1、隧道圍巖的收斂約束法隧道圍巖的收斂約束法基本原理收斂收斂-約束約束法法第二部分第二部分第三部分第三部分模型及參數(shù)第一部分第一部分計算結(jié)果基本原理基本原理 長期以來，作用在支護結(jié)構(gòu)的圍巖荷載一直不太明確，原因在于隧道開挖是一個由三維空間與時間組成的四維問題。針對這一復(fù)雜問題，有時即使采用三維數(shù)值模擬，都難以達到預(yù)期效果。然而，使用收斂約束法卻成為上述問題分析的有效途徑。收斂約束法是近三十年發(fā)展起來的一種新興支護設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法不同，該方法重點考察的是代表支護約束壓力作用下的巖層行為，其基本原則是：支護的設(shè)計目的是穩(wěn)定圍巖運動，而不是承受圍巖荷載。收斂約束法基本理論的三大組成部分分別是圍

2、巖特性曲線、支護特性曲線以及縱斷面變形曲線，其中圍巖特性曲線表示圍巖收斂對支護的需求特性，支護特性曲線表示支護壓力對圍巖的約束特性，縱斷面曲線表示開挖面的空間約束行為。1.1 簡介1.2 收斂-約束法原理隧道開挖過程是一個非常復(fù)雜的三維問題。如圖1 所示，隨著隧道工作面的推進( 時刻a) ，圍巖產(chǎn)生塑性變形，由于受到工作面的空間約束作用，A A斷面圍巖變形很快趨于穩(wěn)定，在該位置進行支護時，支護結(jié)構(gòu)承受的壓力很小甚至為0; 隨著工作面繼續(xù)推進( 時刻b) ，工作面對A A 斷面圍巖的約束效應(yīng)逐漸減小，而支護結(jié)構(gòu)承受的壓力逐漸增大，此時圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同變形。當工作面距離A A 斷面圍巖較遠時(

3、時刻c) ，工作面對此不再具有約束限制，支護結(jié)構(gòu)與圍巖達到平衡。圖圖1隧道開挖過程中的約束損失隧道開挖過程中的約束損失試以隧道圍巖位移u為橫坐標，作用于支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力Pi(是指一種等效于工作面約束力的虛擬支撐力)為縱坐標，繪出表示二者關(guān)系的曲線，該曲線稱為圍巖特征曲線，如圖2 所示。支護結(jié)構(gòu)特征曲線是根據(jù)支護結(jié)構(gòu)的剛度K、最大承載力Pmax、最大變形量umax等參數(shù)確定，反應(yīng)了支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，支護特征曲線的支護壓力可表示為:P = Ku ( 1)式中K 為支護結(jié)構(gòu)剛度，即支護特征曲線的斜率。當uin u uel時，支護結(jié)構(gòu)為彈性階段; 當uel u umax時，支護結(jié)構(gòu)處于屈服階

4、段，此時K = 0; 當u umax時，支護系統(tǒng)破壞。圖2 圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系曲線圖5 彈塑性模型圍巖縱剖面變形曲線圖5 為采用HoekBrown彈性模型計算得到的隧道圍巖縱剖面變形曲線，由圖可知，采用不同開挖方法所獲得的縱剖面變形曲線并不相同，在距離工作面520 m 區(qū)域，幾種開挖方法的位移量相差較大，而圍巖最終位移量都在50 m 附近趨于穩(wěn)定，各開挖方式的最終位移量相差較小。模型及參數(shù)模型及參數(shù)圖3 計算模型表1 圍巖力學參數(shù)模型簡介：本次建立的是一個簡單仿圓形隧道斷面的三維平面模型，模型的總長度為42米，總高度25米（以隧道圓心分隔上部13米，下部12米），厚度為1米。隧道開挖半徑為3米,襯砌厚度為0.3米，模型為左右對稱結(jié)構(gòu),頂面處于地下100米處。圖4 圍巖初始豎向應(yīng)力云圖計算結(jié)果計算結(jié)果圖5 無支護下的斷面豎向應(yīng)力云