復雜條件下隧道支護體時效可靠性分析

■陳 龍 ■大成工程建設有限公司，福建 廈門 361000

這些年來，國內的重大隧道工程中經常會涉及到在多種環境下地下空間進行施工，眾所周知在地下空間施工的難度非常大，再加上巖體變形的時效性，進一步加強了施工的難度。所以這要求在隧道的施工中，必須要依靠隧道支護體。但是如何增加隧道支護體的時效性又是一個相當大的問題，實驗表明，一般在初期的時候隧道的支護體其實是很有穩定性的，但是隨著時間的推移以及掌子面的推進，在后期階段隧道的支護體的穩定性會減少很多，甚至嚴重的還會出現坍塌的情況，所以在建設隧道支護體的時候，它的“時效性”尤其重要。

1 復雜條件概述

經過大量的工程實踐表明，隧道的變形主要由于隧道圍巖變形引起的，而且主要是兩個方面，一是彈性，二是塑性，同時也有著流變的性質;在具體的隧道圍巖中，這并不是很快就能完成的工程量，而是在實施支護以后，他們兩者之間會隨著時間的變化進一步的發展以及穩定，這種現象主要是在軟弱巖體以及深邃洞中表現的明顯。此類圍巖的破壞并不是由于它的強度引起的，這是因為巖體自身的變化而引起的變形，最后使得巖體失去穩定性，對于此類情況，首先要考慮的是巖體的變化率即是巖體的蠕變效應。

2 隧道圍巖以及支護體粘彈性分析

2.1 隧道圍巖的及支護體粘彈特性

隧道在第一次以及第二次襯砌的時候主要的承載體是混凝土的噴射。在進行混凝土的蠕變特性研究的時候，需要考慮其蠕變效應的影響，同時也要考慮混凝土的材料期限。

2.2 隧道圍巖粘彈性分析

在這部分分析的時候，需要簡化運算，假設它的截面是圓形，矩形或者直墻拱頂的洞室，可以相似變換，代圓處理。因為隧道的洞室周邊的便捷會因為邊界力的作用可以簡化為應變問題，所以隧道圍巖的彈性問題可以分解成帶圓孔的無線平面外力作用下的粘彈性問題來求解。

在隧道開始挖掘工程以后，隧道圍巖會隨著時間的變化而變化，大致是一種正向增長的態勢。但是隧道圍巖位移如果達到了位移極限值，并且沒有產生塑性破壞，這時候就可以人為圍巖是穩定的，反正則相反。

2.3 隧道支護體粘彈性分析

隨著挖掘的不斷深入，隧道的圍巖也是隨著時間增長而不斷的持續發展的，如果圍巖變形發展到一定的程度，就必須要釋放部分應力，將其作為第一次支護，這時候圍巖會受到支護體系的約束。在這種約束作用之下，兩者會產生一種相互作用力f(ti)，在支護體的可靠性研究中，f(ti)顯得很重要，在f(ti)比較大時，支護體會超出約定的位移，以及作用力大于它的強度，都會使得支護體發生損壞;當f(ti)比較小的時候，支護體就會在其額定的位移范圍內，這時候支護體是非常可靠的。

如果將f(ti)的受力方向設置為正方向，f(ti)作用的方向就會與p的方向相反。因為隧道圍巖徑向位移與p 作用的時間間隔有關系，但是時間坐標其實是與原點毫無關系的，所以平移時間坐標的原點不會影響到計算結果。

3 隧道支護體時效可靠性分析

3.1 時效可靠性理論計算

隧道支護體的可靠性主要是針對在開挖過程中支護體產生的位移，一般在現代的研究分析中重點就是對位移產生的因素、情況等進行分析。

大量研究表明，對于隧道的支護體來說，前期的穩定性是非常可靠的，但是由于時間的推移，頂板的巖體施加的作用力越來越大，所以會導致位移增加，在一定的情況下，支護體就會超出閥值，此時支護體的狀態變為不可靠的狀態。

根據相關文獻的定義以及相關的實際經驗，將隧道的可靠性定義為支護體位移過程中所產生的軌跡與位移閥值的交點位移收斂值間的弧長和圍巖支護體作用點的位移收斂點的弧長比率。計算式如下圖:

假設隧道支護體位移的路線時上圖中的弧長OB 段，那由上圖可以知道，在隧洞支護以后，在t2 時間段以后，支護體產生的位移收斂到U2，根據工程的要求，必須要確定其的閥值，根據相關的研究我們通常可以計算支護體時效的破壞概率。

經過一系列的推導，我們不難發現:(1)隧道的支護體的特征參數一定的時候，可以根據工程的要求設定一個閥值為U1，這時候可以方便求出支護體的可靠度。(2)對于具體的某一工程來說，如果逾期的工程的可靠性指標為β0，那么可以確定弧長AB 與弧長OB 的比值，那么途中的A 的位置就確定了，也就是支護體的可靠度能夠達到工程逾期的既定值。

3.2 隧道支護體的時效可靠具體研究

(1)荷載的結構時效可靠性研究。荷載可以計算出結構應力從而得到結構的可靠度，也就是我們所說的結構模型。通過計算可以得出荷載是否接近實際，是否能夠能夠承擔圍巖的松弛變力。在荷載中，圍巖約束著支護結構的變形，這是它的重點所在。荷載主要是應用到隧道的結構中，應用荷載可以進行抗壓以及抗裂兩種極限進行分析。首先要計算出襯砌內力，這是由于圍巖松弛壓力與各種荷載組合產生的約束力;其次就是可以考慮到圍巖松弛壓力和其他荷載組合產生的約束力;然后將這些力與圍巖的極限承載力做比較，這時候就可以求出襯砌可靠度。

(2)隧道支護體的極限位移。隧道支護體位移是在隧道工程施工的每個階段，支護體能夠支持的最大的位移。主要是為了在這種小幅度的位移情況下，能夠使得周邊的結構不發生坍塌的現象。隧道支護體具有一定的特征曲線，主要是由于支護體的材質，幾何形狀以及尺寸還有圍巖的約束條件決定的。在實際過程中，隧道圍巖曲線和支護體特征曲線有著很大的關系。根據大量研究表明，基本上是成正相關的關系。

相關數據表明，在支護階段的初期，如果產生極限位移，主要是隧道開挖時產生的洞壁位移。從隧道圍巖位移可以判斷隧道圍巖的穩定性，主要的難點是沒辦法確定隧道支護體和隧道位移的精確值。

3.3 時效可靠的計算流程

我們根據時效可靠的定義，可以將其設置為如下計算流程。

3.3.1 修正支護參數

(1)支護體蠕變;(2)圍巖與支護體間接觸壓力;(3)支護體時效位移方程;(4)支護體時效可靠度;(5)結論。

4 結論

(1)經過相關計算結合工程的實際情況，本文的研究對于隧道支護體的時效性具有一定的價值意義。

(2)隧道工程的實施中，支護體是一個非常重要的影響因素，要求在設計的時候一定要綜合考慮各項因素，避免出現安全事故。

(3)隨著科學技術的不斷發展，隧道支護體應該向厚度以及強度方面發展，增加支護體的時效性，將其的位移程度控制在有效的范圍內。

(4)本文設置的參數比較簡單，在實際的研究中，所采用的數據應該設置更加緊湊的數據，便于得到更真實的結果。

［1］賈劍青.復雜條件下隧道支護體時效可靠性及風險管理研究［D］.重慶大學，2006.

［2］賈劍青，王宏圖，李曉紅，牛惠民，胡國忠.復雜條件下隧道支護體時效可靠性探討［J］.巖土工程學報，2008，03∶390-393.