岩质隧洞支护结构设计计算方法

探索岩质隧洞支护结构设计计算方法摘要：通过力学计算和模型实验，分析了隧洞破坏型式好机制，并将稳定分析判据设置为基于有限元强度折减法求出的围岩安全系数。

本文提出了各级岩体的稳定性标志，并将无衬砌情况下隧洞的围岩安全系数作为定量标志，并在此基础上反推出强度系数。

先提出设计计算方法，然后有限元计算系数，再进行数值模拟以计算衬砌和围岩的安全系数，以此提出新型结构设计计算方法。

关键词：隧洞；围岩稳定性；强度参数；安全系数；衬砌支护结构；初期支护；二次支护中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：引言尽管可采用有限元法或有限差分法等方法来计算隧洞围岩的受力状态，隧洞的设计仍然是经验性的。

多采用有限元法计算出来的位移和塑性区大小来判断围岩的稳定性,但因为不知道围岩的真正破坏状态,所以这种判断因人而异,也是经验性的。

本文是将有限元分析引入岩质隧洞的稳定分析,除探索岩体隧洞的剪切安全系数与拉裂安全系数外,还要研究岩质隧洞围岩强度参数的合理选取问题,并对现行规范中采用的各级围岩强度参数作某些修正。

岩质隧洞破坏机理岩质隧洞开挖前,岩体一般处于天然应力平衡状态。

隧洞开挖后,隧洞形成了自由空间,破坏了这种天然应力的平衡状态。

原来洞周边岩体是处于挤压状态的围岩,在洞周边进行了卸载后,由于失去原有支撑,岩体应力重新调整,并向洞室空间变形。

当岩体强度小于洞体应力,便发生了破坏,洞周部分岩体从母岩中分离、脱落,形成坍塌、滑动、隆起和岩爆等破坏状态。

从力学角度看,破坏分为剪切破坏与拉裂破坏。

地下洞室绝大部分处于受压状态,因而一般都是剪切破坏,洞周岩体出现破裂面,使部分岩体向洞内脱落,这是最常见的破坏状态。

针对这种破坏状态,必须引入剪切安全系数。

洞室围岩中,在洞周也可能发生局部的拉裂破坏,尤其在洞顶很平,岩体破碎软弱情况下,很可能在洞顶出现拉裂破坏,因而还必须引入拉裂安全系数。

以安全系数反推岩体的强度参数岩体是有节理裂隙的，它往往决定了岩土工程的真实破坏状态，隧洞工程也不例外。

因而依据岩体中的岩块强度与结构面强度进行分析，可以得到较准确的计算结果。

但这种方法在实际隧洞工程中应用会遇到一定困难，因为要在长距离隧洞内完全弄清未开挖隧道的岩体结构状况是不可能的。

因而本文采用等代岩体强度的方法，把岩体视为均质体，并依据各级围岩的稳定性指标尤其是围岩安全系数定量指标，提出相应的岩体强度参数。

一般来说，岩块强度与岩体结构面强度都是可以通过测试确定，而岩体强度难以采用测试确定，即使在现场试验，由于试块尺寸有限，也难以代表真正的岩体强度。

当前一些规范中给出的各类围岩岩体强度都是依据工程经验给定的，它与具体的岩石无关，有较大的随意性。

可见，由于岩体强度参数无法准确获得，即使引入了围岩安全系数的概念，通过安全系数反推岩体强度参数，但这种做法也仍然是一种等代的经验方法。

不过，经验的方法也需要尽量使其接近客观实际，为此笔者依据各级围岩的稳定性，提出了相应的稳定安全系数指标，并据此反推岩体的强度参数，从而对现行各级围岩强度参数值进行修正，使其更接近实际。

各类围岩的安全系数标志着各类围岩的稳定性。

各种围岩分类中都有一些标志围岩稳定性的标志性说明，一般都以不同跨度隧洞的围岩稳定时间作为标志。

这里总结了以往标志，并以笔者的理解，提出了各类岩体的稳定性标志（见表 1），尤其还提出了隧洞无衬砌情况下，以围岩安全系数作为稳定性定量标志。

表 1 岩质隧道岩体的稳定性标志表 1 中的稳定性标志与现行铁路、公路规范基本相似，但有如下特点：（1）隧洞围岩岩体分级中，一般都规定既适用于岩体，还适用于土体。

本分级中只对岩质隧洞进行分级，而不包括土体。

因为土体是均质材料，强度可以通过测试确定，因而可采用本文的力学方法进行设计计算。

（2）岩质隧洞围岩按照稳定性分级，将岩体分成长期稳定、稳定、基本稳定、不稳定、很不稳定5 级。

按其洞跨的不同，其表现的稳定性及工程所处状态不同，而且施工状态与竣工状态的稳定性也不同。

因而稳定性指标与洞跨及工程所处状态有关。

（3）提出了无支护情况下各级围岩的最小安全系数作为围岩稳定性标志，为围岩稳定性分级提供了定量标准。

为了区别同一级别，不同洞跨的围岩稳定性，表 2 中又将 iii、iv、v 级围岩各自细分为两级：iii1、iv1、v1对应洞跨 12 m 以内；iii2、iv2、v2对应洞跨 12～20 m，各自对应不同的安全系数。

同一级围岩中，大跨度隧洞稳定性小于小跨度隧洞，以反映真实的围岩稳定性。

（4）表 1 中岩质隧洞的对象为跨度 20 m 以内，跨高比为 4、2 的公路隧道、铁路隧道、城市地铁、地下厂房及各类库房，埋深在 600 m 以内。

表 2 列出了公路设计隧洞规范规定与本文建议的各级围岩岩体强度参数。

在表 2 中，笔者对各级围岩岩体的强度参数提出了建议值。

其依据是按各级围岩的稳定性给出相应的最小安全系数，由此反推各级围岩岩体的强度参数。

由表 2 可见：与规范比较 c、值降低了，尤其值降低幅度较大，其中ⅰ、ii 类围岩的值取规范上规定的 0.7～0.8 倍左右。

这是因为规范给定的值基本上为岩块的值，而岩体的值通常取岩块值的 0.8 倍左右。

大跨度隧洞 c、值降低更多，其原因是将稳定性指标与表 1 中最小安全系数对应，大跨度隧洞的稳定性低于小跨度隧洞。

表 2 岩体的强度参数规范值与本文建议值确定各类岩体的强度参数值后（见表 2），对不同工况条件下的地下隧洞进行数值计算。

不同工况指：跨度不同（20、12 m）；跨高比不同（4、2）；埋深不同（100、600 m）；围岩类别不同；矢跨比不同。

计算时，各级岩体的强度参数取表 2 建议值中的最低值。

各类工况得到的安全系数见表 3。

由表 1、3 可见，ⅰ、ii 类围岩整体是稳定的，局部掉块可采用局部处理。

尽管整体稳定，但从防护、安全考虑，也是需要支护的。

iii 类岩体在洞跨12 m 以内基本稳定，其安全系数大于 1.5；而跨度12～20 m 不稳定，安全系数在 1 左右，所以对 iii类围岩按跨度采用两种强度参数是符合实际的。

同样对 iv、v 级围岩也按跨度不同分成两种强度。

隧洞设计计算方法由于ⅰ、ii 级岩体至少是基本稳定，因而设计中可按风险设计。

iii、iv、v 级可按稳定性计算设计，一般可采用形变压力计算。

在有衬砌情况下，既要保证围岩的一定安全度，又要保证衬砌达到足够安全度，当不能保证围岩长期稳定时，必须采用松动压力计算。

4.1计算方法计算方法采用有限元强度折减法，按照平面应变问题考虑，计算采用理想弹塑性本构模型，采用平面应变关联法则下莫尔-库仑匹配准则。

根据文献，确定计算范围为：上取自地面，下部取至洞室直径的 2.5 倍，横向取至洞室直径的 3.5 倍。

边界条件定义为：左右两侧水平约束，下部固定，上部为自由边界。

对围岩采用平面6 节点三角形单元plane2 来模拟，对衬砌结构用梁单元 beam3 模拟。

4.2计算步骤（1）计算未开挖时的初始应力场（初始应力平衡）；（2）对于初期支护：在释放 50 %应力后施加初期支护，计算围岩的安全系数和初衬安全系数；（3）对于二次支护：施加初期支护后，不释放应力或再释放 20 %应力后施加二衬，计算围岩的安全系数和二衬的安全系数[10]。

计算围岩的安全系数利用有限元强度折减法，不断降低 c、值，使岩土体达到破坏状态。

计算二衬的安全系数，根据《公路隧道设计规范》结构计算规定。

五、结语目前国内是依据工程经验来给出各类围岩岩体抗剪强度参数的，而本文则通过稳定安全系数来反推岩体力学参数，从而得出最稳定性的岩体强度参数值。

基于有限元强度折减法与有限元法提出了隧洞的设计计算方法，对初期支护与二次支护做出了更有科学依据的设计计算。

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