支护条件下隧洞围岩稳定性及支护结构受力分析

李书友，冯亚辉，职承杰

(1.南水北调中线实业发展有限公司，北京 100176； 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300202； 3.长江勘测规划设计研究院，武汉 430000)

1 概 述

某大型引调水工程位于青藏高原，线路穿越高山峡谷区，地形高峻陡峭，沟谷深切，隧洞分段桩号41+461～45+853洞身段，长度4.4 km，埋深270～535 m。洞室岩体为泥盆系下统格绒组下段(D1g1)泥质板岩，多呈微新状态，为较软岩、板理较发育；隧洞轴线与岩层走向小角度相交，易出现片帮破坏或掉块现象，围岩分类为Ⅳ类。

本文分析IV类泥质板岩300 m埋深隧洞在支护条件下的围岩稳定性，支护措施既考虑了初期锚喷支护，也考虑了永久衬砌支护。与毛洞工况进行对比，分析锚固支护措施对围岩塑性区分布、围岩变形、围岩的承载性能和受力状态产生的正向影响。

2 数值计算的基本理论

2.1 运动方程

以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式：

(1)

将式(1)左端用中心差分来近似，则可得到：

(2)

2.2 本构方程

应变速率与速度变量关系可写为：

(3)

本构关系有如下形式：

(4)

式中：κ为时间历史参数；M( )为本构方程形式。

2.3 应变、应力及节点不平衡力

FLAC3D由速率来求某一时步的单元应变增量，如下式：

(5)

求得应变增量，即可由本构方程求出应力增量，各时步的应力增量叠加即可得出总应力。

2.4 阻尼力

对于静态问题，在式(5)的不平衡力中加入非黏性阻尼，以使系统振动逐渐衰减直至达到平衡状态(即不平衡力接近零)。……