水工隧洞支護特性研究

李海華

2014年3月刊《華東科技》單號：1400037 業務員：李龍靜 馬家財

摘要：本文主要對隧洞初期支護材料的選擇對于水工隧洞穩定性的影響以及在開挖的過程當中、應力的傳遞對支護時機的影響進行了分析研究。

關鍵字：支護材料;水工隧洞;穩定性;支護時機

現在，在很多比較大型的水利工程建設項目當中，各個水工隧洞的建設也是越來越多，這些水工隧洞在建設的過程當中，施工的范圍比較的廣，規模比較的大，建設的周期比較長，而且建設的過程比較的復雜。所以在施工的過程當中對于支護結構的形式以及施加支護的時間的選擇是一個非常關鍵的問題。但是現在關于這方面的研究還是比較少的，所以對這方面的問題進行一定的研究還是非常有意義。

一、對于支護材料特性的選擇

在隧洞進行了開挖之后應力要進行重分布，在施加了初期支護之后，就會使得一部分的應力施加到了初期支護上面，這個支護結構能夠分擔多少的應力主要取決于支護材料彈性模量的大小，而且它還會對開挖隧洞最終的穩定性起到一個非常關鍵的作用，所以在選擇支護材料的時候，彈性模量是非常關鍵的一個環節。

（一）隧洞結構的豎向位移，是隨著初砌材料的性質變化的。從下面的圖可以看出，隧洞結構的頂部豎向位移在施加了一個支護之后就會出現一個上彈量，豎向的位移值會隨著隧洞初期材料的彈性模量E的不斷增加而減小，當隧洞初期材料的彈性模量E的變化值是在110-515GPa這個范圍內的時候，隧洞頂部結構中心處的豎向相對位移值的變化范圍則是在6mm之內，當隧洞底部結構的豎向位移在因為施加了一個支護之后有一定的下降，那么豎向位移的位移值則會隨著隧洞初期材料的彈性模量E的不斷增加而增大，當隧洞初期材料的彈性模量E的變化值是在110-515GPa這個范圍內的時候，隧洞底部結構中心處的豎向相對位移值的變化范圍則是在3mm之內。當隧洞初期材料的彈性模量E在增加的時候，隧洞頂部結構的豎向位移會出現一種上彈的趨勢，而隧洞底部結構的豎向位移則是一種下沉的趨勢，而且隨著隧洞初期材料的彈性模量E的不斷增加會使這兩種變化的趨勢變得不是很明顯。

（二）隧洞結構的應力是隨著初期材料的性質變化的。隧洞底部的最大主應力和豎向應力在隧洞進行開挖之后的一個降低量是要比隧洞的頂部大一些，而隧洞底部的豎向應力在施加了初期支護以后是要比隧洞的頂部小一些，最大主應力則是要比隧洞的頂部大一些;當隧洞的初期支護材料彈性模量E在增加的時候，隧洞底部和頂部的最大主應力和豎向應力都會不斷的減小，當隧洞的初期支護材料彈性模量E的變化范圍是在110～515GPa內的時候，豎向應力值的變化范圍則是在-200～130kPa內，最大主應力的變化范圍則是在-110～90kPa內，。當隧洞的初期支護材料彈性模量E在不斷增加的時候，隧洞底部和頂部的最大主應力和豎向應力減小的趨勢也會變得不是很明顯。當隧洞在施加了初期之后，就會對隧洞結構當中的一部分應力分擔，這樣就會使得在隧洞圍巖上的應力作用相對的減少一些，從而使得隧洞的受力結構得到一定的改善，最終來增強隧洞結構的穩定性。

二、選擇施加支護的時機研究

（一）在隧洞開挖的過程當中，對于施加支護時機的主要影響。隧洞在開挖了之后，應該要盡快的施加一次支護，這樣支護就可以和圍巖形成協同作用，并最終形成一個統一的承載體。然后在進行二次支護的時候，主要需要考慮的問題就是首先不能夠讓圍巖變形比較大，從而使得圍巖進入到比較松弛的狀態，其次就是要保證二次支護上面的力是在一個合理的范圍之內，這樣才能夠很好的滿足支護強度的要求。當隧洞開挖到目標斷面前的時候，隧洞頂部的豎向位移有一定的回彈，這個豎向的位移是在開挖到目標斷面前一個斷面的時候開始增大，當開挖到目標斷面后一個斷面的時候，豎向的位移就不增大了，然后開始有一定的回彈。當隧洞開挖到目標斷面前的時候，隧洞頂部的最大主應力有一個比較明顯的釋放過程，在隧洞開挖過程當中，最大主應力開始不斷的增大，當開挖到目標斷面后一定的距離時，最大主應力才開始減小。通過下面的圖可以清楚的看出，隧洞頂部的位移在變化的過程當中，實際上就是應力增長和釋放的過程，如果在不同的時刻在施加初期支護的話，那么在初砌支護上作用力的大小也是不一樣的。在隧洞當中，初期支護的主要作用就是承受應力并且使得圍巖不會發生位移，所以在施加初砌支護的時候，時間是非常關鍵的。當隧洞頂部圍巖的應力在逐漸增大的時候，在隧洞施加了初期支護以后，初期支護就會分擔隧洞結構當中的一部分應力，在通過相關的計算之后就可以發現，在隧洞初期支護上的最大主應力就從開始的壓應力變成了拉應力，所以在隧洞施加初期支護的時候，布置相應的受拉鋼筋是非常重要的。

（二）主應力的傳遞對于施加支護時機的主要影響。在實際的施工當中，主應力的傳遞經常是人們容易忽視的問題，但是在經過了很多的實驗之后發現，純主應力在傳遞的時候，會使得土體出現比較明顯的塑性變形。巖石在被破壞的時候，主要是因為應力大小的變化以及應力方向的變化，因為應力的大小變化會使得巖石的裂隙深度有一定的變化，而應力的方向變化則會使得巖石的裂隙密度有一定的變化。在隧洞的開挖過程當中，當主應力的矢量方向基本上和隧洞開挖的輪廓方向平行的時候，圍巖的裂隙基本上就可以達到穩定，從而不再繼續的擴展。

結束語：

通過上述的一些分析和研究可以發現，要想改變隧洞結構的受力效果，可以采用提高初期支護材料的彈性模量的方法，但是當初砌支護材料的彈性模量增加到一定程度的時候，改變的效果就不是很明顯，所以在施工的過程當中也要根據實際的情況再增加初期支護材料的彈性模量。而在選擇施加支護時間的時候，應該要根據具體的圍巖自承能力來進行合理的安排。同時還應該要考慮到應力傳遞對于圍巖的影響，應該要在圍巖的裂隙發生大規模的擴展前，就應該要施加初期支護。

參考文獻：

[1]任金明，李新宇，胡永福，孫家波，梁現培.大型水工隧洞初期及超前支護技術應用實例[J].水電與新能源，2011，05：4-7.

[2]李天群.實例探析水工隧洞工程的設計[J].河南水利與南水北調，2012，14：175-176.

[3]鄭治，劉杰，彭成佳.水工隧洞受力特性研究和結構設計思路[J].水力發電學報，2010，02： 190-196.

[4]劉杰，鄭治.走出水工隧洞結構設計的誤區[J].貴州水力發電，2010，04：1-4.

[5]董安建，劉世煌.我國的水工隧洞建設[J].水利水電技術，1999，12：56-58.

作者簡介：李華海，男，（1980.05-）， 一直從事水工建筑設計工作。