公路隧道圍巖穩(wěn)定性分析和襯砌技術(shù)現(xiàn)狀初探

楊 華

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030600)

現(xiàn)如今，公路建設(shè)速度越來(lái)越快，不僅為了滿足人們?nèi)粘３鲂?、交通運(yùn)輸?shù)恼w要求，而且還為了能夠滿足現(xiàn)階段我國(guó)城市化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。在這種狀態(tài)下，公路隧道建設(shè)質(zhì)量就顯得更加重要，當(dāng)前最長(zhǎng)的隧道是鐵路線上的秦嶺隧道，全長(zhǎng)有18.46 km。近年來(lái)，我國(guó)在公路建設(shè)方面投入了大量的資金，重視度也越來(lái)越高，而為了保證公路建設(shè)整體質(zhì)量能夠達(dá)到規(guī)定要求和標(biāo)準(zhǔn)，公路隧道圍巖的穩(wěn)定性要進(jìn)行深入分析和研究，與此同時(shí)，對(duì)襯砌技術(shù)的科學(xué)合理應(yīng)用進(jìn)行分析。在保證公路隧道圍巖穩(wěn)定性能夠得到有效控制的基礎(chǔ)上，為公路建設(shè)打下良好基礎(chǔ)。

1 公路隧道圍巖穩(wěn)定性理論分析

1.1 數(shù)值計(jì)算方法與人工智能方法

現(xiàn)如今，在社會(huì)近來(lái)不斷快速發(fā)展的形勢(shì)下，科學(xué)技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭越來(lái)越迅猛，各種數(shù)值計(jì)算方法被廣泛的應(yīng)用到圍巖穩(wěn)定性分析中。比如現(xiàn)階段在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)能夠取得良好應(yīng)用效果的數(shù)值計(jì)算方法包括限差分法、限元法、邊界元法等。隧道圍巖巖體工程力學(xué)行為以及其自身的變形和破壞機(jī)理主要是體現(xiàn)在主觀方面和客觀方面，在某種程度上可以說(shuō)是以一種隨機(jī)狀態(tài)存在。同時(shí)，由于信息或者是數(shù)據(jù)方面的獲取具有一定的限制，導(dǎo)致其自身的真實(shí)性也有待確定。因此，雖然力學(xué)仍然是現(xiàn)階段對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行解答時(shí)必不可少的一項(xiàng)重要手段，但是在當(dāng)代社會(huì)這種手段已經(jīng)不具有唯一性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工學(xué)科的興起以及在現(xiàn)實(shí)中的廣泛應(yīng)用，能夠?yàn)槿藗冊(cè)诠こ讨杏龅降母黝悊?wèn)題提供良好的解決思路和方法[1]。

1.2 圍巖分類法

在針對(duì)工程進(jìn)行實(shí)際計(jì)算和設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于圍巖分類法比較簡(jiǎn)單，而且能夠提供良好的解決效果，被廣泛的應(yīng)用在實(shí)踐中。圍巖穩(wěn)定性分類方法主要包括Stini法、Franklin法等。其中RMI方法中由于包含參數(shù)比較多，而這些參數(shù)很難保證最終的準(zhǔn)確性，同時(shí)由于巖體工程力學(xué)的行為以及其自身的變形情況很難確定，所以在這種狀態(tài)下，很多學(xué)者都會(huì)直接利用模糊數(shù)學(xué)方式對(duì)其實(shí)際情況進(jìn)行處理。在這個(gè)基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者提出在模糊回歸分析法的基礎(chǔ)上，對(duì)巖體進(jìn)行分類，對(duì)花崗巖、粘板巖以及片巖隧道中的圍巖分類進(jìn)行推導(dǎo)和分析[2]。

2 公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)在針對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析和研究上，已經(jīng)取得了一定的成效，但是針對(duì)圍巖巖體本構(gòu)關(guān)系的非線性、非均質(zhì)性等特性在研究時(shí)，仍然缺少有效措施。因此，針對(duì)這一現(xiàn)狀，在實(shí)際操作過(guò)程中，各國(guó)學(xué)者從不同的角度、利用不同的方式手段，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

2.1 數(shù)值分析方法的耦合應(yīng)用

比如有限元與邊界元之間的耦合、離散元與邊界元之間的耦合等。通過(guò)相互之間的耦合應(yīng)用，能夠?qū)⒉煌瑪?shù)值自身在分析過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)充分表現(xiàn)出來(lái)，而且還能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，將各自的缺點(diǎn)進(jìn)行有效克服，這樣有利于提高計(jì)算速度和最終數(shù)值的精準(zhǔn)度。

2.2 塊體理論發(fā)展

塊體理論主要是針對(duì)個(gè)性各異巖體中具有切割體這一弓形，將拓?fù)鋵W(xué)原理進(jìn)行有效結(jié)合。與此同時(shí)，在對(duì)其進(jìn)行分析和研究的時(shí)候，可以直接利用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法進(jìn)行分析，這樣能夠有利于構(gòu)造出一切塊體類型。在完成構(gòu)造之后，可以將這些塊體和開挖面之間的關(guān)系進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際情況，將其確定為穩(wěn)定塊體、潛在關(guān)鍵塊體或者是不可移動(dòng)塊體等多種形式[3]。在完成分類之后，可以根據(jù)關(guān)鍵塊體的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，這樣能夠提出有針對(duì)性的支護(hù)設(shè)計(jì)，并且保證支護(hù)方案的有效落實(shí)。

3 公路隧道襯砌技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

襯砌是隧道施工過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)之一，也是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，襯砌技術(shù)在公路隧道實(shí)際施工過(guò)程中，能夠直接對(duì)其自身的質(zhì)量、施工速度以及施工成本產(chǎn)生影響。由此可以看出，在公路隧道施工中，襯砌技術(shù)在其中的重要性地位，不可撼動(dòng)。

襯砌拱架是模筑襯砌中非常重要的一部分，其自身的建設(shè)質(zhì)量能夠?qū)σr砌質(zhì)量、速度以及成本和勞動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此，在這種背景下，襯砌拱架自身的質(zhì)量尤其重要，其自身經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展之后，現(xiàn)有的拱架能夠?yàn)橐r砌自身的質(zhì)量提供有效保障。除此之外，還能夠保證襯砌的表面美觀，而且實(shí)現(xiàn)高效率施工。

3.1 組裝式拱架

組裝式拱架最初被應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代之前，組裝式拱架一般情況下，都是由拱圈、立腿、墊盤、橫撐、模板等相互組合而成，如圖1所示。

如圖1所示的這種組裝式拱架每當(dāng)襯砌一個(gè)循環(huán)的時(shí)候，就需要對(duì)其進(jìn)行一次拆卸和組裝。在拆卸和組裝過(guò)程中，不僅浪費(fèi)大量的人力、物力資源，而且目前每次拆卸、安裝時(shí)間都需要1 d～2 d左右，這樣就會(huì)直接導(dǎo)致襯砌速度過(guò)慢。月平均襯砌速度一般情況下，會(huì)控制在40延米～60延米左右，與此同時(shí)，在組裝過(guò)程中，會(huì)存在一定的安裝誤差，并且由于模板本身是提前鋪設(shè)的，所以接縫比較多，而且接縫位置出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象非常嚴(yán)重。在這種狀態(tài)下，襯砌表面無(wú)論是誤差或者是美觀程度都比較差。但是這種組裝式拱架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是比較容易加工，而且質(zhì)量比較輕，制作成本也比較低[4]。在現(xiàn)階段，雖然這種拱架形式已經(jīng)逐漸被淘汰，但是在短淺隧道中仍然繼續(xù)被使用。

3.2 襯砌臺(tái)車

在20世紀(jì)80年代之后，對(duì)襯砌的整體速度要求越來(lái)越高，組裝式拱架已經(jīng)不能夠滿足施工工期的整體要求。因此，在這種背景下，人們逐漸研發(fā)出了襯砌臺(tái)車，其自身主要是由軌道、行走裝置、車架以及模板相互組合而成，如圖2所示。

襯砌臺(tái)車在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于只是單純的平移，所以并不需要對(duì)其進(jìn)行拆卸，平移以及就位一般情況下，只需要4 h～8 h，因此，襯砌速度與組裝式拱架相比，具有一定的優(yōu)勢(shì)。襯砌臺(tái)車的月襯砌速度一般情況下，會(huì)控制在80延米～100延米，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其自身能夠有效對(duì)重復(fù)組裝時(shí)的誤差進(jìn)行消除，所以表面誤差能夠得到有效控制。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)公路隧道的快速發(fā)展，在某種程度上對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性理論和襯砌技術(shù)的發(fā)展也能夠起到一定的輔助性作用。因此，在這種大環(huán)境背景下，要根據(jù)公路建設(shè)的具體要求，在保證圍巖穩(wěn)定性得到有效控制的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⒁r砌技術(shù)的作用充分發(fā)揮出來(lái)。

[1] 林銀飛，鄭穎人.彈塑性有限厚條法及工程應(yīng)用[J].工程力學(xué),2010(2)：12-13.

[2] 朱素平，周楚良.地下圓形隧道圍巖穩(wěn)定性的粘彈性力學(xué)分析[J].同濟(jì)大學(xué)報(bào),2010(3)：37-39.

[3] 李術(shù)才，李術(shù)忱，朱維申.三峽右岸地下電站廠房圍巖穩(wěn)定性斷裂損傷分析[J].巖土力學(xué),2010(3)：45-48.

[4] 孫 鈞，朱合華.軟弱圍巖隧洞施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J].巖土力學(xué),2010(4)：21-24.