公路隧道圍巖應(yīng)力-應(yīng)變重分布的研究

喻盛境，莫 倩

(廣東核力工程勘察院，廣東 廣州 510800)

公路隧道圍巖應(yīng)力-應(yīng)變重分布的研究

喻盛境，莫 倩

(廣東核力工程勘察院，廣東 廣州 510800)

隨著我國公路建設(shè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，許多深埋公路和隧道工程需要在地下坑道等應(yīng)力環(huán)境下進(jìn)行施工，所以在開挖隧道過程中需要對圍巖應(yīng)力和應(yīng)變重分布進(jìn)行綜合考察，在公路隧道工程中，如果圍巖應(yīng)力過大，可能會(huì)造成圍巖坍塌和支護(hù)變形的現(xiàn)象，因此，人們加深了對公路隧道圍巖應(yīng)力和應(yīng)變重分布情況的研究，以期能夠采用合適的支護(hù)方式，提高隧道工程的施工質(zhì)量。但是在公路隧道工程中，由于隧道圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，所以在測量圍巖應(yīng)力和應(yīng)變重分布時(shí)存在較大的難度，只有加大研究力度，采用合適的測量計(jì)算方式，才能夠準(zhǔn)確了解公路隧道圍巖應(yīng)力以及應(yīng)變重分布。

隧道；圍巖；應(yīng)力

近幾年以來，我國的隧道工程施工環(huán)境越來越復(fù)雜，在隧道工程圍巖支護(hù)施工中，逐漸出現(xiàn)了各種施工安全問題。因此，為了提高隧道工程施工的安全性，必須加強(qiáng)對隧道工程的勘察設(shè)計(jì)，完善施工條件，在開挖隧道時(shí)，需要結(jié)合圍巖的特征進(jìn)行施工，這樣才能避免隧道涌水和坍塌等地質(zhì)災(zāi)害問題。隧道工程需要開挖巖體，開挖巖體必然會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)體貌變形、受到破壞，這也是隧道工程中運(yùn)用最復(fù)雜的施工技術(shù)。而且地下隧道工程的力學(xué)分布非常復(fù)雜，必須綜合考慮結(jié)構(gòu)、材料以及荷載等影響因素，無法應(yīng)用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和荷載施工技術(shù)，必須做好圍巖支護(hù)工作，才能確保公路隧道施工的穩(wěn)定性和安全性。本文對公路隧道圍巖應(yīng)力以及應(yīng)變重分布進(jìn)行了深入研究。

1 隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析

1.1 圍巖的破壞形式和初始地應(yīng)力場之間的關(guān)系

圍巖的破壞形式主要有這樣幾種：脆性張裂破壞、剪切流動(dòng)破壞以及塑性擠壓流動(dòng)破壞。這幾種破壞形式是圍巖工程中最常見的破壞形式，而影響圍巖破壞形式的原因有很多，初始地應(yīng)力場就對圍巖的破壞形式產(chǎn)生了極大的影響。受到自重應(yīng)力的影響，淺埋隧道相對于深埋隧道來說更加穩(wěn)定，由于初始地應(yīng)力值增大，所以會(huì)給深埋隧道圍巖造成各種不同類型的破壞。在埋深較淺的情況下，不容易發(fā)生擠壓流動(dòng)破壞，只有埋深增大之后，才能發(fā)生擠壓流動(dòng)破壞。但是當(dāng)隧道地層的構(gòu)造應(yīng)力增加之后，也會(huì)造成淺埋隧道破壞。通過研究當(dāng)前的隧道工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在隧道工程中經(jīng)常出現(xiàn)脆性地層，這種脆性地層受到的應(yīng)力增大，就會(huì)出現(xiàn)張性破裂的情況，在一些石質(zhì)比較差的隧道工程中，很容易造成圍巖塑性剪切流動(dòng)，出現(xiàn)這種情況的主要原因在于石質(zhì)較差的圍巖缺少抗張拉能力，難以抵抗圍巖周邊出現(xiàn)的張力和拉力。應(yīng)力重分布不均勻，應(yīng)力過于集中，也會(huì)導(dǎo)致局部過量剪應(yīng)力被周圍的巖層吸收承載力。當(dāng)隧道工程的圍巖埋深和斷面比較大時(shí)，也會(huì)造成隧道巖層中產(chǎn)生擠壓流動(dòng)破壞現(xiàn)象，受到這些異?，F(xiàn)象的影響，很難把握初始地應(yīng)力場與巖體的性質(zhì)。

1.2 圍巖截面的極限承載力

在計(jì)算圍巖截面的極限承載力時(shí)，需要運(yùn)用合適的計(jì)算方法，和圍巖體相比，支護(hù)材料只能起到一定的支護(hù)作用，其提供的承載能力只能保持在一定范圍內(nèi)，所以經(jīng)常不計(jì)算這部分承載能力。所以，隧道圍巖的極限承載力主要受到巖體材料特點(diǎn)的影響，當(dāng)圍巖截面上承受的應(yīng)力超過了極限承載力，就會(huì)對圍巖截面造成破壞。在隧道工程施工中，通過架設(shè)支護(hù)，能夠有效改變隧道圍巖的應(yīng)力場以及位移場分布情況，使隧道圍巖的各個(gè)截面能夠承受均勻的應(yīng)力負(fù)擔(dān)，并且在一些高強(qiáng)度抗力點(diǎn)上架設(shè)支護(hù)，能夠提高巖體的承載能力，提高圍巖施工的安全性和穩(wěn)定性。

2 支護(hù)前公路隧道工程的圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析

在支護(hù)前對圍巖應(yīng)力和位移規(guī)律進(jìn)行深入研究，了解隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況，這樣才能為隧道開挖工程提供更加準(zhǔn)確的判斷。當(dāng)前，在隧道工程施工中主要采用離散元法、邊界元法以及有限單元法等方法來計(jì)算隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況。

2.1 確定圍巖的計(jì)算模型

隧道圍巖的應(yīng)力分布情況和巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)存在緊密的關(guān)系，由于隧道工程一般處于山勢坡度比較陡的地方，施工環(huán)境非常復(fù)雜，而且隧道巖體的剝蝕程度非常高。在隧道開挖之前，巖體主要受到三個(gè)方向的應(yīng)力分布，變形現(xiàn)象在一定程度上受到影響，這也是巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體的初始應(yīng)力分布比較平衡、穩(wěn)定。因此，受到自重作用的影響，計(jì)算圍巖的初始應(yīng)力方法為：

σv=rH

σv=u/(1-u) σv

在計(jì)算隧道圍巖的初始應(yīng)力時(shí)，需要綜合考慮隧道圍巖的幾何尺寸和受力方式。同時(shí)，在隧道圍巖開挖之后，隧道圍巖的應(yīng)力分布情況也會(huì)重新發(fā)生變化，從而對圍巖應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了極大的影響。在隧道開挖之后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)和圍巖尺寸以及巖體條件存在密切相關(guān)的聯(lián)系，如果圍巖具有較高的強(qiáng)度，那么只會(huì)造成較小的影響，如果巖體比較松軟，就會(huì)對隧道圍巖產(chǎn)生較大的破壞，導(dǎo)致隧道巖體內(nèi)部出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

2.2 隧道圍巖的力學(xué)狀態(tài)

在隧道工程圍巖施工中，當(dāng)圍巖承受的壓力過大，就會(huì)導(dǎo)致圍巖失去平衡力，從而出現(xiàn)變形或破裂的現(xiàn)象。在隧道開挖之后，由于圍巖力學(xué)狀態(tài)出現(xiàn)很大的變化，而這也會(huì)對隧道圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。所以，在隧道開挖施工過程中，必須了解圍巖的力學(xué)狀態(tài)變化，才能設(shè)計(jì)科學(xué)、合理的支護(hù)方式，進(jìn)而確保圍巖工程的穩(wěn)定性。在隧道開挖工程中，圍巖的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化雖然會(huì)影響支護(hù)作用，但是支護(hù)的強(qiáng)度也會(huì)造成隧道巖體變形破裂，從而對隧道圍巖支護(hù)受力產(chǎn)生較大的影響，這也被稱作為圍巖和支護(hù)之間的相互作用。

3 隧道工程圍巖應(yīng)變重分布情況研究

在隧道圍巖變形的影響因素中，應(yīng)變重分布起到重要作用，這也是影響圍巖變形的主要因素，只有準(zhǔn)確測量應(yīng)變重分布，才能更好地預(yù)測圍巖變形現(xiàn)象。

3.1 圍巖區(qū)域的應(yīng)力場分布情況

在隧道工程施工中，隧道圍巖的初始應(yīng)力場主要受到巖體條件、應(yīng)變重分布等條件的影響，只有充分了解隧道圍巖工程的應(yīng)力場分布環(huán)境，才能為隧道工程施工提供理論依據(jù)。通過運(yùn)用震源機(jī)制解析法能夠?qū)λ淼赖貧?gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行綜合分析，掌握隧道工程區(qū)域的應(yīng)力分布情況，以工程區(qū)域的應(yīng)力場構(gòu)造規(guī)律來進(jìn)行圍巖施工。在圍巖測量中，通過運(yùn)用水壓致裂法，在隧道工程的進(jìn)口處、中段以及出口處選擇位置鉆孔施工，在鉆孔位置來測量隧道工程的地應(yīng)力。

3.2 三維初始地應(yīng)力場的反演分析法

在公路隧道工程中，可以選擇一段面積為32 km2的長方形區(qū)域進(jìn)行測量，利用FLAC測量法來構(gòu)建模型，并且把模型底面標(biāo)高設(shè)置為0m，在FLAC模型的右界面中，分別使用固定和應(yīng)力邊界的方式，來對模型的底面、前面、后面和左面的邊界進(jìn)行固定。具體而言，可以運(yùn)用這樣兩種計(jì)算方式：首先，當(dāng)隧道圍巖的上覆巖體受到自重應(yīng)力場的作用，需要對水平方向的最大主應(yīng)力以及沿洞軸的方面應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算。其次，通過總結(jié)鉆孔測試的資料，對圍巖的水平構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行計(jì)算，最終對沿洞軸的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，在運(yùn)用模型進(jìn)行計(jì)算的過程中，一些物理參數(shù)可以結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來取值。

4 隧道圍巖應(yīng)力量測方式

4.1 隧道圍巖應(yīng)力量測設(shè)備的安裝和布置

在公路隧道工程中量測應(yīng)力分布情況，首先需要合理布置圍巖應(yīng)力量測設(shè)備，測量圍巖壓力的壓力盒布置在圍巖和襯砌的中間位置，然后在初次襯砌和二次襯砌的中間位置布置壓力盒。然后在隧道圍巖中布置測量點(diǎn)，這些測量點(diǎn)主要分布在隧道掌子面的重要位置，在隧道圍巖的洞頂、拱腰、拱腳、邊墻和仰拱等位置都需要設(shè)置測量點(diǎn)。一般在隧道掌子面中設(shè)置8個(gè)測量點(diǎn)，在測量隧道應(yīng)力量的過程中，需要詳細(xì)記錄壓力盒的型號，并且對不同的壓力盒編上相應(yīng)的數(shù)字號碼。

4.2 襯砌過程中的測量

在隧道圍巖的襯砌初期，也就是對圍巖進(jìn)行支護(hù)時(shí)，在隧道掌子面的各個(gè)測量點(diǎn)上承受的壓力，會(huì)不斷增加，因?yàn)樵趪鷰r支護(hù)過程中，把混凝土噴射到圍巖中，混凝土還沒有完全凝固下來，所以圍巖襯砌的表面將和圍巖處于相同的變形狀態(tài)，當(dāng)混凝土逐漸凝固支護(hù)，就會(huì)使圍巖壓力增長速度趨于平緩和穩(wěn)定。在隧道圍巖的洞頂和側(cè)壁位置，需要承受較大的圍巖壓力，而且在這兩個(gè)部位的應(yīng)力比較集中，是整個(gè)隧道圍巖掌子面中最不穩(wěn)定的位置。

5 總結(jié)語

綜上所述，隧道圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，在測量圍巖應(yīng)力和應(yīng)變重分布時(shí)必須結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的測量方式，只有準(zhǔn)確測量公路隧道圍巖的應(yīng)力和應(yīng)變重分布情況，才能更好地進(jìn)行圍巖支護(hù)施工，提高公路隧道施工的穩(wěn)定性和安全性。

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(本文文獻(xiàn)格式：喻盛境，莫 倩.公路隧道圍巖應(yīng)力-應(yīng)變重分布的研究[J].山東化工,2017,46(15):134-135.)

2017-05-18

喻盛境(1993—)，男，貴州畢節(jié)人，大學(xué)本科，研究方向：巖土工程。

U459.2

A

1008-021X(2017)15-0134-02