探究彈塑性力學在隧道施工中的應用

(成都理工大學 四川 成都 610059)

目前在鉆爆法施工的隧道中通常采用的超前支護方法有超前錨桿、超前小導管、超前管棚等，在某些特殊地質情況下，也可考慮水平高壓旋噴樁、超前管棚、凍結等方法控制隧道圍巖變形和開挖面的穩定，提高施工安全性及高效性。盡管中國在鉆爆開挖技術上取得了一定的成就，但在具體操作實施上由于員工素質等原因，根本達不到相應要求；通過運用現代計算機技術著力開發隧道爆破設計計算機程序軟件，提高隧道爆破專業化隊伍的管理水平，才能促使中國的隧道工程鉆爆施工技術進一步的提高。

一、彈塑性力學理論

彈塑性力學是固體力學的1個重要分支，是研究彈性和彈塑性物體變形規律的1門科學。1678年Hooke提出了彈性體的變形和所受外力成正比的定律；19世紀20年代法國的Navier，Cauchy和De Saint Venant等建立了彈性理論;1864年Tres-ca提出了最大剪應力屈服條件;Mises提出形變屈服條件,Prandtl和Reuss提出了塑性力學中的增量理論;Fenner和Kastner分別推導了彈塑性理論公式。

二、彈塑性力學在材料上的應用

(一)三軸圍壓下砂漿彈塑性損傷變形的研究

砂漿材料作為一種類巖石材料，其三軸圍壓作用下的力學行為作為表征其材料性質的一個重要方面。大量的實驗結果表明，應力狀態對脆性材料的力學性能有著重要影響。一般情況下，對于許多脆性材料，在單軸加載或低圍壓下，表現出明顯的脆性特性；而隨著圍壓的增大，試件的強度和韌性都有著顯著地提高。砂漿的彈塑性損傷變形的研究是基于對泛函數和Cauchy-born準則，抽象出彈簧束構元和體積構元組集兩種構元的力學響應，給出了材料的彈性損傷的本構關系；考慮滑移作為主要的彈塑性變形機制，提出了滑移構元，給出了材料的塑性本構關系，利用變形分解機制，得到了三種構元共同描述的彈塑性損傷的本構關系。闡述了給定應變條件下彈塑性損傷本構關系的迭代流程。從材料細觀變形角度解釋了隨著圍壓增加，材料的承載能力增加的現象，初步驗證了彈塑性理論處理非比例加載的問題。

(二)鋼筋混凝土殼體結構彈性理論分析

殼體結構是由曲面形板與邊緣構件組成的空間結構。殼體結構有很好的空間傳力性能，能以較小的構件厚度形成承載力高、剛度大的承重結構，能覆蓋或圍護大跨度的空間而不需要中間支柱，能兼承重結構和圍護結構的雙重作用，從而節約結構材料。殼體結構可做成各種形狀，以適應工程造型的需要，因而廣泛的應用于工程結構中。

三、常用的隧道支護技術

在鉆爆法施工中，針對不同的圍巖級別，采用相應的支護形式，由初期支護與二次襯砌組合成的復合式襯砌最為常用，是隧道結構的主要承載單元。其中初期支護通常采用由噴射混凝土、鋼筋網、鋼架及錨桿組成的組合結構，而二次襯砌常常采用模筑混凝土作為安全儲備來進行設置。傳統坑道開挖后的支護方法，大致可以分為鋼木構件支撐(傳統礦山法)和錨桿噴射混凝土支護(新奧法)2類。

傳統施工方法中，初期支護采用鋼木構件支撐，構件支撐在模筑整體式襯砌時通常應予以拆除，即不作為永久承載構件，被稱為臨時支撐。目前在隧道工程施工中，初期支護一般由錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、鋼筋網等及它們的組合組成，使用最多的組合形式是錨桿(主要指系統錨桿)加噴射混凝土(素噴或網噴)。因此，初期支護可以稱為錨噴支護。

四、隧道支護技術不斷發展

近年來，國內外研究人員對新型復合材料鋼纖維噴射混凝土的噴射技術、增強機制、力學試驗、早期強度、應用與設計等方面進行了相關研究，并在惡劣環境下提高噴射混凝土耐久性研究上取得了較多研究成果[2]。鋼架對限制圍巖變形能夠起到重要作用，尤其是在軟弱圍巖隧道中。目前中國隧道鋼架主要采用格柵鋼架與型鋼鋼架，中國學者曾對格柵鋼架和型鋼鋼架的受力特性和變形特征、結構特點及適用性也做了相應研究并給出了使用原則[3]。錨桿被認為具有懸吊作用、支撐作用、組合梁作用和加固作用，在隧道初期支護中起到重要作用。許多學者通過數值模擬或現場量測的方法，對錨桿的作用效果進行了大量研究。在現場試驗與應用中，總結了諸如“型鋼拱架+噴射混凝土+鋼筋網+鎖腳錨桿(管)+縱向連接筋”組成的新型支護結構以及多用應用原則[4-5]。除此之外，近年來隧道襯砌結構的加固補強已引起國內外同行的普遍重視[6]。內表面補強、粘貼FRP布法因其相對良好的表現和易于施工的優點，成為了隧道襯砌內表面補強方法中最為推崇的一種方法。

初期支護施作后即成為永久性承載結構的一部分，它與圍巖共同構成了永久的隧道結構承載體系。當前常用的永久襯砌形式有：整體襯砌、復合式襯砌、拼裝襯砌、錨噴襯砌4種[7]。噴射混凝土技術的發展在隧道工程支護技術發展中占有很重要的地位，目前錨噴支護技術的發展趨勢主要集中在全面推行濕噴技術、鋼纖維噴射混凝土和聚丙稀纖維噴射混凝土推廣并應用、隧道噴射混凝土單層襯砌將成為隧道永久性襯砌3個方面。

五、結論

彈塑性力學是固體力學的一個分支學科，是研究可變形固體受到外載荷、溫度變化及邊界約束變動等作用時，彈塑性變形和應力狀態的科學。利用彈塑性力學對隧道施工材料、隧道結構等進行力學分析，不僅增強了隧道建設的安全，還對不斷出現的隧道修建技術提供了有利的理論支撐。隧道修建技術的進步為長大隧道工程的發展和開發利用地下空間奠定了基礎。