公路隧道围岩应力-应变重分布的研究

2017-04-08喻盛境

山东化工 2017年15期

关键词：应力场岩体围岩

喻盛境，莫倩

(广东核力工程勘察院，广东广州 510800)

公路隧道围岩应力-应变重分布的研究

喻盛境，莫倩

(广东核力工程勘察院，广东广州 510800)

随着我国公路建设的规模逐渐扩大，许多深埋公路和隧道工程需要在地下坑道等应力环境下进行施工，所以在开挖隧道过程中需要对围岩应力和应变重分布进行综合考察，在公路隧道工程中，如果围岩应力过大，可能会造成围岩坍塌和支护变形的现象，因此，人们加深了对公路隧道围岩应力和应变重分布情况的研究，以期能够采用合适的支护方式，提高隧道工程的施工质量。但是在公路隧道工程中，由于隧道围岩结构复杂多变，所以在测量围岩应力和应变重分布时存在较大的难度，只有加大研究力度，采用合适的测量计算方式，才能够准确了解公路隧道围岩应力以及应变重分布。

隧道；围岩；应力

近几年以来，我国的隧道工程施工环境越来越复杂，在隧道工程围岩支护施工中，逐渐出现了各种施工安全问题。因此，为了提高隧道工程施工的安全性，必须加强对隧道工程的勘察设计，完善施工条件，在开挖隧道时，需要结合围岩的特征进行施工，这样才能避免隧道涌水和坍塌等地质灾害问题。隧道工程需要开挖岩体，开挖岩体必然会导致地质体貌变形、受到破坏，这也是隧道工程中运用最复杂的施工技术。而且地下隧道工程的力学分布非常复杂，必须综合考虑结构、材料以及荷载等影响因素，无法应用传统的结构和荷载施工技术，必须做好围岩支护工作，才能确保公路隧道施工的稳定性和安全性。本文对公路隧道围岩应力以及应变重分布进行了深入研究。

1 隧道围岩应力应变分析

1.1 围岩的破坏形式和初始地应力场之间的关系

围岩的破坏形式主要有这样几种：脆性张裂破坏、剪切流动破坏以及塑性挤压流动破坏。这几种破坏形式是围岩工程中最常见的破坏形式，而影响围岩破坏形式的原因有很多，初始地应力场就对围岩的破坏形式产生了极大的影响。受到自重应力的影响，浅埋隧道相对于深埋隧道来说更加稳定，由于初始地应力值增大，所以会给深埋隧道围岩造成各种不同类型的破坏。在埋深较浅的情况下，不容易发生挤压流动破坏，只有埋深增大之后，才能发生挤压流动破坏。但是当隧道地层的构造应力增加之后，也会造成浅埋隧道破坏。通过研究当前的隧道工程经验发现，在隧道工程中经常出现脆性地层，这种脆性地层受到的应力增大，就会出现张性破裂的情况，在一些石质比较差的隧道工程中，很容易造成围岩塑性剪切流动，出现这种情况的主要原因在于石质较差的围岩缺少抗张拉能力，难以抵抗围岩周边出现的张力和拉力。应力重分布不均匀，应力过于集中，也会导致局部过量剪应力被周围的岩层吸收承载力。当隧道工程的围岩埋深和断面比较大时，也会造成隧道岩层中产生挤压流动破坏现象，受到这些异常现象的影响，很难把握初始地应力场与岩体的性质。

1.2 围岩截面的极限承载力

在计算围岩截面的极限承载力时，需要运用合适的计算方法，和围岩体相比，支护材料只能起到一定的支护作用，其提供的承载能力只能保持在一定范围内，所以经常不计算这部分承载能力。所以，隧道围岩的极限承载力主要受到岩体材料特点的影响，当围岩截面上承受的应力超过了极限承载力，就会对围岩截面造成破坏。在隧道工程施工中，通过架设支护，能够有效改变隧道围岩的应力场以及位移场分布情况，使隧道围岩的各个截面能够承受均匀的应力负担，并且在一些高强度抗力点上架设支护，能够提高岩体的承载能力，提高围岩施工的安全性和稳定性。

2 支护前公路隧道工程的围岩应力应变分析

在支护前对围岩应力和位移规律进行深入研究，了解隧道围岩的应力应变情况，这样才能为隧道开挖工程提供更加准确的判断。当前，在隧道工程施工中主要采用离散元法、边界元法以及有限单元法等方法来计算隧道围岩应力应变情况。

2.1 确定围岩的计算模型

隧道围岩的应力分布情况和岩体的天然应力状态存在紧密的关系，由于隧道工程一般处于山势坡度比较陡的地方，施工环境非常复杂，而且隧道岩体的剥蚀程度非常高。在隧道开挖之前，岩体主要受到三个方向的应力分布，变形现象在一定程度上受到影响，这也是岩体的初始应力状态，岩体的初始应力分布比较平衡、稳定。因此，受到自重作用的影响，计算围岩的初始应力方法为：

σv=rH

σv=u/(1-u) σv

在计算隧道围岩的初始应力时，需要综合考虑隧道围岩的几何尺寸和受力方式。同时，在隧道围岩开挖之后，隧道围岩的应力分布情况也会重新发生变化，从而对围岩应力状态产生了极大的影响。在隧道开挖之后的围岩应力状态和围岩尺寸以及岩体条件存在密切相关的联系，如果围岩具有较高的强度，那么只会造成较小的影响，如果岩体比较松软，就会对隧道围岩产生较大的破坏，导致隧道岩体内部出现坍塌现象。

2.2 隧道围岩的力学状态

在隧道工程围岩施工中，当围岩承受的压力过大，就会导致围岩失去平衡力，从而出现变形或破裂的现象。在隧道开挖之后，由于围岩力学状态出现很大的变化，而这也会对隧道围岩的支护结构产生较大的影响。所以，在隧道开挖施工过程中，必须了解围岩的力学状态变化，才能设计科学、合理的支护方式，进而确保围岩工程的稳定性。在隧道开挖工程中，围岩的力学状态发生变化虽然会影响支护作用，但是支护的强度也会造成隧道岩体变形破裂，从而对隧道围岩支护受力产生较大的影响，这也被称作为围岩和支护之间的相互作用。

3 隧道工程围岩应变重分布情况研究

在隧道围岩变形的影响因素中，应变重分布起到重要作用，这也是影响围岩变形的主要因素，只有准确测量应变重分布，才能更好地预测围岩变形现象。

3.1 围岩区域的应力场分布情况

在隧道工程施工中，隧道围岩的初始应力场主要受到岩体条件、应变重分布等条件的影响，只有充分了解隧道围岩工程的应力场分布环境，才能为隧道工程施工提供理论依据。通过运用震源机制解析法能够对隧道地壳构造应力场进行综合分析，掌握隧道工程区域的应力分布情况，以工程区域的应力场构造规律来进行围岩施工。在围岩测量中，通过运用水压致裂法，在隧道工程的进口处、中段以及出口处选择位置钻孔施工，在钻孔位置来测量隧道工程的地应力。

3.2 三维初始地应力场的反演分析法

在公路隧道工程中，可以选择一段面积为32 km2的长方形区域进行测量，利用FLAC测量法来构建模型，并且把模型底面标高设置为0m，在FLAC模型的右界面中，分别使用固定和应力边界的方式，来对模型的底面、前面、后面和左面的边界进行固定。具体而言，可以运用这样两种计算方式：首先，当隧道围岩的上覆岩体受到自重应力场的作用，需要对水平方向的最大主应力以及沿洞轴的方面应力分布情况进行计算。其次，通过总结钻孔测试的资料，对围岩的水平构造应力场进行计算，最终对沿洞轴的应力分布状态进行计算，在运用模型进行计算的过程中，一些物理参数可以结合实际工程经验来取值。

4 隧道围岩应力量测方式

4.1 隧道围岩应力量测设备的安装和布置

在公路隧道工程中量测应力分布情况，首先需要合理布置围岩应力量测设备，测量围岩压力的压力盒布置在围岩和衬砌的中间位置，然后在初次衬砌和二次衬砌的中间位置布置压力盒。然后在隧道围岩中布置测量点，这些测量点主要分布在隧道掌子面的重要位置，在隧道围岩的洞顶、拱腰、拱脚、边墙和仰拱等位置都需要设置测量点。一般在隧道掌子面中设置8个测量点，在测量隧道应力量的过程中，需要详细记录压力盒的型号，并且对不同的压力盒编上相应的数字号码。

4.2 衬砌过程中的测量

在隧道围岩的衬砌初期，也就是对围岩进行支护时，在隧道掌子面的各个测量点上承受的压力，会不断增加，因为在围岩支护过程中，把混凝土喷射到围岩中，混凝土还没有完全凝固下来，所以围岩衬砌的表面将和围岩处于相同的变形状态，当混凝土逐渐凝固支护，就会使围岩压力增长速度趋于平缓和稳定。在隧道围岩的洞顶和侧壁位置，需要承受较大的围岩压力，而且在这两个部位的应力比较集中，是整个隧道围岩掌子面中最不稳定的位置。