典型工點條件下隧道力學行為分析

攸立準

(衡水公路工程總公司)

典型工點條件下隧道力學行為分析

攸立準

(衡水公路工程總公司)

目前，對于隧道在開挖與支護過程中隧道結構力學行為研究的主要方法有：經驗類比法、數學解析法、數值模擬法及物理試驗法。

隧道;圍巖;力學模型;力學行為;工程措施

1 圍巖與襯砌的相互作用力學模型

現在科研中已用的巖體力學模型有數種，但每一種力學模型都是具體力學特征和性質的理想化的連續介質，這些特征和性質反映了一定類型的實際巖體及其加載時表現出來的最基本特征(見表1)。基本特征不一樣，則支護結構和巖體的工作關系也不一樣，在用不同力學模型描述的、不同類型的巖體中，巖體與隧道支護結構之間的相互作用規律有本質區別。

表1 巖體與襯砌的相互作用

如果相互作用是由巖體的彈性或粘彈性變形造成的，如表中的Ⅰa、Ⅰb類型，則襯砌結構的荷載主要決定于初始應力場，即在有自重巖體內，襯砌結構的荷載與深度成正比。對變形用剛塑性模型的Ⅱ類型來描述的巖體，則襯砌結構上的荷載與深度無關，而是與隧道跨度成比例的變化;對于Ⅲ類型，隨著巖體塑性變形及破壞規模的增大(一定范圍內)，巖體作用于襯砌結構上的荷載卻反而減小;對Ⅳ類型，在多數情況下，已經不是用巖體變形量，而是用變形速率來表示，也就是說，襯砌結構在相互影響的變形速度狀態下受力，同時在非常有穩定的巖體中，襯砌結構上的荷載像在周圍巖體中一樣來確定，與襯砌結構無關。對于塌落形式出現的穩定性破壞的巖體，用剛塑性模型最能表示其特點。如果在足夠深處，巖體位移受局限時，隧道巖體與襯砌結構相互作用可用模型Ⅲa來描述。對于以穩定性破壞形式出現破壞的巖體，最能表示其特性的是Ⅲ型的彈塑性模型，如果巖體穩定性破壞以無明顯破壞的過大的巖體位移形式出現，于是在類似情況下最有代表性的是Ⅳ類模型。

隧道開挖后的應力狀態有兩種，一種是開挖后的二次應力狀態仍是彈性的，隧道圍巖除因爆破等施工原因可能引起稍許松弛掉塊外，圍巖處于穩定狀態，此時無需支護，即使支護也是起防護作用，增加安全性;另一種是開挖后隧道圍巖處于塑性狀態，此時需要支護結構，否則有失穩的危險。

2 隧道圍巖位移與襯砌受力之間的關系

隧道開挖之后的應力重分布，必然引起變形的發展，這種變形表現在隧道空間的減小，周邊圍巖有一定的位移，在一定條件下，允許變形(位移)愈大，塑性區范圍就越小，所需的支護阻力也就越小。

由此可見，彈性情況時，圍巖位移與襯砌受力呈線性關系，而對于彈塑性情況，則呈非線性關系。這種相互作用表明，當ua/a達到最大值時，如果隧道仍然是穩定的，則巖體負擔了應力重分布的全部結果。反之，ua/a=0時，則需要有相當于σy的襯砌阻力(圖1中的C點)，也就是說，應力重分布的全部荷載都要由襯砌結構負擔，圍巖的自承能力一點也沒有進行利用，在通常情況下，應力重分布的結果是由圍巖和襯砌結構共同承擔的(圖1中的A點)，其中圍巖負擔的部分是σy。這條曲線稱之為開挖后的圍巖特征曲線，這條曲線是研究隧道荷載的基礎。圍巖特征曲線很好地反映了襯砌受力和圍巖位移、襯砌剛度之間的關系。具體說來，在圍巖發生不同位移時設置支護和選用不同剛度的襯砌結構，可使圍巖特征曲線與支護特征曲在p-u坐標平面上產生不同的組合，如圖2所示。

曲線①為地層開挖后變形達到穩定時的圍巖特征曲線，斜線則表示在不同位移時設置襯砌結構或襯砌剛度不同時的各種支護特征線。我們知道，支護特征曲線如和圍巖特征曲線交于最低點C，則襯砌結構上的支護受力最小，在C點以前相交，則襯砌受力較大，支護結構易破壞;在C點以后相交，則地層施加于襯砌上的松動壓力增大，此時地層將出現較大程度的破壞。

圖1 開挖后巖體特征曲線

圖2 圍巖和襯砌結構的相互作用關系

圖2中的斜線②為隧道開挖之后立即支護的支護特征線;斜線③表示為隧道開挖后隔一定時間再施作襯砌結構，兩條線相互平行，表示支護剛度完全相同，可是由于它們設置的時間不同，其中一個是在圍巖發生了一定的位移u0之后才設置的，因此，作用在襯砌結構上的地層壓力及襯砌位移值都是不同的，斜線②襯砌結構承受的壓力較大，可見開挖之后立即就設置支護結構是不經濟的。

支護斜線③與④表示圍巖發生同一位移時設置的支護結構，但兩種支護的剛度不一樣，因此支護結構的壓力也是不一樣的，剛度較小的將承受較小的支護阻力。支護斜線⑤所示的支護特征線與圍巖特征曲線不再相交，表示支護剛度嚴重不足，地層松動壓力過大，使巖體破壞的范圍變大，支護結構失去作用。支護斜線⑥表示雖然圍巖經過了一段時間的變形，但襯砌結構剛度不足，支護結構在圍巖變形過程中過早破壞，也不起支護的作用。可見，支護結構不但要設置時間合理，而且還要有足夠的剛度，以使圍巖的變形得到一定程度的限制，作到圍巖和支護結構共同承擔地層壓力。

在變形的第一階段(AB段)，巖體模型表現為彈性Ⅰa，變形在B點達到彈性極限，塑性性質開始出現，介質變形實質上是非線性的，表現為Ⅲa模型BC段。在C點，隧道斷面周邊達到材料強度極限，當隧道周圍的支護阻力P值進一步減小時，在塑性區內部形成巖石破壞區，隨著巖石破壞區的形成及向巖體深部擴展，在該區內將與原巖分離并向隧道內塌落，破壞巖石的重量開始起越來越大的作用，這時表現為剛塑性模型Ⅱ。

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2011-06-25