分析時，如何運用強度折減法找到臨界破壞時的折減系數，才恰好達到破壞是一個關鍵問題，這就是如何選擇破壞判據的問題。目前使用較多的主要有以下三種：(1)計算收斂；(2)塑性區的貫通；(3)特征點的位移突變。Flac3D有限差分數值模擬軟件具有強大的收斂能力，參照邊坡安全系數求解方法，以最大不平衡力為收斂準則，通過“二分法”自動搜索，自編采用計算收斂為失穩判據的隧道安全系數求解程序。

2　昔格達組地層隧道無支護情況下自穩能力評價

本文采用有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬分析，計算斷面參考成昆鐵路桐梓林隧道雙線鐵路隧道標準斷面(圖1)。計算模型跨度取12.14 m，高度取12.96 m，圍巖用八節點六面體實體單元模擬。根據隧道力學理論，隧道開挖后的應力影響范圍為隧道周圍3～5倍開挖洞徑，為此，左右邊界條件各取約5倍洞徑，模型底部邊界距離隧道底部約3倍洞徑，以避免邊界條件的影響。圍巖力學參數選取參照表1。

圖1　Ⅴ級圍巖支護設計及隧道斷面示意

含水率/%重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa內摩擦角/°019.5323.150.4343.444.5519.5315.900.4322.840.71019.5308.000.4302.136.81519.5300.100.4281.433.02019.5292.250.4260.729.126.619.5150.600.4155.224.13019.539.050.475.522.8

昔格達組地層具有較強的水敏性，隨著圍巖含水率的增加，其工程性質迅速劣化。相應的對于昔格達組地層隧道而言，針對不同的含水率，在無支護時隧道自穩能力也不盡相同。對于求解隧道穩定安全系數，分為隧道整體失穩和局部失穩，相應得到得是隧道整體的穩定安全系數和局部安全系數。隧道局部失穩主要發生在節理裂隙發育的巖體中，因此本文主要探求昔格達組地層隧道的整體失穩破壞機制，并定量評價隧道的穩定性，并考慮隧道圍巖含水率和隧道埋深，分別探討各因素對隧道在無支護條件下的穩定性影響。

2.1　折減系數變化對隧道穩定的影響

成昆鐵路桐梓林隧道穿越第三系昔格達組頁巖夾砂巖，天然含水率為26.6 %，埋深選取45 m，分析圍巖變形與折減系數的關系(圖2)。

圖2　圍巖變形—折減系數關系曲線

從圖2可以看出，拱頂沉降、邊墻和墻腳的收斂位移均呈現出一致規律：隨著折減系數的逐漸增大，隧道各部位的圍巖變形也逐漸增大，基本呈線性關系，當折減系數達到一定程度時，位移產生突變，計算不收斂，隧道處于極限平衡狀態，故認為昔格達組地層隧道在圍巖天然含水率情況下的整體安全系數為1.45。

為了更直觀的分析隧道整體失穩破壞機制，選取在隧道在不同折減系數下的圍巖塑性區云圖(圖3～圖5)。

圖3　折減系數為1.25時的圍巖塑性區云圖

圖4　折減系數為1.35時的圍巖塑性區云圖

圖5　折減系數為1.45時的圍巖塑性區云圖

從圖3～圖5可以看出，當折減系數較小時，塑性區主要分布于隧道兩側，此時隧道拱頂塑性區范圍較小，隧道處于穩定狀態；塑性區范圍隨著折減系數的增大而增大，隧道兩側首先形成剪切楔，由于剪切楔的形成導致拱腳穩定性降低，故塑性區向隧道拱頂發展，致使隧道拱頂位置逐漸失穩，塑性區呈現出“雙耳”狀；當折減系數進一步增大時，塑性區蔓延至地表，形成貫通，此時隧道處于極限狀態，面臨整體失穩。

2.2　含水率對隧道穩定性影響分析

含水率是昔格達組地層隧道致災因素中最為重要的一項，直接影響著隧道圍巖穩定性及支護結構安全性。圍巖的力學性能在水的作用下迅速降低，使得作用在支護結構上的圍巖壓力成倍增加，掌子面穩定性、拱腳和基底承載力減弱，也就導致了隧道初期支護大變形、鋼架扭曲變形、噴射混凝土剝落掉塊、支護結構整體下沉、隧道基底翻漿冒泥等工程災害。因此探明含水率改變對隧道圍巖穩定性的影響對穿越昔格達組地層隧道的設計及施工都有指導性價值。

基于強度折減法，得到不同含水率下45 m埋深時隧道的整體穩定安全系數，繪制于圖6。

圖6　安全系數與圍巖含水率關系曲線

從上圖可以看出，含水率變化對隧道整體穩定安全系數的影響很顯著，圍巖含水率的增加導致安全系數迅速減小。當含水率低于20 %時，安全系數與含水率之間呈現出線性變化的關系；當含水率超過20 %時，安全系數出現急劇下降，當含水率為30 %時，安全系數為0.99，即隧道毫無自穩能力，在沒有合理的超前支護措施的情況下，施工開挖后便會出現圍巖整體失穩破壞。

2.3　埋深對隧道穩定性影響分析

埋深影響著隧道圍巖破壞、整體失穩模式，同時也影響著隧道圍巖壓力分布規律及作用于支護結構上的荷載形式。分析埋深對隧道穩定性的影響，繪制安全系數與埋深的關系曲線(圖7)。

圖7　安全系數與埋深關系曲線

從圖7可以看出，隨著埋深的增大，隧道整體穩定安全系數逐漸減小。當隧道埋深較小時，隧道整體安全性對埋深因素較敏感；當隧道為深埋時，埋深對安全系數的影響減小，即隨著埋深的增大，安全系數變化趨勢不明顯。

3　結論

依托新建成昆鐵路擴能改造工程桐梓林隧道，基于強度折減法，采用有限差分數值計算方法，展開了對昔格達地層隧道無支護情況下的圍巖自穩能力分析，研究得到以下幾點結論：

(1)在圍巖天然含水率情況下，隨著折減系數的增大，隧道特征點的位移也隨之增長，當折減程度達到一定水平時，特征點位移出現突變，這與計算不收斂是一致的。

(2)通過對隧道塑性區云圖范圍隨折減系數變化而擴展過程分析可知：隧道由洞室兩側的剪切破壞開始，塑性區由于拱腳位置圍巖失穩而逐步向拱頂發展，最后形成蔓延至地表的貫通塑性區，引起隧道的整體失穩。

(3)含水率變化對隧道整體穩定性影響較大。當含水率高于20 %時，隧道整體安全系數出現急劇下降，特別地，當含水率為30 %時，隧道安全系數為0.99，即隧道毫無自穩能力。

(4)昔格達地層隧道整體安全系數隨著埋深的增大而減小，并且當埋深增大到一定程度時，安全系數增長趨勢并不明顯。