新奧法中噴錨聯(lián)合支護的應(yīng)用（一）

姚曉峰

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000）

1 新奧法修建隧道的概念

錨噴聯(lián)合支護是錨桿支護和噴混凝土支護二者作用原理的有機組合。在較好的圍巖中，可將噴混凝土作為主要的支護手段，輔以錨桿加固；而在較差的圍巖中，則以錨桿，尤其是預(yù)應(yīng)力錨桿作為主要的巖體加固手段，并與噴混凝土、鋼筋網(wǎng)噴混凝土或加鋼拱的鋼筋網(wǎng)噴混凝土配合使用。

所謂“及時”，對差的圍巖是指“盡快”，對好的圍巖是指“適時”。凝結(jié)后即連續(xù)地對支護噴層的變形進行檢測。在臨時支護基礎(chǔ)上逐步增加支護措施，把噴層加厚，或增設(shè)長錨桿、鋼筋網(wǎng)等。待其基本穩(wěn)定后，再加做模筑混凝土“二次襯砌”。此時，原來的臨時支護（錨噴支護）成為永久襯砌的一個組成部分。而“二次”襯砌基本上是不承載或承載很小的，主要是為了結(jié)構(gòu)物的安全、耐久、防水和飾面的需要。

由于新奧法在施工過程中要采用光面爆破、大斷面開挖，或采用隧道掘進機開挖，所以要求對圍巖擾動少，圍巖與噴錨支護、模注“二次”襯砌結(jié)合在一起，從根本改善了支護結(jié)構(gòu)的靜力工作條件；通過錨噴支護保護盒加固圍巖，提高了圍巖的強度和穩(wěn)定性，并給圍巖以主動支護力，在與圍巖共同承載共同變形中承受變形壓力（而不是塌方荷載），保持隧道的穩(wěn)定和安全。其中圍巖自身成為“承載結(jié)構(gòu)”的一個主要組成部分；而錨噴支護成為一種充分利用和加強圍巖自身支護能力，把圍巖和支護結(jié)構(gòu)組成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)工作體系的重要支護手段。

新奧法不單純是一種施工方法，更不能認為采用錨噴支護就是新奧法。新奧法應(yīng)該是修建隧道的指導(dǎo)原則和積極思路。采用新奧法時，應(yīng)掌握3個基本點。

（1）圍巖是隧道穩(wěn)定的基本部分。支護是為了與圍巖共同形成能自身穩(wěn)定的“承載圈”或支撐單元。因此應(yīng)盡量維護圍巖體的強度性能，盡量采用控制爆破或無爆破開挖，盡量采用大斷面或全斷面掘進。

（2）支護、襯砌要薄而具有柔性并與圍巖密貼，使因產(chǎn)生彎矩而破壞的可能性達到最小。而需要增加支護襯砌強度時，宜采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、以致鋼支撐等加固；而不宜大幅度增加噴層或襯砌厚度。

（3）設(shè)計施工中要正確地估計圍巖特性及其隨時間的變化。需要進行必要的試驗和測量，以確定圍巖分類、自穩(wěn)時間和位移變形速率等參數(shù)，選擇最適宜的支護措施和支護時間。

2 新奧法支護與圍巖作用的力學(xué)原理

在新奧法中，支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理是圍巖體和柔性支護共同變形、破壞的彈塑性理論。

當坑道開挖后，將引起一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生位移，形成松弛，同時也惡化了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，坑道圍巖將在薄弱處產(chǎn)生局部破壞。局部破壞的擴大，造成整個坑道的坍塌。

為了分析在新奧法施工中支護與圍巖共同作用原理的力學(xué)概念，作以下假定：

（1）圍巖為均質(zhì)的各向同性的連續(xù)彈塑性體，圍巖在彈性變形、剪切破壞的極限平衡中仍表現(xiàn)有剩余強度。

（2）隧道初始應(yīng)力場為自重應(yīng)力場，側(cè)壓力系數(shù)為1。

（3）隧道形狀為圓形。

（4）隧道在一定的埋深條件下，將它看做無限體中孔洞問題。

當隧道開挖后，巖體發(fā)生變形，當內(nèi)緣的二次應(yīng)力小于圍巖強度時，洞室仍是穩(wěn)定的；當開挖后的二次應(yīng)力超過圍巖強度時，圍巖產(chǎn)生塑性變形和松弛，如不加以支護，坑道將坍塌破壞。

對隧道圍巖的變形、應(yīng)力、周邊位移、支護措施及相互關(guān)系進行研究的目的是期望對新奧法中的支護原理的力學(xué)過程有一個定性的了解。

在圍巖體中，尤其是軟弱的圍巖，可以采用“摩爾—庫倫”準則，作為“塑性判據(jù)”，見圖1，當表征圍巖體中的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓同摩爾的滑動包絡(luò)線相切時，即：

當巖體進入塑性狀態(tài)并產(chǎn)生塑性滑移，其滑動面稱摩爾滑動面，它與主應(yīng)力σ1的夾角為α，滑動面上的正應(yīng)力為σn，剪應(yīng)力τR分別是切點B的橫坐標和縱坐標。式中σ1、σ3分別是巖體中的大、小主應(yīng)力。

圖1 摩爾—庫倫準則

進一步假定巖體進入塑性狀態(tài)以后，在巖體塑性變形發(fā)展中，式（1）的關(guān)系保持不變。即巖體進入塑性狀態(tài)以后，不論巖體的變形如何發(fā)展，巖體塑性區(qū)中各點都處于應(yīng)力圓和破壞包絡(luò)線相切的極限平衡狀態(tài)而不再松弛；巖體的內(nèi)摩擦角φ，黏結(jié)力c值在塑性滑移中保持不變，并且假定巖體塑性變形中，塑性區(qū)內(nèi)體積保持不變，自重忽略不計。

當隧道周邊的圍巖壓力超過彈性強度極限時，從周邊到巖體深處某一范圍內(nèi)將出現(xiàn)塑性變形區(qū)。相應(yīng)半徑R稱為塑性區(qū)半徑。在它以外為彈性變形區(qū)，見圖2。

圖2 圍巖彈塑性狀態(tài)

在上述假定下，根據(jù)彈塑性理論，可導(dǎo)出塑性區(qū)中任一點的應(yīng)力公式：

式中：σr：塑性區(qū)中任一點的徑向應(yīng)力；

σO：塑性區(qū)中任一點的切向應(yīng)力；

r：塑性區(qū)中任一點到洞室中心的徑向距離；

r0：隧道開挖半徑；

pi：支護對圍巖的支護力。

由式（2）可以得出，水平軸方向的應(yīng)力分布曲線（見圖2中的實線），與彈性變形條件下的應(yīng)力分布曲線（見圖2中的虛線）對比，可以見到塑性區(qū)中靠近洞室內(nèi)緣的應(yīng)力，因滿足塑性條件而相對減少，成為應(yīng)力降低區(qū)，而最大的應(yīng)力集中由洞室周邊處轉(zhuǎn)移到圍巖內(nèi)彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面上。上述塑性條件是指圍巖應(yīng)力超過圍巖彈性抗壓強度后，巖體產(chǎn)生塑性變形，相應(yīng)產(chǎn)生能量或應(yīng)力釋放；在塑性滑移中隨著變形的增加而應(yīng)力降低；為了維持力的總平衡，高應(yīng)力必然向變形較小的圍巖深處發(fā)展。

圖2中，在靜水壓力條件下，彈性區(qū)的外部壓力為p0，內(nèi)部壓力為σR，根據(jù)彈性理論中關(guān)于厚壁圓管（外半徑為無窮大）的計算，可以得出彈性區(qū)任一點的應(yīng)力為：

式中：σr：塑性區(qū)中任一點的徑向應(yīng)力；

σO：塑性區(qū)中任一點的切向應(yīng)力；

r：塑性區(qū)中任一點半徑。

在彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界面上，（r=R處）應(yīng)力σr與σO應(yīng)符合塑性平衡條件，見式（3），和彈性平衡條件，見式（4）。令兩式相等，整理后可得：

從式（5）和（6）中可以知道圍巖中塑性半徑R與支護力pi的關(guān)系。給與圍巖內(nèi)緣的支護力pi越小，則圍巖體中出現(xiàn)的塑性區(qū)（R）越大；若讓圍巖體中出現(xiàn)的塑性區(qū)（相應(yīng)的塑性半徑R）越大，則圍巖對支護的變形壓力pa（與支護力pi相平衡）越小，這就是新奧法柔性支護理論的出發(fā)點，是設(shè)計、施工中采取支護措施時要積極利用的。以便使支護受到盡可能小的形變壓力，相應(yīng)減少支護工程量和降低造價。（待續(xù)）