強度折減法在評價鐵路隧道圍巖穩定性問題中的應用探討

孫長升

摘 要 強度折減法通過對巖土體強度參數進行不斷折減，最終使巖土體處于極限狀態，并求得穩定安全系數。強度折減法首先在邊坡穩定分析中得到了廣泛應用。近年來，強度折減法在隧道工程中也逐漸被引入應用研究。通過建立數值計算模型，通過分析不同級別圍巖在不同強度折減系數條件下鐵路隧道掌子面拱頂沉降和水平位移變化得到其穩定性安全系數，對采用強度折減法進行鐵路隧道圍巖穩定性評價的應用進行了探討，可為以后進行鐵路隧道圍巖穩定性評價提供了新思路，新方法。

關鍵詞 鐵路隧道 強度折減法 圍巖穩定性 安全系數

Abstract Strength reduction method is a way in which strength parameters of rock and soil are reduced continuously and make rock and soil reach the ultimate limit state and get the safety factor of stability. Strength reduction method is widely used in slope stability analysis. In recent years， the strength reduction method has also been applied in some tunnel engineering. Analyze the change of vault settlement， extrusion deformation， and horizontal displacement of railway tunnel face in surrounding rock of different level and different strength reduction factor， discuss the application of strength reduction method in assessment of stability problem in railway tunnel by numerical model. It gives a new idea and a new way to estimate the stability of railway tunnel in the future.

Keywords railway tunnel； strength reduction method； stability of the surrounding rock； safety factor

0 引言

一直以來，隧道圍巖的穩定性一直是工程界研究的重點之一。一方面，隧道等地下工程處在圍巖中，而圍巖又異常復雜。地應力、地質結構，圍巖的力學性質、地下水等因素均會對隧道的穩定性產生影響，有時甚至是決定性影響；另一方面，設計施工中的工程因素如開挖斷面形狀、開挖工序、施工方法等也會對隧道穩定性造成影響。這就給隧道圍巖穩定性判別帶來困難。①

目前關于隧道圍巖穩定性的研究方法主要有極限分析法、數值模擬和現場監測、強度折減法等。②③④⑤

強度折減法通過對巖土體強度參數進行不斷折減，最終使巖土體處于極限狀態，并求得穩定安全系數。強度折減法首先在邊坡穩定分析中得到了廣泛應用。近年來，強度折減法在隧道工程中也逐漸被引入實際應用研究。⑥

本文通過數值計算模型，依據《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2005）相關內容，對采用強度折減法進行鐵路隧道圍巖穩定性評價的應用進行探討，為以后進行鐵路隧道圍巖穩定性評價提供了新思路，新方法。

1 計算模型

1.1 幾何模型

有限差分計算模型如圖1所示。隧道斷面尺寸以時速160km/h鐵路隧道斷面為例，開挖跨度13m。模型上部邊界為自由面，側面邊界施加垂直于邊界方向的位移約束，底部邊界施加三向位移約束。隧道開挖考慮土層的自重荷載。對于深埋情況，在模型上邊界加以均布面力來模擬深埋情況（本次計算深埋取埋深100m）。

1.2 本構模型及強度折減法

（1）以特征點處的位移（如邊坡工程采用坡頂點豎直方向的位移及坡腳點水平方向的位移） 是否突變作為失穩判據；

（2）以廣義塑性應變或者等效塑性應變（如邊坡工程采用從坡腳到坡頂貫通）作為破壞的標志；

（3）以有限元計算不收斂作為判據。

本次計算取第一種，即以特征點處的位移是否突變作為失穩判據。

1.3 計算參數

計算模型圍巖級別?、?、Ⅳ、Ⅴ三種圍巖級別。計算參數根據《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2005）中的關于各級圍巖的物理力學參數的指標標準值范圍取值，見表1。

不同強度折減安全系數下的計算參數根據式1和式2計算后取值。

1.4 計算過程

模擬計算中以全斷面開挖為例進行分析。通過不斷增大強度折減系數逐一對各個模型進行開挖計算。模型計算收斂后，以模型掌子面拱頂沉降、邊墻水平位移和掌子面的擠出變形作為特征點的特征位移，提取每一級強度折減系數下的特征位移值，以便進行分析。當強度折減系數增大到某一值后，計算模型將不再收斂。

提取各個強度折減系數下模型特征點的位移，得到的計算結果如下。

2 計算結果

埋深為100m情況下各圍巖級別隧道模型特征點的位移隨強度折減系數的變化見圖2～圖4。

根據深埋情況計算模型得到的各級圍巖隧道特征點位移隨強度折減系數變化的結果可以看出：

（1）各級圍巖隧道特征點的位移均隨著強度折減系數的增大而增大。當強度折減系數增大到一定值后，特征點的位移急劇增大，計算不收斂。

（2）各級圍巖隧道掌子面擠出變形遠大于拱頂沉降及邊墻水平位移，拱頂沉降略大于邊墻水平位移。

（3）埋深為100m情況Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖級別隧道分別在強度折減系數達到5.2、2.8和1.6后計算結果不再收斂。所以埋深為100m情況Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖隧道的穩定安全系數分別為5.2、2.8和1.6。

3 結論及建議

本文建立數值計算模型，采用強度折減法對設計時速160km/h斷面的鐵路隧道深埋條件下的各級圍（下轉第66頁）（上接第56頁）巖的穩定性進行了評價研究，主要得到如下結論和建議：

（1）在不考慮構造應力的條件下，掌子面擠出變形遠大于拱頂沉降和邊墻水平位移，說明保證掌子面的穩定性是控制隧道圍巖穩定性的關鍵。

（2）圍巖級別較差的隧道施工中更應注意保護圍巖，減少外界擾動造成的圍巖強度降低。

（3）對鐵路隧道穩定性進行評價，同種工況下采用強度折減法能夠得到一個精確且唯一的穩定安全系數，相對于現場監測等傳統方法的不確定性具有一定優勢，給未來進行鐵路隧道圍巖穩定性評價提供了新方法。

注釋

① 賈蓬，唐春安，楊天鴻，李連崇.RFPA 強度折減法在巖石隧道穩定性研究中的應用[J].力學與實踐，2007.29（3）：50-55.

② Lee I M， Nam S W， Ahn J H. Effect of seepage forces on tunnel face stability[J]. Canadian Geotechnical Journal，2003.40（2）：342-350.

③ 許模，肖維，毛邦燕等.圓梁山隧道毛壩向斜段巖溶作用強度模擬研究[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2010.25（2）：36-39.

④ 蘇永華，張鵬，李翔.基于Kriging 算法的隧道襯砌穩定可靠度分析[J].公路交通科技，2009.26（12）：62-68.

⑤ 張志強，蘇江川，姜元俊.馬王槽主隧道與橫通道交叉部施工受力特征數值模擬分析[J].公路交通科技，2007.24（1）：109-113.

⑥ 鄭穎人，沈珠江，龔曉南.巖土塑性力學原理[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

⑦ 褚雪松，龐峰，李亮，等.邊坡穩定有限元強度折減法與極限平衡法對比[J].人民黃河，2011.33（10）：93-95.

⑧ 趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報，2002.24（3）：343-346.