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隧道围岩支护研究综述2016.1.61前言隧道支护结构设计的核心内容是围岩与支护,隧道设计的主要目的是针对不同的围岩制定其相对应的支护结构和施工方法,换句话说,也就是采用不同的支护结构和施工方法对不同类别围岩变形的控制。为了能有效地对围岩变形进行控制和对支护进行合理的设计,就必须搞清楚围岩的受力变形特征,并进一步解决围岩和支护结构的相互作用。随着新技术、新科学的引入隧道工程,对围岩与支护相互作用的研究也正逐步深化。影响围岩与支护相互作用的因素很复杂,包括围岩系统与支护系统两方面的影响因素,是多种因素的综合作用,需要多因素的综合分析。围岩稳定性受到岩体受力状态和运营环境等诸多因素的影响,并且各因素的影响程度存在差异。纵观国内外的研究和工程实践,设计工程师在一系列问题上,如初期支护在施工期间和运营期究竟发挥多大作用,承担多少荷载;通过增加二次衬砌的厚度究竟能提供多少安全储备;锚杆究竟如何发挥作用,其作用效果如何等方面还存在着诸多疑惑。这就使得设计者难以在纵观全局的基础上确定出经济合理的设计方案。隧道支护与围岩相互作用关系是隧道力学的核心内容,隧道结构设计中的主要问题都依赖于该项理论研究和技术的突破,因此开展《隧道初期支护与软弱围岩作用机理及应用》系统研究,从隧道结构设计中的围岩与支护相互作用这一核心问题出发,围绕围岩力学特性及结构稳定性和初期支护与围岩作用关系进行研究是十分必要和迫切的。2国内外研究现状收敛约束法是将弹塑性力学和岩石力学应用到隧道和地下工程中,以进一步解释围岩和支护相互作用过程,收敛约束法的理论基础是围岩特征曲线和支护特征曲线,又称为特征曲线法。因此,对围岩与支护结构相互作用的研究,也就是对围岩特征曲线和支护特征曲线的研究。Deere和Peck(1969)具体阐述了特征曲线法的基本概念。随后,Lombardi(1973)解释了地层的塑性行为,此外,Lombardi还研究了隧道围岩体积变化、围岩强度、支护结构距隧道掌子面的距离及支护刚度与时间相关的特性对收敛约束曲线的影响[1]。Ladanyi(1974)给出了静水压力作用下圆形隧道围岩收敛约束曲线的封闭解[2],他考虑了地层强度随时间的降低、线性和非线性破坏包络线以及破坏导致的地层体积膨胀效应。Ladanyi(1980)又给出了隧道围岩收敛约束曲线的非线性粘弹性封闭解[3]。Daemen(1975)给出了喷混凝土支护、钢拱支护和锚杆的支护特征曲线方程[4]。1980年,Howells阐述了围岩重力对围岩特征曲线的影响,指出松散软弱围岩的自重对围岩特征曲线有很大影响[5]。Kerisel(1980)认为由于围岩自重的存在,隧道洞壁各点的径向位移不尽相同,并用极限平衡法计算了不同部位重力荷载的大小[6]。Duddeck(1980)阐述了衬砌蠕变和围岩流变对收敛约束曲线的影响,指出了收敛约束法存在的主要问题是衬砌施作前隧道洞壁的径向位移的确定;同时,他建议利用有限元法确定围岩特征曲线和进行参数敏感性分析,然后再根据现场实测进行校正和调整[7]。Fairhurst(1980)从弹塑性理论出发,研究了围岩与支护的相互作用和支护刚性的影响,研究结果表明围岩塑性变形随洞壁作用力的减小而逐渐增大,围岩特征曲线由弹性的直线变成下凸状曲线[8]。Brown(1983)假设二维圆形隧道处于静水压力场,利用Hoek-Brown强度准则给出了平面应变状态下围岩特征曲线的弹一脆一塑性封闭解[9]。Eisenstein(1984)认识到由于的三维空间效应,施工中的实际地层行为与围岩特征曲线描述的地层行为有很大的差别[10]。Minh(1984)根据现场实测结果,提出了应变软化线性粘弹性模型,并对隧道围岩特征曲线进行了计算分析[11]。Ladanyi(1988)利用线性粘弹性模型对围岩特征曲线进行了研究,并对非线性Maxwell模型的情况进行了分析和讨论[12]。Pan(1991)应用Kelvin模型、Maxwell模型和一般化的Maxwell模型研究了围岩与支护的相互作用及其支护刚性的影响[13]。Kiyama(1992)根据圆形隧洞的二维弹性解析,从理论上研究了围岩特征曲线与支护特征曲线的构成方法[14]。Stille(1989)应用弹塑性模型研究了在锚杆支护情况下的围岩特征曲线,证明锚杆起到了提高围岩刚性的作用,支护后围岩变形较无支护围岩明显减小[15]。1991年,Eisenstein和Branco把收敛约束法的计算的结果和硬粘土地层的两条浅埋隧道的现场实测结果进行了对比,讨论了收敛约束法用于浅埋隧道设计的适用性[16]。1990年,郑雨天研制了主要适用于软弱围岩的围岩特征曲线测定仪[17]。郑雨天(1995)描述了巷道围岩特性曲线的实测原理,介绍了围岩特征曲线实测的直接法和间接法,以及实现这两类方法的若干法则[18]。王贵君(1990)进行了流变性围岩一支护相互作用的模拟试验,试验表明,粘弹塑性围岩特性曲线不是唯一的[19]。梨本裕(1992)建议对低强度围岩从围岩特性曲线得到的最小开挖范围作为设计目标及方法,提出了低强度围岩中隧道最小开挖设计法[20]。yamatomi(1990)应用弹塑性模型得到围岩特征曲线随围岩残留强度和破坏强度点后应力—应变曲线变化而变化[21]。1991年,Kitagawa利用收敛约束法研究了日本一座“挤入性”泥岩隧道开挖的初始位移,对围岩塑性区范围进行了反分析[22]。Labious(1994)用收敛约束法分析了点锚固锚杆在深埋岩石隧洞中的支护效果,提出了一种新的分析方法,这种方法同时考虑了锚杆参数、间距、到掌子面的距离以及锚杆的预应力[23]。Bernaud(1994)基于收敛约束法原理,提出深埋隧道衬砌设计的NIM法(NewImplicitMethod)[24]。Celestino(1994)基于收敛约束法原理,考虑岩体和喷射混凝土与时间相关性的特征,提出了一种隧道支护设计方法,此方法能在隧道施工中显示了开挖速率对喷混凝土支护应力的影响[25]。胡玉银(1994)考虑岩石扩容性,提出了的隧道洞壁弹脆性收敛线的确定方法[26]。金丰年(1997)应用能够描述应变软化和非线性粘弹性特征的本构方程对围岩特征曲线进行了计算和分析[27]。Peila(1995)用收敛约束法研究了预衬砌隧道中衬砌和岩体之间相互作用下的应力场和位移场,并与有限元法进行了比较,二者结果非常吻合[28]。同年,Peila和Oreste推导给出了对隧道围岩存在加固圈时围岩特征曲线的理论计算方法,并考虑了围岩的应变软化力学行为[29]。1996年,Oreste提出了计算锚固隧洞围岩特征曲线的一种新方法,该方法考虑了锚固断面与掌子面距离的影响、锚杆之间水平间距增长的影响以及不同锚杆端面响应曲线的影响[30]。次年Oreste研究了喷射混凝土的硬化过程对地层位移和支护压力的影响,提出了考虑喷混凝土硬化过程的特征曲线法,并对Kielder试验隧道监测结果的进行了反分析,证实了该方法的可靠性[31]。黄运飞(1997)基于围岩收敛约束法,在总结现代支护理论的基础上,给出了基坑支护位移曲线,阐述了基坑土体自承支护的基本原理[32]。Roussev(1998)分别用Mohr-Coulomb线性破坏准则、Leon-Tome抛物线形破坏准则和Hoek-Brown破坏准则,分别导了圆形隧道在内部常径向压力作用下隧道上部分的径向位移[33]。陈庆敏(1998)指出岩石破坏后侧向应变与纵向应变之比与围压呈负指数关系,并利用Hoek-Brown破坏准则导出了考虑岩石破坏后变形特性的巷道围岩特性曲线方程[34]。Carranza-Tomes和Fairhurst(2000)讨论了当岩体强度满足Hoek-Brown破坏准则时,将收敛约束法于隧道设计,并给出了典型岩石和支护系统相应设计参数参考值[35]。陈建勋(2001)利用弹塑性理论和Mohr-Coulomb强准则,论述了应用收敛约束法进行隧道初期支护设计的具体方法和步骤[36]。张素敏(2004)根据围岩特征曲线法原理提出了隧道稳定性判据(极限位移值)的确定方法[37]。张素敏(2004)采用弹塑性有限元方法绘制了不同埋深、不同围岩级别下铁路标准设计单双洞的围岩特征曲线,得出不同围岩级别、不同埋深、不同洞形和尺寸下围岩特性曲线的变化规律[38]。刘保国(2004)将释放荷载看作时间函数,用解析方法分析推演了圆形隧洞围岩与支护结构之间相互作用的时效规律[39]。李明(2005)应用自适应神经模糊系统原理,建立了巷道开挖围岩位移特性曲线预测的自适应神经模糊推理方法[40]。2006年,齐明山针对收敛法初始位移难以确定的问题,给出了利用LDP线确定初始位移的方法及LDP线的计算方法[41]。2009年,唐雄俊基于自相似理论,推导了用于求解静水应力场的圆形洞室周边应力与位移封闭解的微分方程组,给出了满足线性Mohr-Coulomb与非线性Hoek-Brown屈服准则的求解常数公式,并编制程序求解出了不同岩体模型的典型围岩特征曲线[42]。3存在问题近些年来,尽管国内外科技工作者在围岩与支护方面已有了很大的发展,但在理论认识和支护设计方法上仍然还存在许多问题。隧道围岩稳定性控制缺乏较为公认的理论指导,没有定量化的控制标准,难以做到精细化设计,目前主要依据围岩分级设定支护参数。另外,隧道结构设计缺乏可靠的理论指导,难以做到科学化设计。目前的支护设计普遍采用工程类比法,由于工程地质条件复杂多变,又缺乏系统的理论指导,使得工程设计过于保守,造成浪费;或者结构设计不足,给隧道工程的建设和运营造成较大的安全风险;具体表现如下:(1)隧道围岩特征曲线和支护特征曲线的研究过于简化。一般假设地层为均匀、连续、各向同性介质的圆形隧道,不考虑围岩自重,初始应力场为静水压力状态,不考虑支护的受弯作用(隧道洞壁各点的径向位移均相同)。另外,时间效应对收敛线的影响,隧道洞壁的初始径向位移的确定,隧道三维空间效应的影响等方面也存在这样那样的问题;(2)格栅钢架和型钢钢架的受力特点及其适用性存有争议。国内一些学者也对格栅钢架和型钢钢架的受力特性和变形特征、优缺点及适用性做了一些研究,然而,其中针对特殊地质条件洞段普遍采用型型钢钢架和格栅钢架孰优孰劣,目前仍存在较大的争议。在相同条件下,型钢钢架和格栅钢架在经济、刚度、承载力等方面存在明显的差异,因此,任何支护措施的制定都需要从技术可行、经济合理、施工便捷等方面综合考虑,不能只简单地考虑一方面;(3)考虑喷射混凝土硬化特性的初期支护与围岩相互作用未进行深入研究。隧道所使用喷射混凝上是一种龄期类材料,喷射混凝土施作后,其强度需要几天甚至几十天才能接近喷射混凝土的最终强度,喷射混凝土这一与时间有关的硬化特性对围岩变形和力学特性有何影响以及对初期支护支护效果的影响,目前均未进行深入研究。在进行围岩与支护相互作用分时,大多数研究者计算支护特征曲线时未考虑喷射混凝土硬化特性,而是按照喷射混凝土最终强度和弹性模量计算,以至于对初期支护效果做出过高估计;(4)没有建立起完整的支护一围岩作用体系,基于个别组件(子系统)的考虑难以准确描述支护的整体作用效果,因而在关键技术问题认识上有时还存在较大分歧,诸如初期支护的作用机理、两层衬砌的荷载分配及其转化规律、锚杆作用的有效性及其评价方法等问题尚存在一些认识上的理论问题。4研究方法采用理论分析、实验室试验、数值模拟和现场试验与应用相结合的方法进行系统研究,解决初期支护与围岩相互作用等关键问题:(1)理论分析根据多角形映射理论,推导出单位圆外域到地下洞室外域映射函数的逐次渐进求出,然后采用复变函数保角变换和弹性复变方法,推导出任意断面隧道的围岩应力和位移。基于喷射混凝土室内试验回归的喷射混凝卜强度和弹性模量时间变化规律,给出考虑喷射混凝土硬化特性的支护特征曲线,并应用于围岩与初期支护相互作用分析;(2)室内试验通过室内试验,得到喷射混凝土的早期强度。应用室内模型试验台架对素混凝土、格栅钢架和型钢钢架不同初期支护形式的
本文标题:隧道围岩支护研究综述
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