公路隧道圍巖應力-應變重分布的研究

喻盛境，莫 倩

(廣東核力工程勘察院，廣東 廣州 510800)

公路隧道圍巖應力-應變重分布的研究

喻盛境，莫 倩

(廣東核力工程勘察院，廣東 廣州 510800)

隨著我國公路建設的規模逐漸擴大，許多深埋公路和隧道工程需要在地下坑道等應力環境下進行施工，所以在開挖隧道過程中需要對圍巖應力和應變重分布進行綜合考察，在公路隧道工程中，如果圍巖應力過大，可能會造成圍巖坍塌和支護變形的現象，因此，人們加深了對公路隧道圍巖應力和應變重分布情況的研究，以期能夠采用合適的支護方式，提高隧道工程的施工質量。但是在公路隧道工程中，由于隧道圍巖結構復雜多變，所以在測量圍巖應力和應變重分布時存在較大的難度，只有加大研究力度，采用合適的測量計算方式，才能夠準確了解公路隧道圍巖應力以及應變重分布。

隧道；圍巖；應力

近幾年以來，我國的隧道工程施工環境越來越復雜，在隧道工程圍巖支護施工中，逐漸出現了各種施工安全問題。因此，為了提高隧道工程施工的安全性，必須加強對隧道工程的勘察設計，完善施工條件，在開挖隧道時，需要結合圍巖的特征進行施工，這樣才能避免隧道涌水和坍塌等地質災害問題。隧道工程需要開挖巖體，開挖巖體必然會導致地質體貌變形、受到破壞，這也是隧道工程中運用最復雜的施工技術。而且地下隧道工程的力學分布非常復雜，必須綜合考慮結構、材料以及荷載等影響因素，無法應用傳統的結構和荷載施工技術，必須做好圍巖支護工作，才能確保公路隧道施工的穩定性和安全性。本文對公路隧道圍巖應力以及應變重分布進行了深入研究。

1 隧道圍巖應力應變分析

1.1 圍巖的破壞形式和初始地應力場之間的關系

圍巖的破壞形式主要有這樣幾種：脆性張裂破壞、剪切流動破壞以及塑性擠壓流動破壞。這幾種破壞形式是圍巖工程中最常見的破壞形式，而影響圍巖破壞形式的原因有很多，初始地應力場就對圍巖的破壞形式產生了極大的影響。受到自重應力的影響，淺埋隧道相對于深埋隧道來說更加穩定，由于初始地應力值增大，所以會給深埋隧道圍巖造成各種不同類型的破壞。在埋深較淺的情況下，不容易發生擠壓流動破壞，只有埋深增大之后，才能發生擠壓流動破壞。但是當隧道地層的構造應力增加之后，也會造成淺埋隧道破壞。通過研究當前的隧道工程經驗發現，在隧道工程中經常出現脆性地層，這種脆性地層受到的應力增大，就會出現張性破裂的情況，在一些石質比較差的隧道工程中，很容易造成圍巖塑性剪切流動，出現這種情況的主要原因在于石質較差的圍巖缺少抗張拉能力，難以抵抗圍巖周邊出現的張力和拉力。應力重分布不均勻，應力過于集中，也會導致局部過量剪應力被周圍的巖層吸收承載力。當隧道工程的圍巖埋深和斷面比較大時，也會造成隧道巖層中產生擠壓流動破壞現象，受到這些異常現象的影響，很難把握初始地應力場與巖體的性質。

1.2 圍巖截面的極限承載力

在計算圍巖截面的極限承載力時，需要運用合適的計算方法，和圍巖體相比，支護材料只能起到一定的支護作用，其提供的承載能力只能保持在一定范圍內，所以經常不計算這部分承載能力。所以，隧道圍巖的極限承載力主要受到巖體材料特點的影響，當圍巖截面上承受的應力超過了極限承載力，就會對圍巖截面造成破壞。在隧道工程施工中，通過架設支護，能夠有效改變隧道圍巖的應力場以及位移場分布情況，使隧道圍巖的各個截面能夠承受均勻的應力負擔，并且在一些高強度抗力點上架設支護，能夠提高巖體的承載能力，提高圍巖施工的安全性和穩定性。

2 支護前公路隧道工程的圍巖應力應變分析

在支護前對圍巖應力和位移規律進行深入研究，了解隧道圍巖的應力應變情況，這樣才能為隧道開挖工程提供更加準確的判斷。當前，在隧道工程施工中主要采用離散元法、邊界元法以及有限單元法等方法來計算隧道圍巖應力應變情況。

2.1 確定圍巖的計算模型

隧道圍巖的應力分布情況和巖體的天然應力狀態存在緊密的關系，由于隧道工程一般處于山勢坡度比較陡的地方，施工環境非常復雜，而且隧道巖體的剝蝕程度非常高。在隧道開挖之前，巖體主要受到三個方向的應力分布，變形現象在一定程度上受到影響，這也是巖體的初始應力狀態，巖體的初始應力分布比較平衡、穩定。因此，受到自重作用的影響，計算圍巖的初始應力方法為：

σv=rH

σv=u/(1-u) σv

在計算隧道圍巖的初始應力時，需要綜合考慮隧道圍巖的幾何尺寸和受力方式。同時，在隧道圍巖開挖之后，隧道圍巖的應力分布情況也會重新發生變化，從而對圍巖應力狀態產生了極大的影響。在隧道開挖之后的圍巖應力狀態和圍巖尺寸以及巖體條件存在密切相關的聯系，如果圍巖具有較高的強度，那么只會造成較小的影響，如果巖體比較松軟，就會對隧道圍巖產生較大的破壞，導致隧道巖體內部出現坍塌現象。

2.2 隧道圍巖的力學狀態

在隧道工程圍巖施工中，當圍巖承受的壓力過大，就會導致圍巖失去平衡力，從而出現變形或破裂的現象。在隧道開挖之后，由于圍巖力學狀態出現很大的變化，而這也會對隧道圍巖的支護結構產生較大的影響。所以，在隧道開挖施工過程中，必須了解圍巖的力學狀態變化，才能設計科學、合理的支護方式，進而確保圍巖工程的穩定性。在隧道開挖工程中，圍巖的力學狀態發生變化雖然會影響支護作用，但是支護的強度也會造成隧道巖體變形破裂，從而對隧道圍巖支護受力產生較大的影響，這也被稱作為圍巖和支護之間的相互作用。

3 隧道工程圍巖應變重分布情況研究

在隧道圍巖變形的影響因素中，應變重分布起到重要作用，這也是影響圍巖變形的主要因素，只有準確測量應變重分布，才能更好地預測圍巖變形現象。

3.1 圍巖區域的應力場分布情況

在隧道工程施工中，隧道圍巖的初始應力場主要受到巖體條件、應變重分布等條件的影響，只有充分了解隧道圍巖工程的應力場分布環境，才能為隧道工程施工提供理論依據。通過運用震源機制解析法能夠對隧道地殼構造應力場進行綜合分析，掌握隧道工程區域的應力分布情況，以工程區域的應力場構造規律來進行圍巖施工。在圍巖測量中，通過運用水壓致裂法，在隧道工程的進口處、中段以及出口處選擇位置鉆孔施工，在鉆孔位置來測量隧道工程的地應力。

3.2 三維初始地應力場的反演分析法

在公路隧道工程中，可以選擇一段面積為32 km2的長方形區域進行測量，利用FLAC測量法來構建模型，并且把模型底面標高設置為0m，在FLAC模型的右界面中，分別使用固定和應力邊界的方式，來對模型的底面、前面、后面和左面的邊界進行固定。具體而言，可以運用這樣兩種計算方式：首先，當隧道圍巖的上覆巖體受到自重應力場的作用，需要對水平方向的最大主應力以及沿洞軸的方面應力分布情況進行計算。其次，通過總結鉆孔測試的資料，對圍巖的水平構造應力場進行計算，最終對沿洞軸的應力分布狀態進行計算，在運用模型進行計算的過程中，一些物理參數可以結合實際工程經驗來取值。

4 隧道圍巖應力量測方式

4.1 隧道圍巖應力量測設備的安裝和布置

在公路隧道工程中量測應力分布情況，首先需要合理布置圍巖應力量測設備，測量圍巖壓力的壓力盒布置在圍巖和襯砌的中間位置，然后在初次襯砌和二次襯砌的中間位置布置壓力盒。然后在隧道圍巖中布置測量點，這些測量點主要分布在隧道掌子面的重要位置，在隧道圍巖的洞頂、拱腰、拱腳、邊墻和仰拱等位置都需要設置測量點。一般在隧道掌子面中設置8個測量點，在測量隧道應力量的過程中，需要詳細記錄壓力盒的型號，并且對不同的壓力盒編上相應的數字號碼。

4.2 襯砌過程中的測量

在隧道圍巖的襯砌初期，也就是對圍巖進行支護時，在隧道掌子面的各個測量點上承受的壓力，會不斷增加，因為在圍巖支護過程中，把混凝土噴射到圍巖中，混凝土還沒有完全凝固下來，所以圍巖襯砌的表面將和圍巖處于相同的變形狀態，當混凝土逐漸凝固支護，就會使圍巖壓力增長速度趨于平緩和穩定。在隧道圍巖的洞頂和側壁位置，需要承受較大的圍巖壓力，而且在這兩個部位的應力比較集中，是整個隧道圍巖掌子面中最不穩定的位置。

5 總結語

綜上所述，隧道圍巖結構復雜多變，在測量圍巖應力和應變重分布時必須結合實際情況，選擇合適的測量方式，只有準確測量公路隧道圍巖的應力和應變重分布情況，才能更好地進行圍巖支護施工，提高公路隧道施工的穩定性和安全性。

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(本文文獻格式：喻盛境，莫 倩.公路隧道圍巖應力-應變重分布的研究[J].山東化工,2017,46(15):134-135.)

2017-05-18

喻盛境(1993—)，男，貴州畢節人，大學本科，研究方向：巖土工程。

U459.2

A

1008-021X(2017)15-0134-02