隧道Ⅴ級(jí)圍巖噴射混凝土襯砌厚度數(shù)值分析

鄭躍潼

摘要：噴射混凝土作為新奧法施工的三大必須手段之一，對(duì)洞室圍巖起到支護(hù)的作用，其中噴射混凝土襯砌的厚度對(duì)圍巖支護(hù)效果影響較大。本文針對(duì)公路隧道Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行UDEC數(shù)值模擬，分析不同噴層厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，對(duì)于Ⅴ級(jí)隧道圍巖，要采用鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，且噴射混凝土厚度為25cm時(shí)，支護(hù)效果最好。研究結(jié)果為隧道初期支護(hù)施工設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)和參考。

Abstract： As one of three essential means of the new Austrian method constructional， the shotcrete construction plays a supporting role in the surrounding rock， and the shotcrete lining thickness has a great effect on the supporting effect of the surrounding rock. The UDEC numerical simulation for Class-V surrounding rock in tunnels is taken to analyze the influence of different shotcrete thickness on the stability of the surrounding rock. The results show that for Class-V surrounding rock in tunnels， when using the steel arch， steel mesh， bolt and shotcrete for combined support and shotcrete thickness is 25cm， the supporting effect is best. The results provide scientific basis and reference for initial supporting construction design of the tunnel.

關(guān)鍵詞：噴射混凝土；襯砌厚度；數(shù)值分析；圍巖穩(wěn)定；聯(lián)合支護(hù)

Key words： shotcrete；lining thickness；numerical analysis；stability of surrounding rock；combined support

中圖分類(lèi)號(hào)：U452.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0150-03

1 UDEC簡(jiǎn)介

基于牛頓第二定律建立起來(lái)的剛體離散單元法在1971年提出之初主要用在巖石邊坡運(yùn)動(dòng)的分析和研究中，之后又推廣應(yīng)用到準(zhǔn)靜力或動(dòng)力條件下節(jié)理系統(tǒng)或塊體集合的力學(xué)研究中。假設(shè)塊體為準(zhǔn)剛度體，節(jié)理或弱面控制影響著塊體的運(yùn)動(dòng)。將節(jié)理巖體看作由裂隙切割的非連續(xù)介質(zhì)，相互切割的裂隙將巖體分成相互獨(dú)立的塊體單元，單元之間可以看成是角-角接觸、角-邊接觸或邊-邊接觸。塊體間的邊-邊接觸可分解為由兩個(gè)角-邊接觸而成，并且隨著單元的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，允許調(diào)整各個(gè)單元之間的接觸關(guān)系，最終塊體單元可能達(dá)到平衡狀態(tài)，也可能一直運(yùn)動(dòng)下去。

離散單元法可以對(duì)由不同塊體構(gòu)成的整體進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變的分析計(jì)算，各不同塊體之間通過(guò)接觸點(diǎn)的耦合作用實(shí)現(xiàn)連接。目前許多類(lèi)型的巖體，在構(gòu)造弱面的強(qiáng)度和剛度都不及巖石本身，基于這點(diǎn)來(lái)看，為了排除更多具有不確定性（自由度）的研究對(duì)象，一般都將各不同巖石塊體假設(shè)為剛性，則各接觸點(diǎn)或接觸面發(fā)生的變形就是決定結(jié)構(gòu)位移總量的主要因素。此時(shí)所采用的研究對(duì)象通常被認(rèn)定是不同離散塊體的堆砌，但是如果參照位移與力的關(guān)系式來(lái)解析塊體之間的相互作用力，會(huì)發(fā)現(xiàn)單個(gè)塊體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與牛頓運(yùn)動(dòng)定律是一致的，也就是說(shuō)力與力矩相互平衡。構(gòu)建數(shù)值分析模型時(shí)，應(yīng)該注意平衡方程、變形協(xié)調(diào)方程以及本構(gòu)方程的解算要求，同時(shí)還要兼顧一些邊界條件。嚴(yán)格來(lái)講，離散元塊體之間不存在相互的約束關(guān)系，彼此之間沒(méi)有變形協(xié)調(diào)的約束作用，從這點(diǎn)來(lái)看，構(gòu)建數(shù)值分析模型時(shí)只需考慮物理方程和運(yùn)動(dòng)方程的約束條件即可。

2 模擬方案設(shè)計(jì)

采用離散元數(shù)值軟件UDEC，基于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則為屈服條件，建立二維離散元數(shù)值模型。分析公路隧道Ⅴ級(jí)圍巖情況下，不同噴射混凝土層厚度對(duì)圍巖的支護(hù)效果，建立統(tǒng)一的數(shù)值模型尺寸和形狀。選取噴層厚度作為變量，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，研究噴射混凝土厚度的支護(hù)效果差異，從而確定最優(yōu)的噴層厚度[1-4]。

隧道斷面采用三心圓，尺寸采用四車(chē)道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)路基寬為12.25m，R1=6.5m，R2=5.5m。依據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，Ⅴ級(jí)隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值如表1所示。

噴射混凝土采用C25混凝土，參數(shù)取值如表2所示。

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倍四車(chē)道跨度，約43m，左右兩邊巖體厚度取4倍隧道跨度約55m，底部掩體厚度取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，添加傾角為45°的巖層節(jié)理面，劃分網(wǎng)格，按照1：1比例尺寸建立模型。

施加邊界條件，限制左右兩側(cè)水平方向位移為0，固定底邊即水平和豎向位移均為0，在上邊界均布施加豎直方向1.0e7N荷載，左右邊界施加均布水平荷載1.5e7N，從而模擬地應(yīng)力。

選定某一級(jí)別圍巖及對(duì)應(yīng)巖體節(jié)理，賦值于數(shù)值模型內(nèi)，再正式開(kāi)挖并施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合圍巖級(jí)別的限制條件，在操作過(guò)程中需要對(duì)巖體參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，比如巖體密度、內(nèi)摩擦角、粘聚力及彈性模量等，并更換和級(jí)別對(duì)應(yīng)的巖體節(jié)理參數(shù)，包括徑向剛度、剪切剛度、粘結(jié)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等參數(shù)。進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的全部匯總分析處理，最后給出噴射混凝土襯砌最優(yōu)厚度。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 開(kāi)挖未支護(hù)

對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行開(kāi)挖不支護(hù)，得到平衡后的塊體單元情況如圖1所示。

由圖1可以看出，在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，如果隧道開(kāi)挖后不及時(shí)進(jìn)行有效的初期支護(hù)，圍巖會(huì)出現(xiàn)塌方大變形災(zāi)害，大量塊體掉落。

由圖2可知，隧道幾乎全部坍塌，最大Y方向位移達(dá)到了6m。

圖3為隧道開(kāi)挖未支護(hù)的塑性區(qū)，從圖中可以看出，隧道開(kāi)挖上部出現(xiàn)大量的軟弱屈服面破壞，并且在拱頂出現(xiàn)拉伸破壞現(xiàn)象，圍巖整體穩(wěn)定性極差。

3.2 錨噴支護(hù)+鋼筋網(wǎng)+鋼架（噴層15cm）

對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖后，進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，主要有錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土，噴層厚度為15cm，得到平衡后塊體單元情況如圖4所示。

由圖4可知，進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)后，不再出現(xiàn)掉塊及塌方現(xiàn)象。

由圖5可知，在聯(lián)合支護(hù)（15cm）作用下，隧道開(kāi)挖后拱頂?shù)淖畲蟪两抵担╕方向位移最大值）為20cm。

由圖6可以看出，聯(lián)合支護(hù)（15cm）作用下，模型仍出現(xiàn)了較多的軟弱屈服面（246個(gè)）和少量拉伸破壞單元塊體（15個(gè)），尤其集中在開(kāi)挖隧道附近圍巖附近，極大地影響了隧道圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 錨噴支護(hù)+鋼筋網(wǎng)+鋼架（噴層25cm）

從圖7和圖8可知，聯(lián)合支護(hù)（25cm）很好地控制了圍巖體的變形，尤其是隧道開(kāi)挖周邊圍巖體的變形。隧道拱頂最大沉降位移為4.5cm，相比于聯(lián)合支護(hù)（15cm）的20cm，支護(hù)作用提升明顯。

從圖9也可以看出，聯(lián)合支護(hù)（25cm）后，整個(gè)圍巖體穩(wěn)定性較好，只出現(xiàn)了22個(gè)軟弱屈服面，沒(méi)有出現(xiàn)拉伸破壞現(xiàn)象，整體支護(hù)效果很好。

4 結(jié)論

噴射混凝土技術(shù)是圍巖支護(hù)的重要手段，由數(shù)值模擬結(jié)果可知，對(duì)于公路隧道Ⅴ級(jí)圍巖，應(yīng)采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)，且噴層為25cm時(shí)，效果最好。

參考文獻(xiàn)：

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