軟弱圍巖隧道支護力學體系分析

宋曉雷

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

通常所說的隧道結構支護體系可以分為兩個部分，一部分是周圍地質體是起主導作用，另一部分是非主導部分即是人工修筑支護結構。由于工程地質的復雜性，隧道設計施工過程中存在多種動態作用關系，其中最主要是應力釋放和應力控制的關系。國內外對軟弱圍巖隧道研究很多，有學者將隧道開挖過程的應力變形通過三維空間效應進行分析，提出隧道圍巖控制理論。有的學者提出軟弱圍巖要“先柔后剛，先讓后抗”的支護理論。有學者根據地質學與大變形理論提出以轉化復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，根據應力釋放與控制關系，可以對軟弱圍巖隧道的支護結構和圍巖作用體系進行研究，同時軟弱圍巖隧道支護結構的力學性能也是研究的重點[1-2]。

1 軟弱圍巖隧道支護力學原理

在軟弱隧道圍巖支護中超前和初期支護對支護體系結構力學作用較為類似，與圍巖本身結構形成整體，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，保證體系安全系數的一種支護結構。

隧道開挖時，圍巖原有的三向應力平衡在隧道開挖過程中被打破，導致隧道圍巖應力重分布，直接后果是環向應力變大并且集中，徑向應力減小，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節[3]。

超前支護是一種作用在掌子面上使其保持穩定并且不變形從而為施工環境提供一個安全結構的輔助措施。超前支護主要應用在軟弱土質地層條件中，施工時，需要嚴格控制地面沉降量。如果當地地質具有膨脹性、涌水圍巖、地表沉降現象較為明顯以及施工現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定。

超前支護有很多種類型，根據長短可以分為短、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條件時為施工提供安全和保障的一種超前支護模式。可以分散自身受到圍巖集中荷載，保證掌子面的穩定，并且提供一個安全穩定的施工環境，通過管棚注漿法使拱頂加固，增強拱頂穩定性和密實度，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，使支護體系結構更加具有整體性[4]。

二次襯砌施工前提是初期支護變形穩定并且不再發生較大變化，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定，使二次襯砌能夠在更好的條件下工作，發揮作用。在正常情況下，初期支護的作用是使所支護的結構達到結構穩定狀態，但當遇到特殊地質災害造成荷載且初期支護難以承擔災害時，要用到二次襯砌來繼續維持圍巖穩定，使結構在遇到任何突發狀況仍舊可以保持安全穩定，并且其性能也可以長期發揮作用[5-6]。二次襯砌施工條件是初期支護變形穩定，如果由于巖土介質流變性和支護結構的應力轉移及重新分布時，二次襯砌將表現出以下性能：

a）二次襯砌可以承受結構惡化和特殊災害帶來的荷載，使隧道整體結構的安全系數提高。

b）如果圍巖條件惡化、組成材料結構老化、隧道承受各種地質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構帶來的損害，增加其耐久性，尤其在遇到軟弱隧道圍巖時表現的更為突出。

c）在二次襯砌承擔流變性荷載且隧道結構的殘余變形減小情況時，表現也是非常突出。

2 軟弱圍巖模型的建立

建立平面應變模型時，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構及周邊圍巖都是均質體，并且忽略介質的自重影響。可以認為隧道模型按彈性力學里面的軸對稱平面應變問題來解決，計算隧道圍巖的應力與應變。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、開挖階段、支護階段。

隧道開挖前地層初始位移場公式為：

微元體的應力平衡微分方程為：

2.1 隧道模型的求解

圍巖彈性區應力公式：

圍巖塑性區應力公式:

支護階段位移公式:

2.2 圍巖塑性區半徑的確定

隧道開挖階段塑性半徑：

根據圍巖彈塑性接觸界面應力連續得到支護階段圍巖塑性區半徑的超越方程:

2.3 界面接觸應力確定

隧道開挖后，支護結構圍巖的接觸壓力考慮如表1三種工況。

表1 隧道開挖支護結構圍巖工況

3 軟弱圍巖支護結果分析

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 圍巖塑性區范圍計算結果（見圖2）

圖2 圍巖塑性區半徑與應力釋放率系數的關系曲線

根據圖中數據可以得到如下結果，見表2。

表2 數據結果分析

由表2可知：隧道開挖時，將會出現越來越多的塑性區，并且隧道圍巖的塑性區與應力釋放系數成正比例關系，當β=0.46時都是塑性區。因此，在控制圍巖出現塑性變形的情況下，施工單位要做到及時支護從而減小支護結構施工前的圍巖應力釋放，而且要采用具有較大剛度的支護結構，用來防止圍巖塑性變形的發生。

3.2 應力場計算結果

通過模型計算，當β=0.045時，其徑向與環向應力應力計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 支護結構徑向應力變化曲線

圖4 圍巖應力環向應力變化曲線

通過圖3、圖4可知：

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

b）隧道圍巖環向應力比較復雜，在彈塑性接觸面處于平衡狀態；同樣圍巖環境對彈性區影響不大，對塑性區影響比較大。

c）環向應力與隧道開挖輪廓距離成反比，圍巖環境越差，支護結構的環向應力越大。

4 結論

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構力學分析，充分了解了軟弱圍巖力學性能及變形；并且在分析了各個構件的力學特性后，對構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構要及早支護，支護結構應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論，對類似工程具有較大的借鑒意義。