探究彈塑性力學(xué)在隧道施工中的應(yīng)用

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

目前在鉆爆法施工的隧道中通常采用的超前支護(hù)方法有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前管棚等，在某些特殊地質(zhì)情況下，也可考慮水平高壓旋噴樁、超前管棚、凍結(jié)等方法控制隧道圍巖變形和開挖面的穩(wěn)定，提高施工安全性及高效性。盡管中國(guó)在鉆爆開挖技術(shù)上取得了一定的成就，但在具體操作實(shí)施上由于員工素質(zhì)等原因，根本達(dá)不到相應(yīng)要求；通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)著力開發(fā)隧道爆破設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序軟件，提高隧道爆破專業(yè)化隊(duì)伍的管理水平，才能促使中國(guó)的隧道工程鉆爆施工技術(shù)進(jìn)一步的提高。

一、彈塑性力學(xué)理論

彈塑性力學(xué)是固體力學(xué)的1個(gè)重要分支，是研究彈性和彈塑性物體變形規(guī)律的1門科學(xué)。1678年Hooke提出了彈性體的變形和所受外力成正比的定律；19世紀(jì)20年代法國(guó)的Navier，Cauchy和De Saint Venant等建立了彈性理論;1864年Tres-ca提出了最大剪應(yīng)力屈服條件;Mises提出形變屈服條件,Prandtl和Reuss提出了塑性力學(xué)中的增量理論;Fenner和Kastner分別推導(dǎo)了彈塑性理論公式。

二、彈塑性力學(xué)在材料上的應(yīng)用

(一)三軸圍壓下砂漿彈塑性損傷變形的研究

砂漿材料作為一種類巖石材料，其三軸圍壓作用下的力學(xué)行為作為表征其材料性質(zhì)的一個(gè)重要方面。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性材料的力學(xué)性能有著重要影響。一般情況下，對(duì)于許多脆性材料，在單軸加載或低圍壓下，表現(xiàn)出明顯的脆性特性；而隨著圍壓的增大，試件的強(qiáng)度和韌性都有著顯著地提高。砂漿的彈塑性損傷變形的研究是基于對(duì)泛函數(shù)和Cauchy-born準(zhǔn)則，抽象出彈簧束構(gòu)元和體積構(gòu)元組集兩種構(gòu)元的力學(xué)響應(yīng)，給出了材料的彈性損傷的本構(gòu)關(guān)系；考慮滑移作為主要的彈塑性變形機(jī)制，提出了滑移構(gòu)元，給出了材料的塑性本構(gòu)關(guān)系，利用變形分解機(jī)制，得到了三種構(gòu)元共同描述的彈塑性損傷的本構(gòu)關(guān)系。闡述了給定應(yīng)變條件下彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的迭代流程。從材料細(xì)觀變形角度解釋了隨著圍壓增加，材料的承載能力增加的現(xiàn)象，初步驗(yàn)證了彈塑性理論處理非比例加載的問題。

(二)鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)彈性理論分析

殼體結(jié)構(gòu)是由曲面形板與邊緣構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)。殼體結(jié)構(gòu)有很好的空間傳力性能，能以較小的構(gòu)件厚度形成承載力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，能覆蓋或圍護(hù)大跨度的空間而不需要中間支柱，能兼承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的雙重作用，從而節(jié)約結(jié)構(gòu)材料。殼體結(jié)構(gòu)可做成各種形狀，以適應(yīng)工程造型的需要，因而廣泛的應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。

三、常用的隧道支護(hù)技術(shù)

在鉆爆法施工中，針對(duì)不同的圍巖級(jí)別，采用相應(yīng)的支護(hù)形式，由初期支護(hù)與二次襯砌組合成的復(fù)合式襯砌最為常用，是隧道結(jié)構(gòu)的主要承載單元。其中初期支護(hù)通常采用由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架及錨桿組成的組合結(jié)構(gòu)，而二次襯砌常常采用模筑混凝土作為安全儲(chǔ)備來(lái)進(jìn)行設(shè)置。傳統(tǒng)坑道開挖后的支護(hù)方法，大致可以分為鋼木構(gòu)件支撐(傳統(tǒng)礦山法)和錨桿噴射混凝土支護(hù)(新奧法)2類。

傳統(tǒng)施工方法中，初期支護(hù)采用鋼木構(gòu)件支撐，構(gòu)件支撐在模筑整體式襯砌時(shí)通常應(yīng)予以拆除，即不作為永久承載構(gòu)件，被稱為臨時(shí)支撐。目前在隧道工程施工中，初期支護(hù)一般由錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)等及它們的組合組成，使用最多的組合形式是錨桿(主要指系統(tǒng)錨桿)加噴射混凝土(素噴或網(wǎng)噴)。因此，初期支護(hù)可以稱為錨噴支護(hù)。

四、隧道支護(hù)技術(shù)不斷發(fā)展

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)新型復(fù)合材料鋼纖維噴射混凝土的噴射技術(shù)、增強(qiáng)機(jī)制、力學(xué)試驗(yàn)、早期強(qiáng)度、應(yīng)用與設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，并在惡劣環(huán)境下提高噴射混凝土耐久性研究上取得了較多研究成果[2]。鋼架對(duì)限制圍巖變形能夠起到重要作用，尤其是在軟弱圍巖隧道中。目前中國(guó)隧道鋼架主要采用格柵鋼架與型鋼鋼架，中國(guó)學(xué)者曾對(duì)格柵鋼架和型鋼鋼架的受力特性和變形特征、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用性也做了相應(yīng)研究并給出了使用原則[3]。錨桿被認(rèn)為具有懸吊作用、支撐作用、組合梁作用和加固作用，在隧道初期支護(hù)中起到重要作用。許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬或現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的方法，對(duì)錨桿的作用效果進(jìn)行了大量研究。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用中，總結(jié)了諸如“型鋼拱架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿(管)+縱向連接筋”組成的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)以及多用應(yīng)用原則[4-5]。除此之外，近年來(lái)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)已引起國(guó)內(nèi)外同行的普遍重視[6]。內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)、粘貼FRP布法因其相對(duì)良好的表現(xiàn)和易于施工的優(yōu)點(diǎn)，成為了隧道襯砌內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)方法中最為推崇的一種方法。

初期支護(hù)施作后即成為永久性承載結(jié)構(gòu)的一部分，它與圍巖共同構(gòu)成了永久的隧道結(jié)構(gòu)承載體系。當(dāng)前常用的永久襯砌形式有：整體襯砌、復(fù)合式襯砌、拼裝襯砌、錨噴襯砌4種[7]。噴射混凝土技術(shù)的發(fā)展在隧道工程支護(hù)技術(shù)發(fā)展中占有很重要的地位，目前錨噴支護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在全面推行濕噴技術(shù)、鋼纖維噴射混凝土和聚丙稀纖維噴射混凝土推廣并應(yīng)用、隧道噴射混凝土單層襯砌將成為隧道永久性襯砌3個(gè)方面。

五、結(jié)論

彈塑性力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，是研究可變形固體受到外載荷、溫度變化及邊界約束變動(dòng)等作用時(shí)，彈塑性變形和應(yīng)力狀態(tài)的科學(xué)。利用彈塑性力學(xué)對(duì)隧道施工材料、隧道結(jié)構(gòu)等進(jìn)行力學(xué)分析，不僅增強(qiáng)了隧道建設(shè)的安全，還對(duì)不斷出現(xiàn)的隧道修建技術(shù)提供了有利的理論支撐。隧道修建技術(shù)的進(jìn)步為長(zhǎng)大隧道工程的發(fā)展和開發(fā)利用地下空間奠定了基礎(chǔ)。