【文章內(nèi)容簡介】 強度指標(biāo)以定量的方式反應(yīng)到巖體的變形及強度參數(shù)中，為工程人員采用各種理論及數(shù)值分析方法進行定量而準(zhǔn)確的分析提供了重要的手段。HoekBrown在研究巖石、節(jié)理巖體和含裂隙類巖石材料的變形、強度特性及其破壞過程中發(fā)現(xiàn)：它們的強度包絡(luò)線是彎曲的，最好用拋物線而不是Coulomb準(zhǔn)則所提出的直線方程來表述。HoekBrown根據(jù)試驗結(jié)果提出了經(jīng)驗準(zhǔn)則，破壞準(zhǔn)則應(yīng)與試驗確定的強度值相吻合；其數(shù)學(xué)表達(dá)式應(yīng)簡單，并最大程度地引入無量綱參數(shù)；準(zhǔn)則應(yīng)盡可能適用于節(jié)理巖體。 基本公式1980年，針對節(jié)理巖體的一種強度評估方法由HoekBrown提出，該方法是建立在對巖石塊體之間的相互鑲嵌程度以及這些塊體之間接觸面條件的評價之上。節(jié)理巖體的廣義HoekBrown破壞判據(jù)用公式可表述為： （式31）式中：、分別為破壞時的最大、最小有效應(yīng)力；為巖體的HoekBrown參數(shù)；為取決于巖體特征的參數(shù)；為完整巖石的單軸抗壓強度。對于完整巖石 （式32）式中：為完整巖石的HoekBrown參數(shù)，該參數(shù)通過完整巖石一系列三軸試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析來確定。同時，為了得到巖體的HoekBrown參數(shù)，HoekBrown在總結(jié)大量試驗資料的基礎(chǔ)上通過引入地質(zhì)強度指標(biāo)評價現(xiàn)場巖體的地質(zhì)特征，提出了描述巖體強度特征的參數(shù)可按下式進行計算若，即巖體質(zhì)量介于好和中等之間，則若，即巖體質(zhì)量很差，則經(jīng)過多年的使用和驗證后，Hoek又于2002年對該公式進行了修正，并將開挖或爆破等施工過程對巖體的擾動這一影響反應(yīng)到HoekBrown參數(shù)中 （式33） （式34） （式35）式中：D為巖體受開挖或爆破等外部荷載的擾動程度，其變化幅度介于0～1之間，0表示無擾動，1表示嚴(yán)重擾動?？梢姡瑸榱死肏oekBrown準(zhǔn)則評價節(jié)理巖體的強度和變形性質(zhì)，必須對巖體的三種性質(zhì)做出估計，它們是：（1）完整巖石的單軸抗壓強度；（2）完整巖石的HoekBrown常數(shù)mi；（3）巖體的地質(zhì)強度指標(biāo)GSI。而這其中聯(lián)系巖體與巖石力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵是巖體的地質(zhì)強度指標(biāo)GSI。 HoekBrown參數(shù)三個典型洞段的圍巖HoekBrown參數(shù)見表31：表31 圍巖HoekBrown參數(shù)表分析斷面σci /MPamiGSImbsaK1+1158.38.K1+0108.47.K0+8708.52.本文采用Phase2軟件有限元分析，隧道分兩步開挖，分五步建模：隧道洞室采用三心圓拱形模型，洞徑約7米。圍巖邊界為三倍洞徑，邊界條件都為固定鉸支座。圍巖采用六節(jié)點三角形有限元網(wǎng)格劃分。隧洞支護采用復(fù)合襯砌，初期采用錨噴支護，后期采用鋼筋混凝土二次襯砌。圍巖屬性采用HoekBrown參數(shù)并通過設(shè)置圍巖彈性模量和泊松比的降低表征圍巖隨開挖的強度削弱和開挖后的應(yīng)力釋放效應(yīng)。圍巖斷面圖如下：圖31 開挖前圍巖斷面圖圖32 開挖后圍巖斷面圖表32 圍巖及材料參數(shù)分析斷面容重/kN?m3巖體模量/GPa粘聚力/kPa泊松比摩擦角/（176。）抗拉強度/kPaσci /MPamiGSImbsaK1+115300.358.38.K1+010680.1158.47.K0+8701060.2688.52.材料容 重/ kNm3彈 模/GPa泊松比抗拉強度/MPa噴混凝土C25鋼筋混凝土襯砌C25錨桿鋼筋Ⅰ級——Phase2參數(shù)設(shè)置界面如下圖所示：圖33 工程基本設(shè)置 圖34 有限元網(wǎng)格設(shè)置圖35 地應(yīng)力設(shè)置圖36 圍巖材料屬性設(shè)置圖37 襯砌屬性設(shè)置隧道分兩步開挖：首先開挖上半洞，待開挖到掌子面作錨噴支護，并用軟件模擬受力分析；其次將上半洞挖空，完善錨噴支護并模擬受力分析；再次開挖下半洞，同樣待開到掌子面作錨噴支護并模擬受力分析；最后全洞挖空，待錨噴支護穩(wěn)定作二次襯砌，再模擬受力分析。通過分布開挖過程中模擬分析，了解隧道施工過程中圍巖的應(yīng)力分布變化以及隧道支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，從而準(zhǔn)確、安全地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。本次模擬分析分五步建模，不同區(qū)域的圍巖材料采用不同顏色區(qū)分，隧洞內(nèi)圍巖材料的彈性模量和強度會隨著開挖過程的深入而不斷降低。當(dāng)隧洞挖空則圍巖材料為空白，并將圍巖參數(shù)設(shè)置成原始狀態(tài)的十分之一，以表征隧洞挖空后圍巖的應(yīng)力釋放。隧道的錨噴支護未激活時為灰色，一旦激活則為深色，則錨噴支護設(shè)置的參數(shù)才有效，能夠有效地抵制圍巖開挖過程中的變形。因為隧道分兩步錨噴支護，所以也用不同顏色區(qū)分，不過其物理力學(xué)性質(zhì)相同。隧道分布開挖示意圖及開挖過程中的斷面圖見下圖：圖38 隧道分布開挖示意圖圖39 第一步開挖至掌子面時的圍巖斷面圖圖310 第一步開挖后的圍巖斷面圖圖311 第二步開挖至掌子面時的圍巖斷面圖圖312第二步開挖完的圍巖斷面圖隧道（Ⅳ級圍巖中K1+115m段）結(jié)構(gòu)有限元分析圖313開挖前圍巖的Y 向受力圖圖314 開挖后圍巖的Y向受力圖圖315 開挖后圍巖的Y向位移圖圖316 開挖后圍巖的位移向量分布圖圖317 開挖后圍巖的主應(yīng)力分布圖圖318 襯砌彎距圖圖319 襯砌軸力圖圖320 襯砌剪力圖隧道（Ⅲ級圍巖中K1+010m段）結(jié)構(gòu)有限元分析圖321 開挖前圍巖的Y 向受力圖圖322 開挖后圍巖的Y向受力圖圖323 開挖后圍巖的Y向位移圖圖324 開挖后圍巖的位移向量分布圖圖325 開挖后圍巖的主應(yīng)力分布圖圖326 襯砌彎距圖圖327 襯砌軸力圖圖328 襯砌剪力圖隧道（Ⅱ級圍巖中K0+870m段）結(jié)構(gòu)有限元分析圖329 開挖前圍巖的Y 向受力圖圖330 開挖后圍巖的Y向受力圖圖331 開挖后圍巖的Y向位移圖圖332 開挖后圍巖的位移向量分布圖圖333 開挖后圍巖的主應(yīng)力分布圖圖334 襯砌彎距圖圖335 襯砌軸力圖圖336 襯砌剪力圖 隧道周圍的圍巖位移由上述位移圖可知。隧道開挖過程中，總的拱頂下沉量是很小的，都在4毫米左右，而仰拱出的圍巖有向上的反彈也只有約4毫米。兩側(cè)邊墻的水平位移不足1毫米。隧道周圍的圍巖總體的移動趨勢：拱頂下沉、兩側(cè)邊墻張開、而拱底向上移動。從位移圖上還可以看出拱頂圍巖塌落的徑度大概在兩倍洞徑左右，兩側(cè)邊界位移趨勢成水平形狀，說明影響的邊界在兩倍洞寬左右，而本次分析計算采用的隧洞四周邊界均為3倍洞徑，所以其計算模型所選用的邊界條件是可靠的，計算所得的結(jié)果是可行的?？偟膩碚f雙車道高速公路隧道是安全的，圍巖能夠穩(wěn)定。 隧道周圍的圍巖應(yīng)力 從各個方向的應(yīng)力圖以及主應(yīng)力圖可以看出，隨著隧道的開挖修建，整個地層大部分區(qū)域都是受壓的，只是在隧道附近一個很小的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力。同時在圖中可知道，拉應(yīng)力區(qū)域都在所加固的范圍是由錨桿的長度決定的。而本隧道錨桿設(shè)計長度為4米。因此，所采用的錨桿長度是合理的，而且是有效的。地層在仰拱部分的拉應(yīng)力也比較大，因此，建議在施工工程中，宜盡早封閉。從整個應(yīng)力圖可以得出，所設(shè)計的初期支護參數(shù)能夠滿足施工過程中的圍巖的穩(wěn)定。 隧道襯砌內(nèi)力襯砌結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力圖可以看出，邊墻的軸力比較大，而邊墻與仰拱連接處的彎距和剪力都特別大，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。所以，建議在施工過程中，應(yīng)在此處打鎖角錨桿，并適當(dāng)加厚此處的襯砌結(jié)構(gòu)，同時還有采用鋼筋混凝土作為二次襯砌來滿足要求。