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)合型變化機制為重點的軟弱圍巖支護理論。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結(jié)構(gòu)和圍巖作用體系進行研究，同時軟弱圍巖隧道支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也是研究的重點[1-2]。

1 軟弱圍巖隧道支護力學(xué)原理

在軟弱隧道圍巖支護中超前和初期支護對支護體系結(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是必不可少的一個環(huán)節(jié)[3]。

超前支護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。超前支護主要應(yīng)用在軟弱土質(zhì)地層條件中，施工時，需要嚴格控制地面沉降量。如果當?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，必須采用超前支護來保證施工安全和穩(wěn)定。

超前支護有很多種類型，根據(jù)長短可以分為短、中、長3種類型。在超長支護中管棚支護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，增強拱頂穩(wěn)定性和密實度，在管棚開挖前打入巖體的鋼筋形成保護棚也同時分擔了部分來自圍巖上部的荷載，使支護體系結(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，需要采取加強初期支護和超前支護來保證圍巖的穩(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，初期支護的作用是使所支護的結(jié)構(gòu)達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)，但當遇到特殊地質(zhì)災(zāi)害造成荷載且初期支護難以承擔災(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變形穩(wěn)定，如果由于巖土介質(zhì)流變性和支護結(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?？梢哉J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 隧道開挖支護結(jié)構(gòu)圍巖工況

3 軟弱圍巖支護結(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準的圓形斷面進行計算。

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從而減小支護結(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、初期支護和二次襯砌等隧道支護結(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、驗證等手段得出了隧道支護結(jié)構(gòu)要及早支護，支護結(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。