水工隧洞支護(hù)特性研究

李海華

2014年3月刊《華東科技》單號：1400037 業(yè)務(wù)員：李龍靜 馬家財

摘要：本文主要對隧洞初期支護(hù)材料的選擇對于水工隧洞穩(wěn)定性的影響以及在開挖的過程當(dāng)中、應(yīng)力的傳遞對支護(hù)時機的影響進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵字：支護(hù)材料;水工隧洞;穩(wěn)定性;支護(hù)時機

現(xiàn)在，在很多比較大型的水利工程建設(shè)項目當(dāng)中，各個水工隧洞的建設(shè)也是越來越多，這些水工隧洞在建設(shè)的過程當(dāng)中，施工的范圍比較的廣，規(guī)模比較的大，建設(shè)的周期比較長，而且建設(shè)的過程比較的復(fù)雜。所以在施工的過程當(dāng)中對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式以及施加支護(hù)的時間的選擇是一個非常關(guān)鍵的問題。但是現(xiàn)在關(guān)于這方面的研究還是比較少的，所以對這方面的問題進(jìn)行一定的研究還是非常有意義。

一、對于支護(hù)材料特性的選擇

在隧洞進(jìn)行了開挖之后應(yīng)力要進(jìn)行重分布，在施加了初期支護(hù)之后，就會使得一部分的應(yīng)力施加到了初期支護(hù)上面，這個支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠分擔(dān)多少的應(yīng)力主要取決于支護(hù)材料彈性模量的大小，而且它還會對開挖隧洞最終的穩(wěn)定性起到一個非常關(guān)鍵的作用，所以在選擇支護(hù)材料的時候，彈性模量是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。

（一）隧洞結(jié)構(gòu)的豎向位移，是隨著初砌材料的性質(zhì)變化的。從下面的圖可以看出，隧洞結(jié)構(gòu)的頂部豎向位移在施加了一個支護(hù)之后就會出現(xiàn)一個上彈量，豎向的位移值會隨著隧洞初期材料的彈性模量E的不斷增加而減小，當(dāng)隧洞初期材料的彈性模量E的變化值是在110-515GPa這個范圍內(nèi)的時候，隧洞頂部結(jié)構(gòu)中心處的豎向相對位移值的變化范圍則是在6mm之內(nèi)，當(dāng)隧洞底部結(jié)構(gòu)的豎向位移在因為施加了一個支護(hù)之后有一定的下降，那么豎向位移的位移值則會隨著隧洞初期材料的彈性模量E的不斷增加而增大，當(dāng)隧洞初期材料的彈性模量E的變化值是在110-515GPa這個范圍內(nèi)的時候，隧洞底部結(jié)構(gòu)中心處的豎向相對位移值的變化范圍則是在3mm之內(nèi)。當(dāng)隧洞初期材料的彈性模量E在增加的時候，隧洞頂部結(jié)構(gòu)的豎向位移會出現(xiàn)一種上彈的趨勢，而隧洞底部結(jié)構(gòu)的豎向位移則是一種下沉的趨勢，而且隨著隧洞初期材料的彈性模量E的不斷增加會使這兩種變化的趨勢變得不是很明顯。

（二）隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力是隨著初期材料的性質(zhì)變化的。隧洞底部的最大主應(yīng)力和豎向應(yīng)力在隧洞進(jìn)行開挖之后的一個降低量是要比隧洞的頂部大一些，而隧洞底部的豎向應(yīng)力在施加了初期支護(hù)以后是要比隧洞的頂部小一些，最大主應(yīng)力則是要比隧洞的頂部大一些;當(dāng)隧洞的初期支護(hù)材料彈性模量E在增加的時候，隧洞底部和頂部的最大主應(yīng)力和豎向應(yīng)力都會不斷的減小，當(dāng)隧洞的初期支護(hù)材料彈性模量E的變化范圍是在110～515GPa內(nèi)的時候，豎向應(yīng)力值的變化范圍則是在-200～130kPa內(nèi)，最大主應(yīng)力的變化范圍則是在-110～90kPa內(nèi)，。當(dāng)隧洞的初期支護(hù)材料彈性模量E在不斷增加的時候，隧洞底部和頂部的最大主應(yīng)力和豎向應(yīng)力減小的趨勢也會變得不是很明顯。當(dāng)隧洞在施加了初期之后，就會對隧洞結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一部分應(yīng)力分擔(dān)，這樣就會使得在隧洞圍巖上的應(yīng)力作用相對的減少一些，從而使得隧洞的受力結(jié)構(gòu)得到一定的改善，最終來增強隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

二、選擇施加支護(hù)的時機研究

（一）在隧洞開挖的過程當(dāng)中，對于施加支護(hù)時機的主要影響。隧洞在開挖了之后，應(yīng)該要盡快的施加一次支護(hù)，這樣支護(hù)就可以和圍巖形成協(xié)同作用，并最終形成一個統(tǒng)一的承載體。然后在進(jìn)行二次支護(hù)的時候，主要需要考慮的問題就是首先不能夠讓圍巖變形比較大，從而使得圍巖進(jìn)入到比較松弛的狀態(tài)，其次就是要保證二次支護(hù)上面的力是在一個合理的范圍之內(nèi)，這樣才能夠很好的滿足支護(hù)強度的要求。當(dāng)隧洞開挖到目標(biāo)斷面前的時候，隧洞頂部的豎向位移有一定的回彈，這個豎向的位移是在開挖到目標(biāo)斷面前一個斷面的時候開始增大，當(dāng)開挖到目標(biāo)斷面后一個斷面的時候，豎向的位移就不增大了，然后開始有一定的回彈。當(dāng)隧洞開挖到目標(biāo)斷面前的時候，隧洞頂部的最大主應(yīng)力有一個比較明顯的釋放過程，在隧洞開挖過程當(dāng)中，最大主應(yīng)力開始不斷的增大，當(dāng)開挖到目標(biāo)斷面后一定的距離時，最大主應(yīng)力才開始減小。通過下面的圖可以清楚的看出，隧洞頂部的位移在變化的過程當(dāng)中，實際上就是應(yīng)力增長和釋放的過程，如果在不同的時刻在施加初期支護(hù)的話，那么在初砌支護(hù)上作用力的大小也是不一樣的。在隧洞當(dāng)中，初期支護(hù)的主要作用就是承受應(yīng)力并且使得圍巖不會發(fā)生位移，所以在施加初砌支護(hù)的時候，時間是非常關(guān)鍵的。當(dāng)隧洞頂部圍巖的應(yīng)力在逐漸增大的時候，在隧洞施加了初期支護(hù)以后，初期支護(hù)就會分擔(dān)隧洞結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一部分應(yīng)力，在通過相關(guān)的計算之后就可以發(fā)現(xiàn)，在隧洞初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力就從開始的壓應(yīng)力變成了拉應(yīng)力，所以在隧洞施加初期支護(hù)的時候，布置相應(yīng)的受拉鋼筋是非常重要的。

（二）主應(yīng)力的傳遞對于施加支護(hù)時機的主要影響。在實際的施工當(dāng)中，主應(yīng)力的傳遞經(jīng)常是人們?nèi)菀缀鲆暤膯栴}，但是在經(jīng)過了很多的實驗之后發(fā)現(xiàn)，純主應(yīng)力在傳遞的時候，會使得土體出現(xiàn)比較明顯的塑性變形。巖石在被破壞的時候，主要是因為應(yīng)力大小的變化以及應(yīng)力方向的變化，因為應(yīng)力的大小變化會使得巖石的裂隙深度有一定的變化，而應(yīng)力的方向變化則會使得巖石的裂隙密度有一定的變化。在隧洞的開挖過程當(dāng)中，當(dāng)主應(yīng)力的矢量方向基本上和隧洞開挖的輪廓方向平行的時候，圍巖的裂隙基本上就可以達(dá)到穩(wěn)定，從而不再繼續(xù)的擴展。

結(jié)束語：

通過上述的一些分析和研究可以發(fā)現(xiàn)，要想改變隧洞結(jié)構(gòu)的受力效果，可以采用提高初期支護(hù)材料的彈性模量的方法，但是當(dāng)初砌支護(hù)材料的彈性模量增加到一定程度的時候，改變的效果就不是很明顯，所以在施工的過程當(dāng)中也要根據(jù)實際的情況再增加初期支護(hù)材料的彈性模量。而在選擇施加支護(hù)時間的時候，應(yīng)該要根據(jù)具體的圍巖自承能力來進(jìn)行合理的安排。同時還應(yīng)該要考慮到應(yīng)力傳遞對于圍巖的影響，應(yīng)該要在圍巖的裂隙發(fā)生大規(guī)模的擴展前，就應(yīng)該要施加初期支護(hù)。

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作者簡介：李華海，男，（1980.05-）， 一直從事水工建筑設(shè)計工作。