高地應(yīng)力軟巖隧洞擠壓型大變形的非線性流變屬性及采用讓壓支護(hù)的工程整治研究

孫 鈞， 江 宇， 汪 波， 樊 勇

(1. 同濟(jì)大學(xué)隧道及地下工程研究所, 上海 200092； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 3. 云南省水利水電勘察設(shè)計研究院， 云南 昆明 650021)

0 引言

在我國廣大的西北、西南地區(qū)，尤其在高地應(yīng)力軟巖擠壓型大變形區(qū)段，長大隧洞/隧道的工程地質(zhì)病害事故不斷增多。多年來筆者團(tuán)隊(duì)開展了多條隧洞/隧道的高地應(yīng)力軟巖擠壓型大變形與采用讓壓支護(hù)的工程整治研究，相關(guān)典型工程有： 1)蘭武客運(yùn)專線烏鞘嶺長20 km鐵路隧道(嶺脊段6條斷層破碎帶)； 2)甘南木寨嶺長19 km鐵路隧道； 3)蘭渝高鐵四川省北部沿線穿越的鐵路隧道群； 4)甘南渭武高速木寨嶺長15 km公路隧道讓壓支護(hù)100 m試驗(yàn)段(目前研究工作已進(jìn)入主洞)； 5)云南省滇中引水工程大理東段滇中紅層強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、軟質(zhì)泥巖、頁巖區(qū)段。

上述多處隧洞/隧道工程產(chǎn)生了擠壓型大變形，其局部區(qū)段的變形位移收斂穩(wěn)定值有的高達(dá)1 500 mm ，甚或以上。針對軟巖大變形的工程處置問題，目前仍沿用傳統(tǒng)老舊的施工工法，亟待從理論和工程實(shí)踐方案上進(jìn)行徹底改進(jìn)和完善[1]。

1 擠壓型大變形隧洞中采用讓壓支護(hù)的必要性及工作原理

1.1 問題的緣起

在上述隧洞施工開挖中，其上覆圍巖將形成巨大的地層壓力和可觀的下沉變形。如仍沿用傳統(tǒng)的強(qiáng)化錨噴與鋼拱支架的剛性支護(hù)方法進(jìn)行“強(qiáng)支硬頂”，則在毛洞圍巖大變形發(fā)展過程中，會出現(xiàn)錨桿拉斷、噴射混凝土裂損、其保護(hù)層剝落露筋、鋼拱支架壓屈失穩(wěn)等問題；同時，因變形增長而位移“侵限”，造成返工延緩工期、大幅度地耗用材料和增大資金投入，甚至嚴(yán)重影響日后安全運(yùn)營維護(hù)；導(dǎo)致緊跟施作的二次襯砌厚度d加厚(d>1 m)、配筋率μ提高(μ≈2.5%)。多年來，在上述各處工程實(shí)踐中，已有極為發(fā)人深省的深刻教訓(xùn)和反面案例。因此，亟待從本質(zhì)上求得妥善解決，從受力機(jī)制上“另辟蹊徑”，創(chuàng)新求變。

1.2 “可縮式”鋼架在大變形隧洞中的適應(yīng)性問題

“可縮式鋼拱支架”的要點(diǎn)是在拱頂、2個拱端處的鋼拱架腹板上設(shè)置3處可縮式鉸節(jié)點(diǎn)。如采用“可縮式鋼拱支架”取代此處建議的“讓壓支護(hù)”，則可在很大程度上節(jié)約材料、工時和費(fèi)用。然而，這僅在理論上具有其可行性；當(dāng)圍巖變形位移值δ稍大(如δ≥500 mm)，該方法在實(shí)踐上是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槿缫獙鷰r讓壓大變形位移的徑向沉降轉(zhuǎn)換為拱架沿其環(huán)向的壓縮變形，要乘以圓周率π(3.141 6)。這樣，當(dāng)圍巖變形位移值δ=500 mm時，以全圓封閉式鋼拱架為例，其沿全圓形可縮型拱架環(huán)向所要求的可縮變形量將達(dá)500 mm×3.141 6 =160 cm，這在實(shí)踐上和構(gòu)造上都難以實(shí)現(xiàn)。圍巖變形增大后，如換作常用的可縮式腰圓拱形鋼架，其環(huán)向壓縮量將會更大，這在可縮式拱架的構(gòu)造實(shí)踐上是無法做到的，故而“可縮式鋼拱支架”方案在工程實(shí)踐上多數(shù)摒棄不用。

1.3 基于讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長讓壓錨索“邊支邊讓、先柔后剛”的支護(hù)原理

國內(nèi)幾處類似情況下的大變形工程實(shí)踐都已先后證實(shí)： 當(dāng)δ>500 mm時，傳統(tǒng)剛性支護(hù)方法在極大多數(shù)情況下都是徒勞的、不成功的[2]。近些年，在上述5處工程實(shí)踐已多次證明： 只有施作讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長讓壓錨索，才是一種現(xiàn)實(shí)可行、針對性強(qiáng)且更為有效的對策措施。這一剛?cè)峤Y(jié)合方案已在不久前(2019年7月—2021年年初)甘南渭武段高速公路木寨嶺隧道的試驗(yàn)段工程實(shí)踐中得到成功實(shí)施。

讓壓支護(hù)設(shè)計理念是“邊支邊讓、先柔后剛”。所謂“邊支邊讓”是指： 錨桿在可隨圍巖一起作向下沉落、走動(稱為“邊讓”，這點(diǎn)是技術(shù)關(guān)鍵、設(shè)計要領(lǐng))的同時(要求設(shè)計為“與之同步、同時”的讓壓支護(hù))，一邊對圍巖同步施加強(qiáng)大的“讓壓支護(hù)力”p1(稱為“邊支”)。這可由錨桿/錨索在錨腔/套筒內(nèi)進(jìn)行恒阻式擠壓型滑動來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而形成“讓壓”與“強(qiáng)力支護(hù)”的同步并舉。圖1為錨桿/錨索在錨腔內(nèi)滑移效果圖，圖2為錨腔/套筒結(jié)構(gòu)與運(yùn)作實(shí)施示意圖[3-4]。

(a) 錨腔

(b) 滑移效果

由圖1和圖2可見，錨桿/錨索在錨腔內(nèi)的擠壓型滑動原理是： 設(shè)計錨頭材質(zhì)的硬度稍大于套筒材質(zhì)的硬度，當(dāng)錨桿的下滑力達(dá)到設(shè)計的恒定值，錨頭沿套筒(兩者都做成凹凸型緣邊，以盡可能地增大其擠壓力值)內(nèi)邊緣施加強(qiáng)力“擠壓”(而不是“切削”)使之形成“恒阻式的讓壓支護(hù)力”p1。

①—錨頭； ②—錨腔； ③—錨桿； ④墊板； ⑤—螺母； ⑥—錨孔； ⑦—壓注砂漿灌實(shí)。

(b) C型： 成組讓壓分散型預(yù)應(yīng)力錨索(當(dāng)需要錨固力大、讓壓量多時，適合對巖坡加固時采用)

在隧洞開挖圍巖地應(yīng)力與變形位移釋放早期，首先錨桿體產(chǎn)生初始彈性變形(其設(shè)計最大值不超過錨桿軟鋼鋼材屈服強(qiáng)度的約1/2)；然后，錨桿在套筒中作恒阻式擠壓滑行，直至滑行到套筒底面的筒端底部為止，此時錨桿體拉應(yīng)力的設(shè)計值要求約為其屈服值的2/3，并形成了一定的讓壓量δ。據(jù)此可設(shè)定需要預(yù)先設(shè)置的圍巖“擴(kuò)挖量”δ1，δ1應(yīng)等于或小于δ。這是由于隨后設(shè)置的二次襯砌結(jié)構(gòu)會有一定的承載抗力，應(yīng)能承受一定的、因計算不準(zhǔn)而設(shè)定的圍巖變形位移的誤差。

當(dāng)錨桿在錨腔內(nèi)滑行到達(dá)筒底后，如圍巖的下沉、走動變形仍未能完全終止(這是由于設(shè)計的預(yù)測讓壓量δ不夠準(zhǔn)確而造成的，對于巖土介質(zhì)而言一般都會這樣，尚不可能做到計算完全精準(zhǔn)無誤)，錨桿體還將提供持續(xù)增大的后續(xù)變形位移，直至其變形最終收斂于一個穩(wěn)定值，且直至圍巖變形位移完全止住不動為止。此時桿體最終的最大應(yīng)力值需設(shè)計控制在軟鋼屈服強(qiáng)度值的3/4左右，不能過高，以保證錨桿的受力安全。在設(shè)計改用預(yù)應(yīng)力長讓壓錨索的條件下，因平行鋼絲或鋼絞線的材質(zhì)屬中碳鋼，沒有明顯的屈服臺階，上述各個設(shè)計限值則需更改為“中碳鋼的規(guī)范限用值”，其他均與軟鋼錨桿相同。

根據(jù)“邊支邊讓”的設(shè)計理念，也就形成了下面要講的“先柔后剛”。這里的“邊讓”，體現(xiàn)了謂之的“先柔”，用“讓壓”來實(shí)現(xiàn)(指錨桿與圍巖一起同步位移作下行走動，故稱之為“柔”)。在讓壓完成、圍巖變形位移達(dá)到收斂穩(wěn)定且變位位移全部結(jié)束、完成之后，可以再用(如巖土干燥、無水，可不用，但這種情況很罕見)壓力灌漿將錨桿與周邊圍巖剛性固結(jié)為一體；同時，將錨桿下端露出巖面部分的下錨頭用墊板、螺栓鎖定、封死并截斷去除多余部分，最后形成剛性錨桿，此稱之為“后剛”。

1.4 讓壓支護(hù)體系中讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力讓壓錨索的比選、取舍及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[5]

1.4.1 讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力讓壓錨索的比選、取舍

1) 施工方面。錨桿長度lo的設(shè)定應(yīng)采用位移場的概念，其內(nèi)端頭應(yīng)設(shè)在圍巖毛洞自由變形位移場等值線趨近于0處，即未受開挖擾動影響的原巖界面處， 同時其長度(在送入鉆孔前)要受洞室大小的限制。在三臺階分部開挖條件下，懸臂吊車遇短臺階一般上不去、且臂長夠不著，只好靠用人力將錨桿送到已先用電鉆或風(fēng)鉆人工打眼的各個鉆孔處。此時，當(dāng)桿長≥6～8 m，由于桿體的剛性，又受洞幅限制，需要分為2段施打，2段桿體用螺絲接頭連成一體，費(fèi)事費(fèi)時；如換用長錨索，因其是柔性、可彎的，則不受洞幅的限制。

2)受力大小方面。由上述可見，錨桿的尺寸粗、鉆孔大，在受力上遠(yuǎn)比錨索小； 故在同樣受力條件下，采用錨桿則要求桿距(沿環(huán)向和縱向)更小。在受力要求大的場合，布置過于密集、桿距過小的錨桿，在打眼時對圍巖的擾動大，容易打碎、打爛圍巖，施工質(zhì)量難以保證；反之，錨索強(qiáng)度高、直徑小，在同樣受力條件下，索距可以放大到1.2 m或以上，有利于安全施作。此處，施加預(yù)應(yīng)力只要求將柔性索體在鉆孔中拉緊、崩直，使其更好受力；其預(yù)應(yīng)力值一般只作為安全儲備考慮，不要求計入計算。

因此，從施工和受力大小考慮，采用預(yù)應(yīng)力長讓壓錨索，更加合理和方便易行。此予推薦。此外，采用讓壓錨索后，在相鄰索距間需另布設(shè)長度較短的普通錨桿，其長度取傳統(tǒng)單用普通錨桿的1/3即已足夠；另外，系統(tǒng)錨桿仍按隧洞上方圍巖松動圈大小常規(guī)布設(shè)，以防毛洞施工開挖時坍塌失穩(wěn)[6]。

1.4.2 讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力讓壓錨索的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

為了給滇中引水設(shè)計方在輸水隧洞大變形今后試驗(yàn)段擬采用讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長讓壓錨索的材質(zhì)及直徑、間距和長度等技術(shù)指標(biāo)提供參考，依據(jù)杭州圖強(qiáng)工程材料有限公司(錨桿材料供應(yīng)商，簡稱圖強(qiáng)公司)所提供的技術(shù)資料取用數(shù)據(jù)，這些參數(shù)已在木寨嶺隧道試驗(yàn)段進(jìn)行了試用，效果不錯。

1)φ32 mm中空脹殼式讓壓錨桿，桿材軟鋼承拉屈服強(qiáng)度σΤ≥255 MPa； 其極限抗拉強(qiáng)度σΤ≥365 MPa； 拉斷時的桿體極限伸長率εl≥18% 。最大可提供的讓壓支護(hù)力p1=150 kN 。

2)φ21.8 mm預(yù)應(yīng)力讓壓錨索，伸長率εt=0.2%時，抗拉應(yīng)力σΤ≥1 375 MPa 。對此種預(yù)應(yīng)力讓壓錨索，圖強(qiáng)公司建議，試驗(yàn)段采用的讓壓支護(hù)力p1可在250～400 kN內(nèi)視需要擇用；并認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力取用值稍大時，將更能發(fā)揮功效，又不失安全性。據(jù)課題組最近在甘南高速公路木寨嶺隧道試驗(yàn)段進(jìn)行的“現(xiàn)場測試成果報告”可知： 現(xiàn)場此次采用的實(shí)際讓壓支護(hù)力p1可達(dá) 300～350 kN ；而實(shí)際施加的最大預(yù)應(yīng)力值p1=250 kN 。從應(yīng)用實(shí)效來看，還比較滿意。可供滇中引水隧洞設(shè)計參考和借鑒。

3)讓壓錨桿/錨索的長度認(rèn)識誤區(qū)。業(yè)內(nèi)有人認(rèn)為，讓壓錨桿/錨索的長度應(yīng)穿透圍巖塑性區(qū)的范圍，這是錯誤的。由于巖體塑性軟化(當(dāng)側(cè)壓力較小時)圍巖巖體在塑性區(qū)(其分布和范圍可由計算確定)內(nèi)的強(qiáng)度較峰值強(qiáng)度低，直至殘余強(qiáng)度，但仍具有相當(dāng)?shù)某休d能力。但因圍巖塑性區(qū)強(qiáng)度有所降低，對開挖變形中容易局部失穩(wěn)的這部分塑性區(qū)的圍巖，計算所得塑性區(qū)的范圍及其分布可作為施工前確定注漿范圍的主要依據(jù)。這與設(shè)定錨桿長度是兩碼事，不應(yīng)混淆。

4)錨桿/錨索端頭錨固形式。為了確保錨腔/套筒前端頭在錨桿/錨索施拉時保持穩(wěn)固，發(fā)揮其與周邊圍巖間相互咬合作用的最大承拉力，其更前端的一段錨固頭(現(xiàn)多采用樹脂藥包為錨固劑，見后述)的最大承載拉力均應(yīng)≥1.3p1(p1為讓壓支護(hù)力)。這是由于在讓壓支護(hù)力開始作用前，為了不使錨腔從圍巖內(nèi)拉脫，必須在錨腔的再前端加設(shè)一段“錨固頭”(錨固劑)。早前，圖強(qiáng)公司采用過一種受拉時會膨脹、鼓出的中空脹殼式錨桿，使之與圍巖緊密咬合、愈拉愈緊的脹殼型錨固方法，但在木寨嶺隧道試驗(yàn)段中其使用效果不佳。這是由于打眼后鉆孔內(nèi)壁已十分松散破碎，存在清除不凈的殘碴，大大削弱了所要求的強(qiáng)大握裹力。故改用了“樹脂藥包錨固”，實(shí)效不錯，建議日后推廣。

5)錨腔的位置。錨腔的承載力由套筒長度和錨腔直徑大小以及其與周邊圍巖間的握裹(黏結(jié)+摩擦)力來確定。試驗(yàn)前期，為了盡可能縮短人工打眼的進(jìn)深，曾考慮將原先在錨固前端設(shè)置的錨腔，改為放在毛洞外邊緣露出的后端，這樣，讓壓錨桿施拉作用仍可保持不變。待張拉和注漿完成后，再用墊板、螺栓鎖定，最后將侵入洞限內(nèi)的、已經(jīng)完成施拉讓壓支護(hù)力p1任務(wù)的錨腔/套筒截除。但在試驗(yàn)段施工后期發(fā)現(xiàn)，放置在外端后錨腔部分的讓壓錨桿/預(yù)應(yīng)力長錨索在讓壓過程中的讓壓量值與設(shè)計值存在一定差異，導(dǎo)致外露部分過多，影響施工進(jìn)度，且現(xiàn)場截除難度較大、工序復(fù)雜，從而延緩了工程進(jìn)度，故建議將錨腔放在內(nèi)端。

1.5 采用讓壓支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性

在采用讓壓支護(hù)過程中要根據(jù)計算設(shè)定其讓壓量δ，并根據(jù)δ值設(shè)置開挖中預(yù)留的毛洞擴(kuò)挖量δ1(δ1≤δ)。這雖會多開挖一些土石方，當(dāng)軟巖大變形區(qū)段較長時，擴(kuò)挖的土石方量會相當(dāng)可觀；但卻大幅節(jié)約了初期支護(hù)中其他支護(hù)構(gòu)件與“二次襯砌”的材料(指與施作“硬扛”的傳統(tǒng)老舊方法相比)，這一節(jié)約量也十分可觀，做到了所謂的“堤外損失堤內(nèi)補(bǔ)”。以木寨嶺隧道試驗(yàn)段為例，經(jīng)過上述優(yōu)化設(shè)計后，鋼拱架的型號由原來的H175優(yōu)化為I22、間距由原來的0.6 m增大至0.8 m，且取消了前期的超前注漿加固，二次襯砌剛度及其配筋率明顯減小，其襯砌厚度和配筋率的選用值分別調(diào)整降低為d=45 cm，μ=0.5%。“堤外損失”是指土石方擴(kuò)挖厚度δ1=550 mm，增大了隧洞的土石方開挖量；“堤內(nèi)補(bǔ)”指此處優(yōu)化、節(jié)約了二次襯砌鋼筋混凝土用量。經(jīng)對比估算后認(rèn)定，這是完全劃得來的。

2 軟巖擠壓型大變形隧洞計算分析中的若干問題

由于滇中引水項(xiàng)目的研究工作開展在后，尚未有對本節(jié)內(nèi)容出具實(shí)踐過的案例驗(yàn)證。因此，以木寨嶺隧道為例，對軟巖擠壓型大變形有關(guān)力學(xué)問題進(jìn)行分析。就計算模式和分析而言，嚴(yán)格地說應(yīng)該歸屬為“三維大變形幾何非線性與非定常黏彈塑性蠕變物理/材料非線性二者的耦合相互作用問題”。對此，現(xiàn)作以下幾點(diǎn)簡要說明。

2.1 軟巖隧道圍巖變形計算分析時二、三維分析模式的選擇問題

隧道開挖研究應(yīng)考慮其縱向線形走向與巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀構(gòu)造間相對位置的關(guān)系，以及施工作業(yè)掌子面對開挖變形和應(yīng)力釋放間的空間約束作用。

由于以上2類三維問題在力學(xué)處理上的復(fù)雜性，經(jīng)驗(yàn)表明： 實(shí)際上只是在毛洞圍巖釋放的自由變形位移值δ≥1 000 mm、且洞室超大(指單向?yàn)?、4線交通隧道、城市地下空間、水電站地下廠房洞室等跨度超大斷面情況)、巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀又明顯與隧道線形走向呈斜交的情況下，才不得不在計算分析中考慮用三維分析計算。

多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明： 對于中等跨度水工隧洞、圍巖變形位移值δ≤800～900 mm的情況，都只需按二維平面應(yīng)變、小變形問題作計算分析即可；其與按三維計算間的差異都在容許范圍內(nèi)。

在日后木寨嶺隧道正洞和滇中引水等輸水隧洞的研究中，如遇變形位移量過大(按以往經(jīng)驗(yàn)： 在無初期支護(hù)情況下，毛洞呈自由變形位移時，在若干區(qū)段最大變形收斂值δ達(dá)1 100～1 200 mm或以上)，才應(yīng)改用按三維大變形問題作詳細(xì)分析。

近10年來，筆者團(tuán)隊(duì)已分別研發(fā)了上述二維平面應(yīng)變和三維空間問題耦合作用的專用程序軟件包，并曾在烏鞘嶺鐵路隧道嶺脊段某斷裂帶處軟巖大變形研究中首次應(yīng)用。

2.2 軟巖隧道擠壓大變形過程中的幾何非線性問題

筆者早前曾以簡支、大跨、薄(鋼)板為例作解析試算，探究了在彎、剪受力情況下，板體呈非線性大變形、小應(yīng)變(線彈性)屬性的情況，按大、小變形的不同計算模式分別進(jìn)行細(xì)致的解析法分析對比。按大變形分析是指在計算中應(yīng)考慮其變形發(fā)展對板體受力的定量影響；而按小變形分析，則是在計算中不考慮大變形發(fā)展對板體受力的影響。兩者的計算結(jié)果完全不同。在考慮大變形后所作的計算與后續(xù)板體應(yīng)力的測試值幾乎完全吻合；而只作小變形簡化分析的計算結(jié)果，則與實(shí)測值相差很大，說明這已不僅僅是誤差、簡化和近似的問題，而是后者計算有誤了。

現(xiàn)將同樣原理應(yīng)用于此處軟弱巖土隧洞，以過去已進(jìn)行過的3處實(shí)算經(jīng)驗(yàn)為例，可認(rèn)定： 當(dāng)毛洞體自由變形的最大變形位移收斂值δ≥1 100～1 200 mm時，應(yīng)按幾何大變形問題分析，并納入巖土幾何非線性大變形對支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)受力的附加影響。按三維問題且又計入幾何大變形非線性的專用程序軟件，已于2017年研發(fā)成功并具有付之實(shí)施的應(yīng)用條件。以上所述問題的實(shí)質(zhì)在于： 采用有限元法進(jìn)行數(shù)值分析時，以劃分為矩形網(wǎng)格為例，大變形發(fā)展過程中的網(wǎng)格形狀將隨之變化為菱形，在變形過大時計算中計入這一變化不容忽略。

2.3 軟巖隧道幾何大變形非線性、非定常黏彈塑性圍巖流變/蠕變時效的耦合相互作用問題

在洞室開挖、初期支護(hù)受力之前，毛洞圍巖初始地應(yīng)力和洞周自由變形位移隨時間而逐步釋放并持續(xù)增長，在讓壓支護(hù)力p1的強(qiáng)力作用下，其變形位移值隨時間逐步收斂。這是一種黏性時效、變形滯后(黏性變形后效)的巖體非線性流變本構(gòu)屬性問題。

在小變形條件下，其黏彈性/黏塑性系數(shù)η1和η2均可視為常數(shù)，謂之“定常蠕變”；而在擠壓型大變形情況下，其流變黏滯性系數(shù)η1和η2則均隨應(yīng)力和時間呈非線性增長變化，即η1和η2均表現(xiàn)為≠const.(指非定常蠕變)。

由于在擠壓大變形條件下，圍巖流變的黏彈變形部分將很快過渡到黏塑性階段，而黏彈階段則只是短暫過渡，為簡化計算一般可將η1視為常數(shù)，即η1=const.，只將黏塑性系數(shù)η2視為應(yīng)力水平和時間的函數(shù)，即η2=η2(τ，t)； 對滇中紅層風(fēng)化凝灰?guī)r/泥巖而言，其η1和η2(τ，t)的量值經(jīng)在同濟(jì)大學(xué)流變實(shí)驗(yàn)室做非線性蠕變試驗(yàn)后得出，后續(xù)打算將該項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果用于滇中引水海東輸水隧洞的研究中，使之能進(jìn)一步反映實(shí)際情況，且在理論上嚴(yán)密無誤，并謀求一定的技術(shù)創(chuàng)新。

2.4 幾何非線性與材料非線性耦合專用程序軟件研發(fā)及其應(yīng)用

高地應(yīng)力軟巖隧洞在擠壓大變形過程中的幾何非線性以及物理/材料非線性黏彈塑性流變時效同時存在，且兩者是相互耦合作用的。但在當(dāng)前國內(nèi)外大變形的研究中一般未見如上考慮。因此，就高地應(yīng)力軟弱破碎帶隧洞圍巖的擠壓型大變形幾何非線性力學(xué)特征以及黏彈塑性流變時效材料非線性本構(gòu)模型的耦合相互作用問題小結(jié)如下：

1)分析了高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖擠壓大變形幾何非線性的復(fù)雜力學(xué)行為，進(jìn)而從巖土力學(xué)與工程非線性流變學(xué)角度，對其物理/材料非線性的定義進(jìn)行了明確的闡釋，即將圍巖擠壓型大變形歸屬為一種圍巖變形位移量大、變形速度快而收斂速率慢的廣義非線性流變時效變形范疇。

2)較系統(tǒng)地分析了發(fā)生擠壓大變形幾何非線性的力學(xué)機(jī)制。在以上分析的基礎(chǔ)上，分別提出2種不同的非線性大、小變形巖土介質(zhì)流變本構(gòu)模型。

3)基于ABAQUS有限元法分析軟件，進(jìn)行了用戶材料子程序庫的二次研發(fā)及其模型驗(yàn)證。

4)運(yùn)用研發(fā)的材料子程序，對烏鞘嶺長大鐵路隧道嶺脊段F5斷層相關(guān)軟巖大變形的非線性流變屬性進(jìn)行了計算分析，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了較系統(tǒng)的對比分析研究。

在甘南高速公路木寨嶺隧道試驗(yàn)段研究中，由于初期支護(hù)前圍巖自由變形階段的最大變形收斂量δ≤800～900 mm ，未達(dá)到“嚴(yán)重大變形”所要求的δ≥1 100～1 200 mm 的最大變形收斂量；故仍屬于“中等以上擠壓變形”范圍(而非“極端嚴(yán)重擠壓變形狀態(tài)”)。按上述設(shè)定指標(biāo)，在試驗(yàn)段的計算分析中未考慮以上所述的三維大變形幾何非線性問題。在日后滇中引水某些輸水隧洞主洞讓壓支護(hù)的研究中，如遇δ≥1 100～1 200 mm的若干隧洞區(qū)段，將進(jìn)一步有據(jù)采用本文所述的理論與方法。

3 擠壓型大變形隧洞中考慮幾何與材料非線性耦合作用的研究進(jìn)展

多年來，筆者團(tuán)隊(duì)圍繞軟巖隧洞擠壓大變形幾何非線性和材料非線性的耦合作用問題開展了系列的基礎(chǔ)理論研究工作，現(xiàn)總結(jié)簡述如下：

1)文獻(xiàn)[2]、[4]研究總結(jié)了國內(nèi)外各種關(guān)于隧洞圍巖擠壓型大變形預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)/試驗(yàn)方法和半經(jīng)驗(yàn)-半理論的判定法則。重點(diǎn)探討了Hoek教授對圍巖出現(xiàn)擠壓大變形的預(yù)測方法[4]，進(jìn)而將該方法應(yīng)用于烏鞘嶺隧道F5斷層破碎帶擠壓大變形的預(yù)測分析，并對其應(yīng)用的可靠性進(jìn)行了有據(jù)評價，同時與現(xiàn)場實(shí)測值相互對比驗(yàn)證。具體見文獻(xiàn)[7-10]，此處不再贅述。

2)分別以三參量Merchant模型、Poyning Thomson模型，以及四參量Burgers模型為例，推導(dǎo)了3種常用的微分型本構(gòu)方程和以Prony級數(shù)形式描述的松弛剪切模量。用獲得的松弛剪切模量作為ABAQUS程序軟件中的輸入?yún)?shù)，驗(yàn)證了該方法的正確性[2]。

3)以廣義Komamura-Huang模型為基礎(chǔ)，通過引入非線性黏塑性體，建立了一種能完整反映非定常蠕變?nèi)^程的非線性黏彈塑性流變模型。按照ABAQUS的UMAT格式要求，以及非線性黏彈塑性流變模型的平面應(yīng)變有限元法理論準(zhǔn)則，編制了相應(yīng)的接口程序，并用接口模塊將其串結(jié)入該流變模型所引入的ABAQUS主程序中。通過對單軸壓縮蠕變問題數(shù)值解與解析解的對比分析，驗(yàn)證了所研發(fā)專用程序的正確性和可靠性。

4)以Pierc比例因子為基礎(chǔ)，采用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，提出了一種新的彈黏塑性三維本構(gòu)模型。基于隱式積分算法，分別對光滑屈服面和屈服錐點(diǎn)推導(dǎo)了應(yīng)力更新算法和一致切向模量；最后，分別編制了小變形和大變形的彈黏塑性流變本構(gòu)模型的用戶子程序庫。

5)以烏鞘嶺F5斷層破碎帶隧道圍巖為研究對象，分別進(jìn)行了小變形條件下的非線性黏彈塑性二維有限元法計算分析、大(小)變形條件下的彈黏塑性三維有限元法計算分析及其相應(yīng)專用程序軟件的研發(fā)。最后，對隧道拱頂下沉及二次襯砌支護(hù)壓力進(jìn)行了定量探討，并與現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證，結(jié)果基本可信。

上述研究工作從高地應(yīng)力軟弱圍巖擠壓型非線性流變本構(gòu)模型出發(fā)，分別提出了大、小變形黏彈塑性二維平面應(yīng)變和大、小變形彈黏塑性三維空間作用的分析理論與方法，使得針對擠壓型非線性流變力學(xué)特性的研究過程中能更加準(zhǔn)確地描述“圍巖-襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”的實(shí)際受力與變形狀態(tài)，對相關(guān)隧洞工程的設(shè)計研究有一定幫助。

4 若干建議

可從以下5個方面進(jìn)一步深入探討：

1)國內(nèi)外業(yè)界對高地應(yīng)力軟弱圍巖擠壓型大變形的預(yù)測方法多種多樣，各種方法的適用條件與范圍均有其一定的局限性和限制條件。需要進(jìn)一步積累大量流變試驗(yàn)和隧洞現(xiàn)場實(shí)測資料，進(jìn)而有據(jù)地提出適用于不同場合各類隧洞、不同量值和種類的擠壓型大變形，在數(shù)值模擬預(yù)測上更為切實(shí)可信又有理論依據(jù)的適用方法。

2)非線性黏彈塑性流變本構(gòu)模型分析的編程工作，在實(shí)際應(yīng)用中還未擴(kuò)展至三維問題，這限制了其工程應(yīng)用的范圍； 需在下一步的深化研究中引入和拓展至三維非線性黏彈塑性流變屬性，并選用相應(yīng)的流變本構(gòu)模型。

3)對于隧洞圍巖擠壓型大變形流變本構(gòu)模型的某些更為復(fù)雜的力學(xué)行為，還未涉及，下一步需要做更多的試驗(yàn)、實(shí)測研究和相應(yīng)的理論分析。在今后的研究中，將完善目前工作中存在的不足，收集更為詳細(xì)的研究資料和現(xiàn)場實(shí)測與流變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)手段、數(shù)值計算與理論演引三者相互結(jié)合，對幾類不同軟弱巖性的擠壓型非線性流變力學(xué)行為進(jìn)行更為細(xì)致完善的系統(tǒng)研究，以進(jìn)一步提高現(xiàn)有工作的研究水平和理論素養(yǎng)。

4)當(dāng)今巖石力學(xué)的發(fā)展已不再是單純的力學(xué)問題，它往往涉及到多個學(xué)科和多場耦合與相互作用，深化分析討論這類大變形問題時，下一步應(yīng)考慮多場耦合問題[11]。

5)另外，本文研究仍局限以軟巖為主要依托對象；對土體介質(zhì)而言，由于土體的黏聚力相對要小得多，當(dāng)土體發(fā)生過大變形時，軟黏土隧洞的周圍土體可能已出現(xiàn)早期局部失穩(wěn)、坍塌、突泥等現(xiàn)象，已不屬于連續(xù)介質(zhì)理論所討論的范疇。此處基于連續(xù)介質(zhì)理論所建立的大變形理論當(dāng)已不再適用，應(yīng)作為今后拓展研究的一個方面。