復(fù)雜條件下隧道支護(hù)體時(shí)效可靠性分析

■陳 龍 ■大成工程建設(shè)有限公司，福建 廈門 361000

這些年來(lái)，國(guó)內(nèi)的重大隧道工程中經(jīng)常會(huì)涉及到在多種環(huán)境下地下空間進(jìn)行施工，眾所周知在地下空間施工的難度非常大，再加上巖體變形的時(shí)效性，進(jìn)一步加強(qiáng)了施工的難度。所以這要求在隧道的施工中，必須要依靠隧道支護(hù)體。但是如何增加隧道支護(hù)體的時(shí)效性又是一個(gè)相當(dāng)大的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明，一般在初期的時(shí)候隧道的支護(hù)體其實(shí)是很有穩(wěn)定性的，但是隨著時(shí)間的推移以及掌子面的推進(jìn)，在后期階段隧道的支護(hù)體的穩(wěn)定性會(huì)減少很多，甚至嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)坍塌的情況，所以在建設(shè)隧道支護(hù)體的時(shí)候，它的“時(shí)效性”尤其重要。

1 復(fù)雜條件概述

經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐表明，隧道的變形主要由于隧道圍巖變形引起的，而且主要是兩個(gè)方面，一是彈性，二是塑性，同時(shí)也有著流變的性質(zhì);在具體的隧道圍巖中，這并不是很快就能完成的工程量，而是在實(shí)施支護(hù)以后，他們兩者之間會(huì)隨著時(shí)間的變化進(jìn)一步的發(fā)展以及穩(wěn)定，這種現(xiàn)象主要是在軟弱巖體以及深邃洞中表現(xiàn)的明顯。此類圍巖的破壞并不是由于它的強(qiáng)度引起的，這是因?yàn)閹r體自身的變化而引起的變形，最后使得巖體失去穩(wěn)定性，對(duì)于此類情況，首先要考慮的是巖體的變化率即是巖體的蠕變效應(yīng)。

2 隧道圍巖以及支護(hù)體粘彈性分析

2.1 隧道圍巖的及支護(hù)體粘彈特性

隧道在第一次以及第二次襯砌的時(shí)候主要的承載體是混凝土的噴射。在進(jìn)行混凝土的蠕變特性研究的時(shí)候，需要考慮其蠕變效應(yīng)的影響，同時(shí)也要考慮混凝土的材料期限。

2.2 隧道圍巖粘彈性分析

在這部分分析的時(shí)候，需要簡(jiǎn)化運(yùn)算，假設(shè)它的截面是圓形，矩形或者直墻拱頂?shù)亩词?，可以相似變換，代圓處理。因?yàn)樗淼赖亩词抑苓叺谋憬輹?huì)因?yàn)檫吔缌Φ淖饔每梢院?jiǎn)化為應(yīng)變問(wèn)題，所以隧道圍巖的彈性問(wèn)題可以分解成帶圓孔的無(wú)線平面外力作用下的粘彈性問(wèn)題來(lái)求解。

在隧道開(kāi)始挖掘工程以后，隧道圍巖會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，大致是一種正向增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。但是隧道圍巖位移如果達(dá)到了位移極限值，并且沒(méi)有產(chǎn)生塑性破壞，這時(shí)候就可以人為圍巖是穩(wěn)定的，反正則相反。

2.3 隧道支護(hù)體粘彈性分析

隨著挖掘的不斷深入，隧道的圍巖也是隨著時(shí)間增長(zhǎng)而不斷的持續(xù)發(fā)展的，如果圍巖變形發(fā)展到一定的程度，就必須要釋放部分應(yīng)力，將其作為第一次支護(hù)，這時(shí)候圍巖會(huì)受到支護(hù)體系的約束。在這種約束作用之下，兩者會(huì)產(chǎn)生一種相互作用力f(ti)，在支護(hù)體的可靠性研究中，f(ti)顯得很重要，在f(ti)比較大時(shí)，支護(hù)體會(huì)超出約定的位移，以及作用力大于它的強(qiáng)度，都會(huì)使得支護(hù)體發(fā)生損壞;當(dāng)f(ti)比較小的時(shí)候，支護(hù)體就會(huì)在其額定的位移范圍內(nèi)，這時(shí)候支護(hù)體是非?？煽康摹?/p>

如果將f(ti)的受力方向設(shè)置為正方向，f(ti)作用的方向就會(huì)與p的方向相反。因?yàn)樗淼绹鷰r徑向位移與p 作用的時(shí)間間隔有關(guān)系，但是時(shí)間坐標(biāo)其實(shí)是與原點(diǎn)毫無(wú)關(guān)系的，所以平移時(shí)間坐標(biāo)的原點(diǎn)不會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果。

3 隧道支護(hù)體時(shí)效可靠性分析

3.1 時(shí)效可靠性理論計(jì)算

隧道支護(hù)體的可靠性主要是針對(duì)在開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)體產(chǎn)生的位移，一般在現(xiàn)代的研究分析中重點(diǎn)就是對(duì)位移產(chǎn)生的因素、情況等進(jìn)行分析。

大量研究表明，對(duì)于隧道的支護(hù)體來(lái)說(shuō)，前期的穩(wěn)定性是非常可靠的，但是由于時(shí)間的推移，頂板的巖體施加的作用力越來(lái)越大，所以會(huì)導(dǎo)致位移增加，在一定的情況下，支護(hù)體就會(huì)超出閥值，此時(shí)支護(hù)體的狀態(tài)變?yōu)椴豢煽康臓顟B(tài)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的定義以及相關(guān)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將隧道的可靠性定義為支護(hù)體位移過(guò)程中所產(chǎn)生的軌跡與位移閥值的交點(diǎn)位移收斂值間的弧長(zhǎng)和圍巖支護(hù)體作用點(diǎn)的位移收斂點(diǎn)的弧長(zhǎng)比率。計(jì)算式如下圖:

假設(shè)隧道支護(hù)體位移的路線時(shí)上圖中的弧長(zhǎng)OB 段，那由上圖可以知道，在隧洞支護(hù)以后，在t2 時(shí)間段以后，支護(hù)體產(chǎn)生的位移收斂到U2，根據(jù)工程的要求，必須要確定其的閥值，根據(jù)相關(guān)的研究我們通?？梢杂?jì)算支護(hù)體時(shí)效的破壞概率。

經(jīng)過(guò)一系列的推導(dǎo)，我們不難發(fā)現(xiàn):(1)隧道的支護(hù)體的特征參數(shù)一定的時(shí)候，可以根據(jù)工程的要求設(shè)定一個(gè)閥值為U1，這時(shí)候可以方便求出支護(hù)體的可靠度。(2)對(duì)于具體的某一工程來(lái)說(shuō)，如果逾期的工程的可靠性指標(biāo)為β0，那么可以確定弧長(zhǎng)AB 與弧長(zhǎng)OB 的比值，那么途中的A 的位置就確定了，也就是支護(hù)體的可靠度能夠達(dá)到工程逾期的既定值。

3.2 隧道支護(hù)體的時(shí)效可靠具體研究

(1)荷載的結(jié)構(gòu)時(shí)效可靠性研究。荷載可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力從而得到結(jié)構(gòu)的可靠度，也就是我們所說(shuō)的結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)計(jì)算可以得出荷載是否接近實(shí)際，是否能夠能夠承擔(dān)圍巖的松弛變力。在荷載中，圍巖約束著支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，這是它的重點(diǎn)所在。荷載主要是應(yīng)用到隧道的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用荷載可以進(jìn)行抗壓以及抗裂兩種極限進(jìn)行分析。首先要計(jì)算出襯砌內(nèi)力，這是由于圍巖松弛壓力與各種荷載組合產(chǎn)生的約束力;其次就是可以考慮到圍巖松弛壓力和其他荷載組合產(chǎn)生的約束力;然后將這些力與圍巖的極限承載力做比較，這時(shí)候就可以求出襯砌可靠度。

(2)隧道支護(hù)體的極限位移。隧道支護(hù)體位移是在隧道工程施工的每個(gè)階段，支護(hù)體能夠支持的最大的位移。主要是為了在這種小幅度的位移情況下，能夠使得周邊的結(jié)構(gòu)不發(fā)生坍塌的現(xiàn)象。隧道支護(hù)體具有一定的特征曲線，主要是由于支護(hù)體的材質(zhì)，幾何形狀以及尺寸還有圍巖的約束條件決定的。在實(shí)際過(guò)程中，隧道圍巖曲線和支護(hù)體特征曲線有著很大的關(guān)系。根據(jù)大量研究表明，基本上是成正相關(guān)的關(guān)系。

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在支護(hù)階段的初期，如果產(chǎn)生極限位移，主要是隧道開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的洞壁位移。從隧道圍巖位移可以判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，主要的難點(diǎn)是沒(méi)辦法確定隧道支護(hù)體和隧道位移的精確值。

3.3 時(shí)效可靠的計(jì)算流程

我們根據(jù)時(shí)效可靠的定義，可以將其設(shè)置為如下計(jì)算流程。

3.3.1 修正支護(hù)參數(shù)

(1)支護(hù)體蠕變;(2)圍巖與支護(hù)體間接觸壓力;(3)支護(hù)體時(shí)效位移方程;(4)支護(hù)體時(shí)效可靠度;(5)結(jié)論。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算結(jié)合工程的實(shí)際情況，本文的研究對(duì)于隧道支護(hù)體的時(shí)效性具有一定的價(jià)值意義。

(2)隧道工程的實(shí)施中，支護(hù)體是一個(gè)非常重要的影響因素，要求在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要綜合考慮各項(xiàng)因素，避免出現(xiàn)安全事故。

(3)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道支護(hù)體應(yīng)該向厚度以及強(qiáng)度方面發(fā)展，增加支護(hù)體的時(shí)效性，將其的位移程度控制在有效的范圍內(nèi)。

(4)本文設(shè)置的參數(shù)比較簡(jiǎn)單，在實(shí)際的研究中，所采用的數(shù)據(jù)應(yīng)該設(shè)置更加緊湊的數(shù)據(jù)，便于得到更真實(shí)的結(jié)果。

［1］賈劍青.復(fù)雜條件下隧道支護(hù)體時(shí)效可靠性及風(fēng)險(xiǎn)管理研究［D］.重慶大學(xué)，2006.

［2］賈劍青，王宏圖，李曉紅，?；菝?，胡國(guó)忠.復(fù)雜條件下隧道支護(hù)體時(shí)效可靠性探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，03∶390-393.