隧道与地下工程设计结课论文

关于隧道等地下工程支护结构设计理论浅析摘要：本文简要介绍了隧道等地下工程支护结构设计理论的发展历程，对各阶段支护理论的力学原理及其要点进行了简要分析，通过现有的对围岩—支护相互作用理论的认识的分析，得出了现有理论方法和认识的不足，并对未来隧道等地下工程支护理论发展方向以及发展趋势进行了表述。关键词：隧道；地下工程；力学原理；支护结构；围岩—支护相互作用理论；0前言世界近代建筑发展的历史大致可划分为三个阶段，即人们一般认为的19世纪是桥梁建设的世纪、20世纪是高层建筑的世纪、而21世纪则为地下空间发展的世纪。随着地下工程建设规模不断扩大，在城乡建设、水电、交通、矿山等诸多领域都涉及围岩的支护问题，地下工程围岩的稳定性和支护方法已成为地下工程中迫切需要解决的问题。围岩变形尤其是软岩变形有明显的时间效应，表现为初始变形速度大，变形趋向稳定后仍以较大的速度产生流变，且持续时间很长，有时达数年之久，对支护的要求很高。因此地下工程的支护问题仍然是工程技术人员最关注的研究课题。实际上自20世纪以来，随着人类对地下空间的需求越来越多，因而对地下工程的研究也有了一个突飞猛进的发展。同时在大量的地下工程实践中，人们也普遍认识到:：隧道及地下洞室工程，其核心问题都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护；若需支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进又相互制约的问题。在隧道及地下洞室工程中，围绕着以上核心问题的实践和研究，在不同的时期，人们提出了不同的理论，并逐步建立了不同的理论体系。每一种理论体系都包含和解决或正在研究解决了从工程认识概念、力学原理、工程措施到施工方法、工艺等一系列工程问题。一种理论是20世纪20年代提出的传统的“松弛荷载理论”。其核心内容是:稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载;不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。这是一种传统的理论，其代表人物有太沙基和普氏等人。它类似于地面工程考虑问题的思想，至今仍被广泛的应用着。另一种理论是20世纪50年代提出的现代支护理论或称“岩承理论”[1-9]。其核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力，不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的。如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒－菲切尔、芬纳－塔罗勃和卡斯特奈等人。这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际。近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。由以上可以看出，前一种理论更注意结果和对结果的处理，而后一种理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用[7-9]。由于有此区别，因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点，新奥法就是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。1地下工程结构的特点及设计的基本要求1.1地下工程结构的特点地下工程支护结构是一种复杂的工程结构体系，按照工程结构所处的环境，可将其界定为土体地下结构和岩石地下结构；按工程结构所处深度或开挖深度可将其分为深埋和浅埋地下结构；按其施工方法有可将其分为明挖和暗挖结构等。无论是按哪种方法分类，其结构构成都是由围岩（或者是土体等原围护体）和其支护结构体构成。构筑过程中整个结构体系的力学特性和稳定性不仅受到岩石的生成条件和地质作用的影响，还受到隧道开挖方法、支护类型、支护时机、支护参数等因素的影响。若岩体强度高，整体性好，断面形状有利；岩体的变形发展到一定程度将自行终止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由发展下去，最终导致围岩整体失稳而破坏。这种情况下，在开挖后适时地沿周边设置支护结构，对岩体产生抗力，形成约束。但考虑到地下结构体系的稳定性和安全性，应当结合围岩和支护的相互作用，达到一种可靠性设计。地下工程结构与地面或地上工程结构最大的区别就是结构相对简单，但边界条件极其复杂，这正是地下工程结构所处的环境所导致的。因此，地下工程问题最重要的就是获得最接近实际的工程环境，或者是其边界条件和初始条件。从而达到以最少的支护获得最稳定结构的目的。1.2地下工程结构设计的基本要求地下工程设计的目的是使所设计的结构能够完成全部功能要求。并且有足够的可靠性。所指的基本功能是由其用途决定的。性能指标有安全性、适应性和耐久性。一个建筑结构在具有了这三种性能之后，称之为具有可靠性。支护结构的基本作用就是和围岩一起组成一个有足够安全的地下结构体系，能够承受可能出现的各种荷载，保持地下工程断面的使用净空。同时支护结构还要确保围岩性能的进一步恶化。因此，对既定的地下工程选择适当支护结构应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工的可能性与可靠性。在支护结构具有极大刚度的情况下围岩可以一点不产生变形：但支护结构必须使围岩保持原有的应力状态。若支护结构设施过迟，将会引起围岩结构松弛，自重能力下降。所以从可靠性和经济性考虑，在进行既定工程实施开工时，须考究工程围岩特性和支护对其作用机理[5-9]。2地下工程支护理论的发展2.1地下工程支护理论的发展概述国内外学者提出了不同的理论并逐步建立了不同的理论体系19世纪及以前，隧道衬砌多由石料及砖砌成，尺寸都较大，当时把衬砌作为刚性块体组成的拱圈，砖砌时形成三铰拱，用压力线假设进行设计，形成了“刚性结构设计理论”。19世纪后期到20世纪中期康姆列尔（O.Kommerall）约翰逊（Johason）朱拉夫等人提出了弹性反力的分布图形，进而形成了“弹性结构设计理论”。20世纪中期，塔罗勃（J.Tacober）卡斯特奈（H.kastener）和塞拉格（S.Serata）等人提出了“共同作用设计理论”。在此期间，以纳布希维兹（Rabcewicz）为首的奥地利岩石力学工程小组比较完整地提出了接近于地下工程实际的新奥法[11-19]。进入21世纪以来，我国学者也做了大量工作齐明山等人以修正老纳公式为基础考虑围岩与衬砌的共同作用，对隧道围岩压力进行了理论解释研究。徐林生，李元松等人对隧道衬砌受力特性进行了现场研究得出了很多具有工程指导意义的结论20世纪80年代以来，将支护结构设计与现场监测结合起来，发展了一种新型的设计方法—“信息化设计理论”，这一新设计方法已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。隧道开挖后，围岩松弛，围岩应力减小，围岩应力部分传递给隧道支护结构隧道支护体系由岩体和支护结构两部分组成；在通常情况下，岩体是主要承载单元，而支护结构是辅助性的，但也是不可缺少的。在某些特殊情况下，支护结构也是主要的承载单元。地下工程支护理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构上的荷载以及如何考虑围岩的承载能力。基于这一考虑，结合支护理论发展进程将支护结构设计理论发展大致分为3个阶段：即刚性结构支护设计理论阶段、弹性结构支护设计理论阶段、连续介质支护设计理论阶段[3-9]。2.2刚性结构设计理论简述早期的地下建筑物大多是以砖石材料砌筑的圬工结构，这类建筑材料自身抗拉能力很低，且结构物内部存在较多接触缝，容易产生断裂。为了满足结构稳定要求，往往采取单纯增大结构截面尺寸方法，结构受力后产生的弹性变形较小，因而最先的支护计算理论是把地下结构物视为刚性结构，所受的荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚性组成的三铰拱静定体系，其内力可按静力学原理计算[3-9]。2.3弹性结构设计理论简述随着混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地下工程，使地下结构具有较好的整体性。同时，工程实践证明，隧道是高次超静定结构。地下结构开始按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力，即利用“荷载——结构“模型计算设计。作用在结构上的荷载是主动地层压力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用，这类计算理论认为，作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力，而只是围岩塌落岩体的松散体压力[4-8]。2.4连续介质设计理论简述连续介质设计理论以岩石力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到新的平衡；另一方面，由于支护结构阻止围岩变形它必然要受到围岩给予的反作用力即围岩抗力。与此同时，锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥法的兴起，形成了现代支护理论。提出了将监测与理论分析结合的信息化设计概念[3-9]。2.5国内基于围岩支护形成的几种有影响的理论(1)轴变论理论“轴变论”理论是于学馥教授等人(1981)提出来的，该理论认为隧道坍落可以自行稳定。隧道坍落破坏是由于围岩应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变了隧道轴比，导致围岩进行应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并逐渐向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止．应力均匀分布的轴比是隧道最稳定的轴比，此时隧道形状为椭圆形[6-8]。(2)联合支护理论联合支护理论主要由陆家梁、冯豫、郑雨天、朱效嘉等结合软弱围岩实际，灵活运用新奥法理论提出来的，是在新奥法的的基础上对软弱围岩支护技术的发展．其观点可以概括为：对于软弱围岩支护，一味地追求加强刚度是难以凑效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护．由此发展起来的支护型式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带喷架等联合支护技术等。(3)锚喷弧板支护理论锚喷弧板支护理论是由孙钧、郑雨天和朱效嘉教授等提出的，实际是联合支护理论的新进展。该理论的要点是：对软弱围岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，坚决限制和顶住围岩向空中位移。其实施的难点主要是成本较高，弧板后充填技术要求严格，允许围岩变形有限，需要很高的阻抗力。(4)松动圈理论松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬固岩的裸体隧道，其围岩松动圈都接近于零，此时隧道围岩的弹塑性交形虽然存在，但并不需要支护．松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形．董方庭教授将围岩分为类，有一定的量化，是一个发展方向。(5)主次承载区支护理论主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出，认为隧道开挖后，在围岩中形成拉压域．压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撵能力，是维护隧道稳定的主承载区：张拉域形成于隧道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅助的作用，故称为次承载区．主、次承载区的协调作用决定隧道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定，支护强度原则上要求一次到位。(6)软弱围岩工程力学支护理论软弱围岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软弱围岩变形力学机制，提出的以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的隧道软弱围岩支护理论．它涵盖了从软弱围岩的定义、软弱围岩的基本属性、软弱国岩的连续性概化，到软弱围岩变形力学机制的确定、软弱围岩支护荷载的确定和软弱围岩非线性大变形力学设计方法等内容。(7)总结这些理论与技术解决了大量包括软弱围岩在内的支护问题，为我国地下工程的建设做出了贡献。但是，由于围岩工程地质力学问题十分复杂，关于围岩的概念、分类、各类围岩的变形力学机制、围岩难支护的原因、围岩支护的力学原理、支护原则与支护对策等一系列的软弱围岩工程地质力学理论方面的问题尚无系统解决，导致在实践上盲目性大、针对性差、成功率低、浪费严重。目前面临的主要问题：在围岩支护方面尽管已有了很大的发展，但在理论认识和支护方法上仍然还存在许多问题，主要表现为：首先，难于弄清围岩变形破坏机理，支护是一个过程，要使这一过程与围岩变形过程相协调，必须充分而深入地研究围岩的变形机理，只有在此基础上，才能选择适当的支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数；其次，难于确定合理的支护对策，深埋隧道软弱围岩与一般隧