典型工點(diǎn)條件下隧道力學(xué)行為分析

攸立準(zhǔn)

(衡水公路工程總公司)

典型工點(diǎn)條件下隧道力學(xué)行為分析

攸立準(zhǔn)

(衡水公路工程總公司)

目前，對(duì)于隧道在開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究的主要方法有：經(jīng)驗(yàn)類比法、數(shù)學(xué)解析法、數(shù)值模擬法及物理試驗(yàn)法。

隧道;圍巖;力學(xué)模型;力學(xué)行為;工程措施

1 圍巖與襯砌的相互作用力學(xué)模型

現(xiàn)在科研中已用的巖體力學(xué)模型有數(shù)種，但每一種力學(xué)模型都是具體力學(xué)特征和性質(zhì)的理想化的連續(xù)介質(zhì)，這些特征和性質(zhì)反映了一定類型的實(shí)際巖體及其加載時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的最基本特征(見(jiàn)表1)。基本特征不一樣，則支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖體的工作關(guān)系也不一樣，在用不同力學(xué)模型描述的、不同類型的巖體中，巖體與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用規(guī)律有本質(zhì)區(qū)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(jié)構(gòu)的荷載主要決定于初始應(yīng)力場(chǎng)，即在有自重巖體內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)的荷載與深度成正比。對(duì)變形用剛塑性模型的Ⅱ類型來(lái)描述的巖體，則襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載與深度無(wú)關(guān)，而是與隧道跨度成比例的變化;對(duì)于Ⅲ類型，隨著巖體塑性變形及破壞規(guī)模的增大(一定范圍內(nèi))，巖體作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載卻反而減小;對(duì)Ⅳ類型，在多數(shù)情況下，已經(jīng)不是用巖體變形量，而是用變形速率來(lái)表示，也就是說(shuō)，襯砌結(jié)構(gòu)在相互影響的變形速度狀態(tài)下受力，同時(shí)在非常有穩(wěn)定的巖體中，襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載像在周?chē)鷰r體中一樣來(lái)確定，與襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。對(duì)于塌落形式出現(xiàn)的穩(wěn)定性破壞的巖體，用剛塑性模型最能表示其特點(diǎn)。如果在足夠深處，巖體位移受局限時(shí)，隧道巖體與襯砌結(jié)構(gòu)相互作用可用模型Ⅲa來(lái)描述。對(duì)于以穩(wěn)定性破壞形式出現(xiàn)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(wěn)定性破壞以無(wú)明顯破壞的過(guò)大的巖體位移形式出現(xiàn)，于是在類似情況下最有代表性的是Ⅳ類模型。

隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力狀態(tài)有兩種，一種是開(kāi)挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)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(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)無(wú)需支護(hù)，即使支護(hù)也是起防護(hù)作用，增加安全性;另一種是開(kāi)挖后隧道圍巖處于塑性狀態(tài)，此時(shí)需要支護(hù)結(jié)構(gòu)，否則有失穩(wěn)的危險(xiǎn)。

2 隧道圍巖位移與襯砌受力之間的關(guān)系

隧道開(kāi)挖之后的應(yīng)力重分布，必然引起變形的發(fā)展，這種變形表現(xiàn)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(qū)范圍就越小，所需的支護(hù)阻力也就越小。

由此可見(jiàn)，彈性情況時(shí)，圍巖位移與襯砌受力呈線性關(guān)系，而對(duì)于彈塑性情況，則呈非線性關(guān)系。這種相互作用表明，當(dāng)ua/a達(dá)到最大值時(shí)，如果隧道仍然是穩(wěn)定的，則巖體負(fù)擔(dān)了應(yīng)力重分布的全部結(jié)果。反之，ua/a=0時(shí)，則需要有相當(dāng)于σy的襯砌阻力(圖1中的C點(diǎn))，也就是說(shuō)，應(yīng)力重分布的全部荷載都要由襯砌結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，圍巖的自承能力一點(diǎn)也沒(méi)有進(jìn)行利用，在通常情況下，應(yīng)力重分布的結(jié)果是由圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)的(圖1中的A點(diǎn))，其中圍巖負(fù)擔(dān)的部分是σy。這條曲線稱之為開(kāi)挖后的圍巖特征曲線，這條曲線是研究隧道荷載的基礎(chǔ)。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(guān)系。具體說(shuō)來(lái)，在圍巖發(fā)生不同位移時(shí)設(shè)置支護(hù)和選用不同剛度的襯砌結(jié)構(gòu)，可使圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲在p-u坐標(biāo)平面上產(chǎn)生不同的組合，如圖2所示。

曲線①為地層開(kāi)挖后變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的圍巖特征曲線，斜線則表示在不同位移時(shí)設(shè)置襯砌結(jié)構(gòu)或襯砌剛度不同時(shí)的各種支護(hù)特征線。我們知道，支護(hù)特征曲線如和圍巖特征曲線交于最低點(diǎn)C，則襯砌結(jié)構(gòu)上的支護(hù)受力最小，在C點(diǎn)以前相交，則襯砌受力較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)易破壞;在C點(diǎn)以后相交，則地層施加于襯砌上的松動(dòng)壓力增大，此時(shí)地層將出現(xiàn)較大程度的破壞。

圖1 開(kāi)挖后巖體特征曲線

圖2 圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系

圖2中的斜線②為隧道開(kāi)挖之后立即支護(hù)的支護(hù)特征線;斜線③表示為隧道開(kāi)挖后隔一定時(shí)間再施作襯砌結(jié)構(gòu)，兩條線相互平行，表示支護(hù)剛度完全相同，可是由于它們?cè)O(shè)置的時(shí)間不同，其中一個(gè)是在圍巖發(fā)生了一定的位移u0之后才設(shè)置的，因此，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的地層壓力及襯砌位移值都是不同的，斜線②襯砌結(jié)構(gòu)承受的壓力較大，可見(jiàn)開(kāi)挖之后立即就設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)是不經(jīng)濟(jì)的。

支護(hù)斜線③與④表示圍巖發(fā)生同一位移時(shí)設(shè)置的支護(hù)結(jié)構(gòu)，但兩種支護(hù)的剛度不一樣，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力也是不一樣的，剛度較小的將承受較小的支護(hù)阻力。支護(hù)斜線⑤所示的支護(hù)特征線與圍巖特征曲線不再相交，表示支護(hù)剛度嚴(yán)重不足，地層松動(dòng)壓力過(guò)大，使巖體破壞的范圍變大，支護(hù)結(jié)構(gòu)失去作用。支護(hù)斜線⑥表示雖然圍巖經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的變形，但襯砌結(jié)構(gòu)剛度不足，支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖變形過(guò)程中過(guò)早破壞，也不起支護(hù)的作用?？梢?jiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)不但要設(shè)置時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)地層壓力。

在變形的第一階段(AB段)，巖體模型表現(xiàn)為彈性Ⅰa，變形在B點(diǎn)達(dá)到彈性極限，塑性性質(zhì)開(kāi)始出現(xiàn)，介質(zhì)變形實(shí)質(zhì)上是非線性的，表現(xiàn)為Ⅲa模型BC段。在C點(diǎn)，隧道斷面周邊達(dá)到材料強(qiáng)度極限，當(dāng)隧道周?chē)闹ёo(hù)阻力P值進(jìn)一步減小時(shí)，在塑性區(qū)內(nèi)部形成巖石破壞區(qū)，隨著巖石破壞區(qū)的形成及向巖體深部擴(kuò)展，在該區(qū)內(nèi)將與原巖分離并向隧道內(nèi)塌落，破壞巖石的重量開(kāi)始起越來(lái)越大的作用，這時(shí)表現(xiàn)為剛塑性模型Ⅱ。

U442

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2011-06-25