新奧法中噴錨聯(lián)合支護的應用（一）

姚曉峰

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000）

1 新奧法修建隧道的概念

錨噴聯(lián)合支護是錨桿支護和噴混凝土支護二者作用原理的有機組合。在較好的圍巖中，可將噴混凝土作為主要的支護手段，輔以錨桿加固；而在較差的圍巖中，則以錨桿，尤其是預應力錨桿作為主要的巖體加固手段，并與噴混凝土、鋼筋網(wǎng)噴混凝土或加鋼拱的鋼筋網(wǎng)噴混凝土配合使用。

所謂“及時”，對差的圍巖是指“盡快”，對好的圍巖是指“適時”。凝結(jié)后即連續(xù)地對支護噴層的變形進行檢測。在臨時支護基礎上逐步增加支護措施，把噴層加厚，或增設長錨桿、鋼筋網(wǎng)等。待其基本穩(wěn)定后，再加做模筑混凝土“二次襯砌”。此時，原來的臨時支護（錨噴支護）成為永久襯砌的一個組成部分。而“二次”襯砌基本上是不承載或承載很小的，主要是為了結(jié)構(gòu)物的安全、耐久、防水和飾面的需要。

由于新奧法在施工過程中要采用光面爆破、大斷面開挖，或采用隧道掘進機開挖，所以要求對圍巖擾動少，圍巖與噴錨支護、模注“二次”襯砌結(jié)合在一起，從根本改善了支護結(jié)構(gòu)的靜力工作條件；通過錨噴支護保護盒加固圍巖，提高了圍巖的強度和穩(wěn)定性，并給圍巖以主動支護力，在與圍巖共同承載共同變形中承受變形壓力（而不是塌方荷載），保持隧道的穩(wěn)定和安全。其中圍巖自身成為“承載結(jié)構(gòu)”的一個主要組成部分；而錨噴支護成為一種充分利用和加強圍巖自身支護能力，把圍巖和支護結(jié)構(gòu)組成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)工作體系的重要支護手段。

新奧法不單純是一種施工方法，更不能認為采用錨噴支護就是新奧法。新奧法應該是修建隧道的指導原則和積極思路。采用新奧法時，應掌握3個基本點。

（1）圍巖是隧道穩(wěn)定的基本部分。支護是為了與圍巖共同形成能自身穩(wěn)定的“承載圈”或支撐單元。因此應盡量維護圍巖體的強度性能，盡量采用控制爆破或無爆破開挖，盡量采用大斷面或全斷面掘進。

（2）支護、襯砌要薄而具有柔性并與圍巖密貼，使因產(chǎn)生彎矩而破壞的可能性達到最小。而需要增加支護襯砌強度時，宜采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、以致鋼支撐等加固；而不宜大幅度增加噴層或襯砌厚度。

（3）設計施工中要正確地估計圍巖特性及其隨時間的變化。需要進行必要的試驗和測量，以確定圍巖分類、自穩(wěn)時間和位移變形速率等參數(shù)，選擇最適宜的支護措施和支護時間。

2 新奧法支護與圍巖作用的力學原理

在新奧法中，支護結(jié)構(gòu)的設計原理是圍巖體和柔性支護共同變形、破壞的彈塑性理論。

當坑道開挖后，將引起一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生位移，形成松弛，同時也惡化了圍巖的物理力學性質(zhì)，坑道圍巖將在薄弱處產(chǎn)生局部破壞。局部破壞的擴大，造成整個坑道的坍塌。

為了分析在新奧法施工中支護與圍巖共同作用原理的力學概念，作以下假定：

（1）圍巖為均質(zhì)的各向同性的連續(xù)彈塑性體，圍巖在彈性變形、剪切破壞的極限平衡中仍表現(xiàn)有剩余強度。

（2）隧道初始應力場為自重應力場，側(cè)壓力系數(shù)為1。

（3）隧道形狀為圓形。

（4）隧道在一定的埋深條件下，將它看做無限體中孔洞問題。

當隧道開挖后，巖體發(fā)生變形，當內(nèi)緣的二次應力小于圍巖強度時，洞室仍是穩(wěn)定的；當開挖后的二次應力超過圍巖強度時，圍巖產(chǎn)生塑性變形和松弛，如不加以支護，坑道將坍塌破壞。

對隧道圍巖的變形、應力、周邊位移、支護措施及相互關(guān)系進行研究的目的是期望對新奧法中的支護原理的力學過程有一個定性的了解。

在圍巖體中，尤其是軟弱的圍巖，可以采用“摩爾—庫倫”準則，作為“塑性判據(jù)”，見圖1，當表征圍巖體中的應力狀態(tài)的應力圓同摩爾的滑動包絡線相切時，即：

當巖體進入塑性狀態(tài)并產(chǎn)生塑性滑移，其滑動面稱摩爾滑動面，它與主應力σ1的夾角為α，滑動面上的正應力為σn，剪應力τR分別是切點B的橫坐標和縱坐標。式中σ1、σ3分別是巖體中的大、小主應力。

圖1 摩爾—庫倫準則

進一步假定巖體進入塑性狀態(tài)以后，在巖體塑性變形發(fā)展中，式（1）的關(guān)系保持不變。即巖體進入塑性狀態(tài)以后，不論巖體的變形如何發(fā)展，巖體塑性區(qū)中各點都處于應力圓和破壞包絡線相切的極限平衡狀態(tài)而不再松弛；巖體的內(nèi)摩擦角φ，黏結(jié)力c值在塑性滑移中保持不變，并且假定巖體塑性變形中，塑性區(qū)內(nèi)體積保持不變，自重忽略不計。

當隧道周邊的圍巖壓力超過彈性強度極限時，從周邊到巖體深處某一范圍內(nèi)將出現(xiàn)塑性變形區(qū)。相應半徑R稱為塑性區(qū)半徑。在它以外為彈性變形區(qū)，見圖2。

圖2 圍巖彈塑性狀態(tài)

在上述假定下，根據(jù)彈塑性理論，可導出塑性區(qū)中任一點的應力公式：

式中：σr：塑性區(qū)中任一點的徑向應力；

σO：塑性區(qū)中任一點的切向應力；

r：塑性區(qū)中任一點到洞室中心的徑向距離；

r0：隧道開挖半徑；

pi：支護對圍巖的支護力。

由式（2）可以得出，水平軸方向的應力分布曲線（見圖2中的實線），與彈性變形條件下的應力分布曲線（見圖2中的虛線）對比，可以見到塑性區(qū)中靠近洞室內(nèi)緣的應力，因滿足塑性條件而相對減少，成為應力降低區(qū)，而最大的應力集中由洞室周邊處轉(zhuǎn)移到圍巖內(nèi)彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面上。上述塑性條件是指圍巖應力超過圍巖彈性抗壓強度后，巖體產(chǎn)生塑性變形，相應產(chǎn)生能量或應力釋放；在塑性滑移中隨著變形的增加而應力降低；為了維持力的總平衡，高應力必然向變形較小的圍巖深處發(fā)展。

圖2中，在靜水壓力條件下，彈性區(qū)的外部壓力為p0，內(nèi)部壓力為σR，根據(jù)彈性理論中關(guān)于厚壁圓管（外半徑為無窮大）的計算，可以得出彈性區(qū)任一點的應力為：

式中：σr：塑性區(qū)中任一點的徑向應力；

σO：塑性區(qū)中任一點的切向應力；

r：塑性區(qū)中任一點半徑。

在彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面上，（r=R處）應力σr與σO應符合塑性平衡條件，見式（3），和彈性平衡條件，見式（4）。令兩式相等，整理后可得：

從式（5）和（6）中可以知道圍巖中塑性半徑R與支護力pi的關(guān)系。給與圍巖內(nèi)緣的支護力pi越小，則圍巖體中出現(xiàn)的塑性區(qū)（R）越大；若讓圍巖體中出現(xiàn)的塑性區(qū)（相應的塑性半徑R）越大，則圍巖對支護的變形壓力pa（與支護力pi相平衡）越小，這就是新奧法柔性支護理論的出發(fā)點，是設計、施工中采取支護措施時要積極利用的。以便使支護受到盡可能小的形變壓力，相應減少支護工程量和降低造價。（待續(xù)）