复杂条件下隧道支护体时效可靠性分析

■陈 龙 ■大成工程建设有限公司，福建 厦门 361000

这些年来，国内的重大隧道工程中经常会涉及到在多种环境下地下空间进行施工，众所周知在地下空间施工的难度非常大，再加上岩体变形的时效性，进一步加强了施工的难度。所以这要求在隧道的施工中，必须要依靠隧道支护体。但是如何增加隧道支护体的时效性又是一个相当大的问题，实验表明，一般在初期的时候隧道的支护体其实是很有稳定性的，但是随着时间的推移以及掌子面的推进，在后期阶段隧道的支护体的稳定性会减少很多，甚至严重的还会出现坍塌的情况，所以在建设隧道支护体的时候，它的“时效性”尤其重要。

1 复杂条件概述

经过大量的工程实践表明，隧道的变形主要由于隧道围岩变形引起的，而且主要是两个方面，一是弹性，二是塑性，同时也有着流变的性质;在具体的隧道围岩中，这并不是很快就能完成的工程量，而是在实施支护以后，他们两者之间会随着时间的变化进一步的发展以及稳定，这种现象主要是在软弱岩体以及深邃洞中表现的明显。此类围岩的破坏并不是由于它的强度引起的，这是因为岩体自身的变化而引起的变形，最后使得岩体失去稳定性，对于此类情况，首先要考虑的是岩体的变化率即是岩体的蠕变效应。

2 隧道围岩以及支护体粘弹性分析

2.1 隧道围岩的及支护体粘弹特性

隧道在第一次以及第二次衬砌的时候主要的承载体是混凝土的喷射。在进行混凝土的蠕变特性研究的时候，需要考虑其蠕变效应的影响，同时也要考虑混凝土的材料期限。

2.2 隧道围岩粘弹性分析

在这部分分析的时候，需要简化运算，假设它的截面是圆形，矩形或者直墙拱顶的洞室，可以相似变换，代圆处理。因为隧道的洞室周边的便捷会因为边界力的作用可以简化为应变问题，所以隧道围岩的弹性问题可以分解成带圆孔的无线平面外力作用下的粘弹性问题来求解。

在隧道开始挖掘工程以后，隧道围岩会随着时间的变化而变化，大致是一种正向增长的态势。但是隧道围岩位移如果达到了位移极限值，并且没有产生塑性破坏，这时候就可以人为围岩是稳定的，反正则相反。

2.3 隧道支护体粘弹性分析

随着挖掘的不断深入，隧道的围岩也是随着时间增长而不断的持续发展的，如果围岩变形发展到一定的程度，就必须要释放部分应力，将其作为第一次支护，这时候围岩会受到支护体系的约束。在这种约束作用之下，两者会产生一种相互作用力f(ti)，在支护体的可靠性研究中，f(ti)显得很重要，在f(ti)比较大时，支护体会超出约定的位移，以及作用力大于它的强度，都会使得支护体发生损坏;当f(ti)比较小的时候，支护体就会在其额定的位移范围内，这时候支护体是非常可靠的。

如果将f(ti)的受力方向设置为正方向，f(ti)作用的方向就会与p的方向相反。因为隧道围岩径向位移与p 作用的时间间隔有关系，但是时间坐标其实是与原点毫无关系的，所以平移时间坐标的原点不会影响到计算结果。

3 隧道支护体时效可靠性分析

3.1 时效可靠性理论计算

隧道支护体的可靠性主要是针对在开挖过程中支护体产生的位移，一般在现代的研究分析中重点就是对位移产生的因素、情况等进行分析。

大量研究表明，对于隧道的支护体来说，前期的稳定性是非常可靠的，但是由于时间的推移，顶板的岩体施加的作用力越来越大，所以会导致位移增加，在一定的情况下，支护体就会超出阀值，此时支护体的状态变为不可靠的状态。

根据相关文献的定义以及相关的实际经验，将隧道的可靠性定义为支护体位移过程中所产生的轨迹与位移阀值的交点位移收敛值间的弧长和围岩支护体作用点的位移收敛点的弧长比率。计算式如下图:

假设隧道支护体位移的路线时上图中的弧长OB 段，那由上图可以知道，在隧洞支护以后，在t2 时间段以后，支护体产生的位移收敛到U2，根据工程的要求，必须要确定其的阀值，根据相关的研究我们通常可以计算支护体时效的破坏概率。

经过一系列的推导，我们不难发现:(1)隧道的支护体的特征参数一定的时候，可以根据工程的要求设定一个阀值为U1，这时候可以方便求出支护体的可靠度。(2)对于具体的某一工程来说，如果逾期的工程的可靠性指标为β0，那么可以确定弧长AB 与弧长OB 的比值，那么途中的A 的位置就确定了，也就是支护体的可靠度能够达到工程逾期的既定值。

3.2 隧道支护体的时效可靠具体研究

(1)荷载的结构时效可靠性研究。荷载可以计算出结构应力从而得到结构的可靠度，也就是我们所说的结构模型。通过计算可以得出荷载是否接近实际，是否能够能够承担围岩的松弛变力。在荷载中，围岩约束着支护结构的变形，这是它的重点所在。荷载主要是应用到隧道的结构中，应用荷载可以进行抗压以及抗裂两种极限进行分析。首先要计算出衬砌内力，这是由于围岩松弛压力与各种荷载组合产生的约束力;其次就是可以考虑到围岩松弛压力和其他荷载组合产生的约束力;然后将这些力与围岩的极限承载力做比较，这时候就可以求出衬砌可靠度。

(2)隧道支护体的极限位移。隧道支护体位移是在隧道工程施工的每个阶段，支护体能够支持的最大的位移。主要是为了在这种小幅度的位移情况下，能够使得周边的结构不发生坍塌的现象。隧道支护体具有一定的特征曲线，主要是由于支护体的材质，几何形状以及尺寸还有围岩的约束条件决定的。在实际过程中，隧道围岩曲线和支护体特征曲线有着很大的关系。根据大量研究表明，基本上是成正相关的关系。

相关数据表明，在支护阶段的初期，如果产生极限位移，主要是隧道开挖时产生的洞壁位移。从隧道围岩位移可以判断隧道围岩的稳定性，主要的难点是没办法确定隧道支护体和隧道位移的精确值。

3.3 时效可靠的计算流程

我们根据时效可靠的定义，可以将其设置为如下计算流程。

3.3.1 修正支护参数

(1)支护体蠕变;(2)围岩与支护体间接触压力;(3)支护体时效位移方程;(4)支护体时效可靠度;(5)结论。

4 结论

(1)经过相关计算结合工程的实际情况，本文的研究对于隧道支护体的时效性具有一定的价值意义。

(2)隧道工程的实施中，支护体是一个非常重要的影响因素，要求在设计的时候一定要综合考虑各项因素，避免出现安全事故。

(3)随着科学技术的不断发展，隧道支护体应该向厚度以及强度方面发展，增加支护体的时效性，将其的位移程度控制在有效的范围内。

(4)本文设置的参数比较简单，在实际的研究中，所采用的数据应该设置更加紧凑的数据，便于得到更真实的结果。

［1］贾剑青.复杂条件下隧道支护体时效可靠性及风险管理研究［D］.重庆大学，2006.

［2］贾剑青，王宏图，李晓红，牛惠民，胡国忠.复杂条件下隧道支护体时效可靠性探讨［J］.岩土工程学报，2008，03∶390-393.