深埋隧道軟弱圍巖支護(hù)體系受力特征試驗(yàn)研究

王畢

(中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北武漢 430074)

1 概述

隨著我國(guó)工程建設(shè)的不斷發(fā)展，公路鐵路建設(shè)也得到了很大的發(fā)展，在這些工程中出現(xiàn)了很多需要穿越深埋高地應(yīng)力軟巖區(qū)域長(zhǎng)隧道工程且不斷增多，但是由于在深埋和地質(zhì)活動(dòng)上的影響，隧道在穿過(guò)高地應(yīng)力區(qū)域時(shí)，被一些深埋工程地質(zhì)和軟弱圍巖力學(xué)問(wèn)題所困擾。因?yàn)樯盥袼淼拦こ讨饕窃谝恍┥畈繋r土體中進(jìn)行施工作業(yè)，隧道周?chē)囊恍r土體就是所謂的圍巖，它的力學(xué)變形性質(zhì)一般是因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境的不同導(dǎo)致不同差異的產(chǎn)生，當(dāng)我們?cè)谑┕r(shí)是很難確定及控制其地質(zhì)介質(zhì)的。并且很多情況中圍巖在開(kāi)挖之后所表現(xiàn)的力學(xué)效應(yīng)是非線(xiàn)性變化的。如果這個(gè)時(shí)候采取傳統(tǒng)的力學(xué)方法去對(duì)圍巖進(jìn)行穩(wěn)定就很困難了。隧道工程的特點(diǎn)就是地質(zhì)條件很復(fù)雜，對(duì)其影響因素多，施工作業(yè)難度很大。若是在深埋軟弱巖體內(nèi)進(jìn)行隧道開(kāi)挖，其施工難度會(huì)更大，在隧道施工中很容易發(fā)生局部變形和因擠壓過(guò)大導(dǎo)致的變形，支護(hù)工作很難進(jìn)行，從而隧道工程造價(jià)也增大了，進(jìn)度緩慢，工期長(zhǎng)。若是發(fā)生了坍塌事故則會(huì)給工程帶來(lái)很大影響。所以對(duì)深埋隧道軟弱圍巖支護(hù)體系受力特征的分析可以保證隧道施工中足夠的安全性，對(duì)其理論進(jìn)行進(jìn)一步的完善，對(duì)地下工程有著非常重大的意義。

2 深埋隧道軟弱圍巖變形特征和影響因素

在隧道施工中，有關(guān)軟弱圍巖變形受到破壞的特點(diǎn)主要有以下6點(diǎn):1)由于軟弱圍巖自身具有強(qiáng)度低、穩(wěn)定性比較差、抵抗變形的能力比較弱。其變形量之所以會(huì)那么大，主要是因?yàn)椋眽八淼朗諗糠较蛞话闶撬降?，但是在曲墻拱隧道?dāng)中，收斂方向卻是垂直的。2)在施工初期的時(shí)候，其變形速度很快，但是收斂率卻非常緩慢，并且在發(fā)生變形之后，其會(huì)持續(xù)比較長(zhǎng)的時(shí)間。3)跟地應(yīng)力相對(duì)比，隧道軟弱圍巖強(qiáng)度跟其的比值比較小，而由于圍巖受破壞時(shí)具有較大的破壞范圍，如果支護(hù)不及時(shí)，可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大其破壞的范圍。4)隧道圍巖發(fā)生變形具有一定的變形規(guī)律，呈三階段變形。其在時(shí)間上也有很明顯的反映。在變形初期一般是劇烈變形，壓力來(lái)的很快，變形速率增大，變形量增大，因?yàn)槠浔旧淼奶匦允蛊渥苑€(wěn)能力差，但是在之后的緩慢變形和穩(wěn)定變形階段中，反映出來(lái)變形量比較小，變形速率減慢，但是持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)。5)隧道軟弱圍巖一般呈現(xiàn)出環(huán)向受壓，在隧道施工開(kāi)挖時(shí)不僅頂板容易脫落，底板也容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，若是支護(hù)控制不力，底板底鼓現(xiàn)象會(huì)變得很?chē)?yán)重。6)當(dāng)在施工過(guò)程中，埋深增大時(shí)，地質(zhì)條件的不同對(duì)應(yīng)的軟化臨界深度也不同，若是超過(guò)了臨界深度，再進(jìn)行支護(hù)其難度將會(huì)更大，在不同作用力下會(huì)產(chǎn)生不同方向的變形。

對(duì)深埋隧道軟弱圍巖以及支護(hù)影響因素主要有以下4點(diǎn):1)圍巖本身性質(zhì)原因，因?yàn)閲鷰r具有強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度和膠結(jié)物的整個(gè)性能，膨脹性礦物質(zhì)含量的影響，這些都是屬于隧道軟弱圍巖變形的某些內(nèi)在因素。2)圍巖外應(yīng)力作用下造成圍巖變形，其中圍巖應(yīng)力主要有構(gòu)造殘余應(yīng)力以及垂直應(yīng)力，同時(shí)，還包括施工過(guò)程中所產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力以及環(huán)境因素等產(chǎn)生的其他應(yīng)力。如果相鄰隧道在施工時(shí)產(chǎn)生壓力，也會(huì)成為其中一種應(yīng)力。當(dāng)這些不同的應(yīng)力疊合在一起，會(huì)對(duì)隧道帶來(lái)更大的不良影響。3)有時(shí)候會(huì)受到工程用水或者隧道地下水的作用，會(huì)對(duì)膨脹巖產(chǎn)生很大的影響，由于水分因素的影響，會(huì)造成粘土成分的改變，從而降低了巖石的整體強(qiáng)度。4)時(shí)間也是其中一個(gè)影響因素，因?yàn)檐浫鯂鷰r具有流變性質(zhì)，因此，隧道發(fā)生變形跟時(shí)間實(shí)際上是有很大關(guān)聯(lián)的。

3 深埋隧道軟弱圍巖變形力學(xué)機(jī)制

通過(guò)室內(nèi)巖石試驗(yàn)證實(shí)中，一般巖石變形以及破壞有這樣兩種機(jī)制:剪切和拉張機(jī)制，在巖石受到單軸受壓時(shí)，因?yàn)閴簯?yīng)力引發(fā)了拉應(yīng)力或者是剪應(yīng)力。巖石實(shí)際變形破壞過(guò)程是因?yàn)閮?nèi)部的微裂紋在拉應(yīng)力或者是剪應(yīng)力作用下發(fā)生的，微裂紋的不斷擴(kuò)展、歸并，最終形成了宏觀的裂縫。在隧道軟弱圍巖中主要?jiǎng)澐钟腥?lèi)變形，即物化膨脹類(lèi)、應(yīng)力擴(kuò)容類(lèi)和結(jié)構(gòu)變形，物化膨脹主要是和軟弱圍巖中分子結(jié)構(gòu)化學(xué)特征有關(guān)系，結(jié)構(gòu)類(lèi)變形主要是和其巖體結(jié)構(gòu)面特性有關(guān)，應(yīng)力擴(kuò)容類(lèi)主要與隧道施工中應(yīng)力變化狀態(tài)有關(guān)。在隧道開(kāi)挖之前，圍巖受到了三個(gè)方向的受壓，并且處于一個(gè)很平穩(wěn)狀態(tài)。但是在開(kāi)挖之后原來(lái)圍巖所處的環(huán)境遭到破壞，無(wú)論什么理論的分析下，隧道圍巖切向都會(huì)隨著應(yīng)力增大，其徑向應(yīng)力減小，處于一個(gè)兩個(gè)方向受力的狀態(tài)下，與此同時(shí)主應(yīng)力比原來(lái)圍巖上承載的應(yīng)力要大，但是由于應(yīng)力的改變，導(dǎo)致圍巖也發(fā)生相應(yīng)變形，因此，圍巖變形實(shí)際上是圍巖中各種應(yīng)力在不斷變化的過(guò)程。另外，如果從另一個(gè)角度看，則是由于圍巖壓力在開(kāi)挖后下降，使得圍巖結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了巖體模量及強(qiáng)度明顯下降，且出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，隨著應(yīng)力以及變形的不斷變化，這種現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，且該種變化一般都是會(huì)不利于隧道穩(wěn)定性的，從而使得隧道中出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象。在開(kāi)挖之后，由于釋放應(yīng)力，使得圍巖出現(xiàn)了調(diào)整和回彈的現(xiàn)象，同時(shí)也出現(xiàn)了圍巖擴(kuò)容的情況，這樣就導(dǎo)致巖體水文地質(zhì)條件發(fā)生了改變，在施工過(guò)程中，導(dǎo)致裂縫滲流，巖體也降低了，其物理力學(xué)參數(shù)也得到了改變，圍巖的膨脹變形加強(qiáng)。

4 軟弱圍巖以及初期支護(hù)的相互作用

在圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用中應(yīng)該滿(mǎn)足以下兩個(gè)特點(diǎn):1)要滿(mǎn)足支護(hù)力和支護(hù)壓力的平衡。2)其支護(hù)結(jié)構(gòu)和被支護(hù)圍巖中接觸面應(yīng)該滿(mǎn)足變形相等的條件。在深埋軟弱圍巖隧道施工中，圍巖內(nèi)部摩擦角和粘聚力對(duì)圍巖中塑性區(qū)以及變形有很大影響，當(dāng)其摩擦角和粘聚力變小的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致對(duì)圍巖塑性區(qū)上變形加大。在深埋隧道軟弱圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的抗力對(duì)其塑性區(qū)半徑不會(huì)有很大影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是起輔助性作用，主要是圍巖的自承能力。圍巖越軟弱，其支護(hù)力對(duì)圍巖變形的減小效果越好，要圍巖能夠充分釋放其變形能，可以采取柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)造成一些限制性變形，以達(dá)到減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的作用。當(dāng)支護(hù)剛度越大時(shí)，其混凝土圓環(huán)就越厚，但是圍巖還是會(huì)在支護(hù)約束下發(fā)生一些小的變形，隨著隧道中開(kāi)挖量的增大，僅僅采用剛度小的支護(hù)，這種情況會(huì)使得其圍巖變形程度增大，但是還是可以保證其隧道的穩(wěn)定，并且是一種經(jīng)濟(jì)安全的方法。在隧道開(kāi)挖時(shí)，圍巖彈性會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，且這種變形非?？?，在釋放的時(shí)候所產(chǎn)生的支護(hù)壓力也非常大，因此，如果在巖洞剛開(kāi)挖的時(shí)候就進(jìn)行支護(hù)，那么這么大的抗力支護(hù)是無(wú)法承受的，并且在目前，憑借最新的技術(shù)，也不能做到剛開(kāi)始挖洞就采取支護(hù)，也無(wú)法有效降低支護(hù)壓力。所以在施工過(guò)程中，在圍巖允許的塑形變形之后需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)，才能夠在比較小的支護(hù)剛度和強(qiáng)度下保證圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

在深埋隧道施工中地下工程圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，是維系地下工程穩(wěn)定性的主要因素，也是核心所在。本研究通過(guò)分析深埋隧道中軟弱圍巖的受力情況及特征，深入探討了圍巖相互作用以及初期支護(hù)施工問(wèn)題，但本研究仍存在很多不足之處，無(wú)論是在理論基礎(chǔ)還是在數(shù)值方面都需要進(jìn)一步提高。

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