軟弱圍巖隧道支護(hù)力學(xué)體系分析

宋曉雷

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

通常所說的隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)體系可以分為兩個部分，一部分是周圍地質(zhì)體是起主導(dǎo)作用，另一部分是非主導(dǎo)部分即是人工修筑支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于工程地質(zhì)的復(fù)雜性，隧道設(shè)計施工過程中存在多種動態(tài)作用關(guān)系，其中最主要是應(yīng)力釋放和應(yīng)力控制的關(guān)系。國內(nèi)外對軟弱圍巖隧道研究很多，有學(xué)者將隧道開挖過程的應(yīng)力變形通過三維空間效應(yīng)進(jìn)行分析，提出隧道圍巖控制理論。有的學(xué)者提出軟弱圍巖要“先柔后剛，先讓后抗”的支護(hù)理論。有學(xué)者根據(jù)地質(zhì)學(xué)與大變形理論提出以轉(zhuǎn)化復(fù)合型變化機(jī)制為重點(diǎn)的軟弱圍巖支護(hù)理論。通過以上資料分析，根據(jù)應(yīng)力釋放與控制關(guān)系，可以對軟弱圍巖隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖作用體系進(jìn)行研究，同時軟弱圍巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也是研究的重點(diǎn)[1-2]。

1 軟弱圍巖隧道支護(hù)力學(xué)原理

在軟弱隧道圍巖支護(hù)中超前和初期支護(hù)對支護(hù)體系結(jié)構(gòu)力學(xué)作用較為類似，與圍巖本身結(jié)構(gòu)形成整體，共同承擔(dān)外界荷載，變形與受力相差不大，隧道的二次襯砌作用則跟前兩者不盡相同，它是作為承載體系受到的外加荷載，保證體系安全系數(shù)的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)。

隧道開挖時，圍巖原有的三向應(yīng)力平衡在隧道開挖過程中被打破，導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力重分布，直接后果是環(huán)向應(yīng)力變大并且集中，徑向應(yīng)力減小，塑性變形增加等，在此情況下施工，隧道容易造成大面積冒頂、塌方事故。因此，施工過程中對其支護(hù)是必不可少的一個環(huán)節(jié)[3]。

超前支護(hù)是一種作用在掌子面上使其保持穩(wěn)定并且不變形從而為施工環(huán)境提供一個安全結(jié)構(gòu)的輔助措施。超前支護(hù)主要應(yīng)用在軟弱土質(zhì)地層條件中，施工時，需要嚴(yán)格控制地面沉降量。如果當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)具有膨脹性、涌水圍巖、地表沉降現(xiàn)象較為明顯以及施工現(xiàn)場附近有重要建筑物等，必須采用超前支護(hù)來保證施工安全和穩(wěn)定。

超前支護(hù)有很多種類型，根據(jù)長短可以分為短、中、長3種類型。在超長支護(hù)中管棚支護(hù)是在遇到流沙等不良地質(zhì)條件時為施工提供安全和保障的一種超前支護(hù)模式?？梢苑稚⒆陨硎艿絿鷰r集中荷載，保證掌子面的穩(wěn)定，并且提供一個安全穩(wěn)定的施工環(huán)境，通過管棚注漿法使拱頂加固，增強(qiáng)拱頂穩(wěn)定性和密實(shí)度，在管棚開挖前打入巖體的鋼筋形成保護(hù)棚也同時分擔(dān)了部分來自圍巖上部的荷載，使支護(hù)體系結(jié)構(gòu)更加具有整體性[4]。

二次襯砌施工前提是初期支護(hù)變形穩(wěn)定并且不再發(fā)生較大變化，在軟弱圍巖條件下，需要采取加強(qiáng)初期支護(hù)和超前支護(hù)來保證圍巖的穩(wěn)定，使二次襯砌能夠在更好的條件下工作，發(fā)揮作用。在正常情況下，初期支護(hù)的作用是使所支護(hù)的結(jié)構(gòu)達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)，但當(dāng)遇到特殊地質(zhì)災(zāi)害造成荷載且初期支護(hù)難以承擔(dān)災(zāi)害時，要用到二次襯砌來繼續(xù)維持圍巖穩(wěn)定，使結(jié)構(gòu)在遇到任何突發(fā)狀況仍舊可以保持安全穩(wěn)定，并且其性能也可以長期發(fā)揮作用[5-6]。二次襯砌施工條件是初期支護(hù)變形穩(wěn)定，如果由于巖土介質(zhì)流變性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移及重新分布時，二次襯砌將表現(xiàn)出以下性能：

a）二次襯砌可以承受結(jié)構(gòu)惡化和特殊災(zāi)害帶來的荷載，使隧道整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)提高。

b）如果圍巖條件惡化、組成材料結(jié)構(gòu)老化、隧道承受各種地質(zhì)壓力及運(yùn)營后承受的外力荷載等情況變化時，二次襯砌可以減少由于上述問題給隧道整體結(jié)構(gòu)帶來的損害，增加其耐久性，尤其在遇到軟弱隧道圍巖時表現(xiàn)的更為突出。

c）在二次襯砌承擔(dān)流變性荷載且隧道結(jié)構(gòu)的殘余變形減小情況時，表現(xiàn)也是非常突出。

2 軟弱圍巖模型的建立

建立平面應(yīng)變模型時，一般不考慮流變特性的線彈性或彈塑性材料，假定深埋隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊圍巖都是均質(zhì)體，并且忽略介質(zhì)的自重影響。可以認(rèn)為隧道模型按彈性力學(xué)里面的軸對稱平面應(yīng)變問題來解決，計算隧道圍巖的應(yīng)力與應(yīng)變。具體模型如圖1所示。

圖1 隧道模型

深埋隧道開挖計算分為初始狀態(tài)、開挖階段、支護(hù)階段。

隧道開挖前地層初始位移場公式為：

微元體的應(yīng)力平衡微分方程為：

2.1 隧道模型的求解

圍巖彈性區(qū)應(yīng)力公式：

圍巖塑性區(qū)應(yīng)力公式:

支護(hù)階段位移公式:

2.2 圍巖塑性區(qū)半徑的確定

隧道開挖階段塑性半徑：

根據(jù)圍巖彈塑性接觸界面應(yīng)力連續(xù)得到支護(hù)階段圍巖塑性區(qū)半徑的超越方程:

2.3 界面接觸應(yīng)力確定

隧道開挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)圍巖的接觸壓力考慮如表1三種工況。

表1 隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)圍巖工況

3 軟弱圍巖支護(hù)結(jié)果分析

本文在用等開挖面積的方法將工程的多心圓模型斷面等效為標(biāo)準(zhǔn)的圓形斷面進(jìn)行計算。

3.1 圍巖塑性區(qū)范圍計算結(jié)果（見圖2）

圖2 圍巖塑性區(qū)半徑與應(yīng)力釋放率系數(shù)的關(guān)系曲線

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)果，見表2。

表2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

由表2可知：隧道開挖時，將會出現(xiàn)越來越多的塑性區(qū)，并且隧道圍巖的塑性區(qū)與應(yīng)力釋放系數(shù)成正比例關(guān)系，當(dāng)β=0.46時都是塑性區(qū)。因此，在控制圍巖出現(xiàn)塑性變形的情況下，施工單位要做到及時支護(hù)從而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)施工前的圍巖應(yīng)力釋放，而且要采用具有較大剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，用來防止圍巖塑性變形的發(fā)生。

3.2 應(yīng)力場計算結(jié)果

通過模型計算，當(dāng)β=0.045時，其徑向與環(huán)向應(yīng)力應(yīng)力計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)徑向應(yīng)力變化曲線

圖4 圍巖應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力變化曲線

通過圖3、圖4可知：

a）隧道支護(hù)與圍巖的徑向應(yīng)力與隧道開挖輪廓距離成正比，直到平衡狀態(tài)；隧道圍巖環(huán)境對彈性區(qū)影響不大，但對塑性區(qū)影響較大。

b）隧道圍巖環(huán)向應(yīng)力比較復(fù)雜，在彈塑性接觸面處于平衡狀態(tài)；同樣圍巖環(huán)境對彈性區(qū)影響不大，對塑性區(qū)影響比較大。

c）環(huán)向應(yīng)力與隧道開挖輪廓距離成反比，圍巖環(huán)境越差，支護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)向應(yīng)力越大。

4 結(jié)論

本文通過對圍巖、超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌等隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，充分了解了軟弱圍巖力學(xué)性能及變形；并且在分析了各個構(gòu)件的力學(xué)特性后，對構(gòu)件在軟弱圍巖情況下施工的基本要求及條件進(jìn)行了合理的分析，為隧道施工單位在軟弱圍巖條件下施工提供了理論支持。同時，通過建立模型、計算、驗(yàn)證等手段得出了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)要及早支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用較大剛度的材料可以在一定程度上抵抗圍巖塑性變形的結(jié)論，對類似工程具有較大的借鑒意義。