干阳沟黄土隧道支护结构数值模拟探讨

摘要： 针对干阳沟隧道黄土段顶部围岩支护问题，采用数值模拟方法分别对顶部设置锚杆支护和顶部取消锚杆支护两种支护形式下的隧道围岩进行了计算与分析。结果表明，干阳沟隧道黄土段围岩顶部在取消了锚杆支护后，隧道仍旧处于相对稳定状态，大大节省了该项目的工程投资，为同类工程的设计提供了参考。

Abstract： Aiming at the retaining structure problem of Ganyanggou tunnel"s surrounding rock， numerical simulation is used to calculate and analyses on if there are anchor cables on the top of tunnel"s surrounding rock. The result indicated that the top surrounding rock is stable without anchor cable， which greatly saves the project cost and it gives some references to the similar projects.

关键词： 黄土隧道;支护结构;数值模拟

Key words： tunnel in loess;retaining structure;numerical simulation

0  引言

新建山西中南部大能力铁路对外通道干阳沟隧道位于临汾市浮山县境内，隧道进口里程位于北韩站出站后的杨村河村，隧道出口位于上村河村。隧道起始里程DK361+735～DK370+190，中心里程DK365+962.5，全长8455m，地面高程间于720-920之间，隧道最大埋深约200m，最小埋深为10m。

隧道处于丘陵区，地势起伏较大，地面标高720～920m，相对高差约200m，隧道进口坡度较缓，出口处坡度较陡，地表冲沟发育，多为V型沟，无河流改道的地貌特征，主要特点为主沟两侧发育了较多的支沟，沟两侧均为砂质黄土、粉土、粉质黏土等漫滩相冲积物，沟心未见基岩出露。

隧道进口段位于第四系中更新统砂质黄土土层中，砂质黄土具自重湿陷性，为Ⅲ级自重湿陷，属于Ⅲ级严重湿陷性场地类型。支护难度较大，但对于顶部围岩而言，其本身具有一定的自承能力，故分别对其有顶部锚杆和无顶部锚杆的围岩应力应变进行研究。干阳沟隧道黄土段断面图如图1所示。

1  隧道围岩支护研究意义与现状

地下隧道开挖后，由于洞周卸载，破坏了开挖前的平衡状态，隧洞周围各点应力状态发生变化，各点产生位移，应力重新调整，为了有效阻止上述变形的发生，一般通过对隧道进行支护来满足正常使用的要求，另一方面，隧道围岩也具有一定的自主承载能力。因此，对隧道的支护设计应分别从以上两个方面来考虑。

国内外众多学者在围岩支护、稳定性方面都做了相应的研究与分析。杨峰，阳军生[1]应用极限分析上极限法计算了浅埋隧道围岩压力，构造了浅埋隧道围岩两种刚体平动破坏模式，并推导了理论公式;朱汉华，潘明军[2]针对《公路隧道设计规范》中有关围岩压力计算和支护设计参数取值与其围岩分类结合不紧、应用不方便的情况，根据规范中围岩分类的有点，提出了山岭隧道围岩压力计算和支护设计参数取值办法;王永岩[3]通过有限元与优化理论的结合，提出了一种新的简单的地下工程围岩压力计算的反算法，并对计算地下工程围岩压力分布进行了新的探讨;范文，俞茂宏，孙萍等[4]基于统一强度理论，推导得出了硐室形变围岩压力的统一解;Atkinson J H 和Potts D M[5]模型试验和极限分析上限法、下限法研究了无粘性土浅埋隧道稳定性问题。在前人研究的基础上，采用数值模拟分别对有顶部锚杆和无顶部锚杆两种情况下干阳沟黄土隧道的支护结构进行分析，通过分析对现有支护形式进行优化。

2  支护条件下围岩数值模拟计算

干阳沟隧道DK361+735-DK362+600段位于砂质黄土土层中，DK362+600-DK367+100段隧道位于第四系土层与基岩界面地段，由于土层与基岩的强度、工程性质差异较大，故专门对于黄土段隧道的支护结构形式进行计算分析，以便准确评价支护后隧道的稳定性和优化隧道的支护结构提供理论指导。

2.1 模型的建立及参数取值  由于整个黄土段隧道的上覆岩层厚度不同，因此在计算的过程中，取DK361+735-DK362+600段上覆岩层的平均值进行计算。整个模型尺寸为80×200×80m3（x方向×y方向×z方向），共5120个单元，6048个节点。

侯朝炯，勾攀峰[7]通过试验和理论分析，研究了巷道锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后，E，c，？渍，等力学参数的改善。对于岩土体与岩土试块之间数值上的差别，采用强度折减法和工程类比法对力学参数进行修正。

根据干阳沟隧道工程地质勘察报告，计算过程中取岩土体力学参数如表1所示。

2.2 模型材料的破坏准则  岩体与土体等这一类材料都属于非常复杂的介质，在不同的条件下会呈现出多种属性。根据上覆岩层材料的力学特征，在数值计算的过程中采用摩尔-库伦强度准则。摩尔-库伦强度准则是目前岩石力学中应用最为广泛的准则之一，其基本思想是认为岩石破裂面产生的破坏剪应力受到岩石材料的内聚力和摩擦力的抵抗，当破裂面上的破坏剪应力等于岩石的内聚力和摩擦力时，岩石开始发生剪切破坏，其表达式为[8]：

？子f=c+？滓tan？渍（1）

式中，c为岩石凝聚力，MPa;？渍为岩石内摩擦角。

2.3 计算结果分析

2.3.1 顶部有锚杆  计算得到隧道黄土段在有顶部锚杆时围岩的竖向位移等值线图如图2所示。

围岩水平向位移等值线图如图3所示。

通过上述计算结构可以看出，当顶部存在锚杆支护时，此时隧道顶部的竖向位移为0.023m，水平位移为0.011m，均非常小。

2.3.2 取消顶部锚杆  没有有顶部锚杆时围岩的竖向位移等值线图如图4所示。

围岩水平向位移等值线图如图5所示。

通过上述计算结构可以看出，当顶部存在锚杆支护时，此时隧道顶部的竖向位移为0.095m，水平位移为0.042m。

根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）[9]中关于隧道初期支护极限相对位移和稳定性判别方法，隧道浅埋段埋深小于等于50m，隧道围岩为V级，要求拱脚水平净空变化极限位移U0=0.30～1.00m，同时拱顶相对下沉极限值为U0=0.06～0.12m。

根据计算得到数值U

3  结论

针对干阳沟隧道黄土段支护结构的形式问题，以数值模拟为手段进行了计算分析。分别计算了在有顶部锚杆支护和无锚杆支护两种情况下隧道围岩顶部的变形情况，通过分析，在取消隧道顶部围岩支护锚杆的情况下，围岩顶部的变形量仍比较小，在规范规定的合理范围内。故最后围岩的支护形式中取消了顶部锚杆，使得工程成本大大降低，同时也为其它类似工程提供了有益的参考。

参考文献：

[1]杨峰，阳军生.浅埋隧道围岩压力确定的极限分析方法[J]. 工程力学，2008，25（7）：179-184.

[2]朱汉华，潘明军.山岭隧道围岩压力计算及支护设计探讨 [J].中外公路，2002，22（12）：53-55.

[3]王永岩.地下工程围岩压力计算的反算法[J].工程力学，1991，8（1）：132-144.

[4]范文，余茂宏，孙萍，等.硐室形变围岩压力弹塑性分析的统一解[J].长安大学学报（自然科学版），2003，23（3）：1-4.

[5]Atkinson J H， Potts D M. Stability of shallow tunnel in cohesionless soil [J].岩土工程流变力学[M].Geotechnique， 1997， 27（2）： 203-215.

[6]刘波，韩彦辉.FLAC原理实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005，9.

[7]侯朝炯，勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩石力学与工程学报，2000，19（3）：342-345.

[8]徐志英.岩石力学[M].北京：中国水利水电出版社，2002，8.

[9]TB10003-2005，铁路隧道设计规范[S].铁路工程技术标注所，2005.