隧道围岩与初支之间的脱空影响分析

张龙

摘要：针对围岩与初期支护之间的脱空情况，分析了脱空产生的主要原因，并提出脱空的几种位置模型。通过ansys数值模拟分析了不同位置脱空区对于初期支护的影响，为施工管理及设计提供参考。

关键词：初期支护；脱空；施工管理；ansys

1引言

在目前条件下，国内外采用的结构设计方法主要有：经验类比法、结构力学法、底层-结构法、收敛限制法。但这些方法大都未考虑初期支护对围岩状况的改变，不能从理论上反应初支与围岩的相互作用及影响关系。现行的隧道设计规范中明确指出初支在整个隧道围岩压力下的承压比例，说明了初支在隧道结构中的重要作用。虽然现在针对初支与围岩相互作用方面的研究较多，如刘宁等[1]基于Mohr-coulomb准则分析了初支与围岩的耦合作用，梁旭黎等[2]应用弹塑性理论分析了深部地下隧道围岩与支护结构的相互作用。

本文即通过围岩与支护之间存在脱空区的问题研究，考虑脱空区不同位置，通過ansys分析脱空区不同位置下对于支护结构受力的影响。从而为隧道施工中隧道结构设计方法的与实测校正提供参考依据。

2围岩与支护的脱空模型

初支作为早期支护在隧道开挖后对封闭开挖断面抑制围岩的过大变形起到积极作用。通过它与围岩之间的相互作用使两者共同变形共同受力[3]，构成一个共同工作的承载体。在实际进行喷射混凝土的过程中，由于爆破效果、施工质量、回弹量以及重力作用等，促使围岩与支护之间产生局部的脱空现象。不仅如此钢拱架与围岩之间由于本身材料的属性使得两者的接触也出现部分的脱空。就脱空常出现的位置[4]，我们根据较为容易产生的位置着重提出拱顶、拱腰及边墙处的脱空模型。如下图1。

图1 围岩-支护脱空模型

3.围岩与初支脱空主要原因

在新奥法施工的隧道中，初期支护作为复合式衬砌的一部分在保证隧道开挖后的稳定方面具有重要的作用。目前公路隧道的初期支护大多采用钢拱架、锚杆及钢筋网，并通过喷射混凝土将几种材料与围岩形成统一整体共同受力变形。但在施工过程中受钻孔精度、爆破技术、施工组织管理、喷射混凝土回弹量及围岩地质影响，使得围岩与初期支护难以良好的粘结，出现局部或者较大范围的脱空现象。

3.1施工工艺

隧道围岩与初期支护间的脱空在很大一部分都来源于施工管理和施工工艺方面的疏忽，如：（1）隧道开挖过程中爆破效果较差，沿开挖轮廓线出现超挖的现象，在后续的支护施做过程中未对开挖面层进行清理和超挖区域挂设钢筋网，并未及时的补喷超挖面。（2）立拱架时由于支架不够稳固，而出现拱架的偏移是完成后的初支与围岩脱空。

3.2喷射混凝土的回弹与收缩变形

对于初支喷射混凝土时，尤其喷射拱顶及拱腰部位时，由于重力作用，喷射的混凝土无法与拱架、钢筋网及拱架等材料紧密粘结在一起而出现回弹。同时喷射混凝土凝结硬化的的过程混凝土易产生收缩变形，导致初期支护与围岩的脱空。

3.3工程地质影响

隧道开挖经过不良围岩段时，初期支护的背后较破碎或较软质岩体在裂隙水的侵蚀下极易发生破碎体的冲刷流失，以此产生的空洞，最终导致初支与岩体的脱空。

4实例分析

4.1模型建立

本论文数值模拟模型采用地层结构模型将支护和地层视为统一的整体，在满足变形协调条件的前提下对结构衬砌及地层的应力进行计算，以此分析结构的受力特性和构件截面设计。结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形。

隧道围岩按照均质弹塑性材料考虑，屈服准则采用Druck-Prager。采用二维实体单元plane42模拟围岩，初期支护采用二维梁单元beam3。计算模型施加边界条件时，除上表面没有约束外两侧及下表面均施加法向约束。依据隧道设计规范[5]取Ⅳ级围岩作为开挖岩体。具体物理参数参数及模型建立如下：弹性模量E=2.7GPa，饱和密度γ=2.2g/cm3，泊松比u=0.32，黏聚力=0.6MPa，内摩擦角=30°；初支材料参数为：E=27.5GPa，饱和密度γ=2.5g/cm3，泊松比u=0.2。

为了建模的方便和简化，假设开挖应力一次释放，不考虑开挖时的应力释放比例的问题，建立二维的隧道开挖模型，通过ansys有限元软件模拟实际隧道的开挖，并具体分析围岩与初支之间存在脱空下初支的受力及变形特点。为了计算模型的准确我们取洞径3-5倍的范围，即60m×60m作为计算模型的边界范围。

4.2结果分析

为探究脱空区存在的不同部位对于支护结构受力的影响分析，分别提取脱空区位于拱顶、拱腰及边墙时的轴力和弯矩图，可知当脱空区的存在对于脱空区范围内的初期支护结构有较大的的影响，其中脱空区范围内的支护结构所受的轴力都有所增加，而脱空区范围内的弯矩值也发生局部的变化，使结构的受力变得不均匀。对于脱空区以外部位影响稍小，距离脱空区越近则影响越大。

5.结论

脱空区的产生主要存在于施工期间，它存在对于支护结构的受力平衡影响较大，使得脱空区初期支护产生局部较大应力，从初支所承担的荷载比例上来说，是非常不利的，初支与围岩不能形成统一的整体就弱化了初期支护的作用，尤其是在围岩较差的情况下极易导致初支的破坏。因此在施工过程中要严格的控制施工管理，避免脱空区的产生。

参考文献

[1]刘宁，朱维申，于广明. 基于Mohr-Coulomb准则的初期支护与围岩

耦合作用分析[J]. 隧道建设，2007.

[2]梁旭黎，李冬霞，李源. 隧道围岩与支护结构相互作用的弹塑性分析[J]. 山西建筑，2008，（6）.

[3]侯公羽，李晶晶. 弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析[J]. 岩土力学，2012，（4）.

[4]崔文艳，宋建，刘宇，于志华. 不同位置空洞对隧道衬砌的力学行为分析[J]. 水利与建筑工程学报，2011，（5）.

[5]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S]