探究弹塑性力学在隧道施工中的应用

(成都理工大学 四川 成都 610059)

目前在钻爆法施工的隧道中通常采用的超前支护方法有超前锚杆、超前小导管、超前管棚等，在某些特殊地质情况下，也可考虑水平高压旋喷桩、超前管棚、冻结等方法控制隧道围岩变形和开挖面的稳定，提高施工安全性及高效性。尽管中国在钻爆开挖技术上取得了一定的成就，但在具体操作实施上由于员工素质等原因，根本达不到相应要求；通过运用现代计算机技术着力开发隧道爆破设计计算机程序软件，提高隧道爆破专业化队伍的管理水平，才能促使中国的隧道工程钻爆施工技术进一步的提高。

一、弹塑性力学理论

弹塑性力学是固体力学的1个重要分支，是研究弹性和弹塑性物体变形规律的1门科学。1678年Hooke提出了弹性体的变形和所受外力成正比的定律；19世纪20年代法国的Navier，Cauchy和De Saint Venant等建立了弹性理论;1864年Tres-ca提出了最大剪应力屈服条件;Mises提出形变屈服条件,Prandtl和Reuss提出了塑性力学中的增量理论;Fenner和Kastner分别推导了弹塑性理论公式。

二、弹塑性力学在材料上的应用

(一)三轴围压下砂浆弹塑性损伤变形的研究

砂浆材料作为一种类岩石材料，其三轴围压作用下的力学行为作为表征其材料性质的一个重要方面。大量的实验结果表明，应力状态对脆性材料的力学性能有着重要影响。一般情况下，对于许多脆性材料，在单轴加载或低围压下，表现出明显的脆性特性；而随着围压的增大，试件的强度和韧性都有着显著地提高。砂浆的弹塑性损伤变形的研究是基于对泛函数和Cauchy-born准则，抽象出弹簧束构元和体积构元组集两种构元的力学响应，给出了材料的弹性损伤的本构关系；考虑滑移作为主要的弹塑性变形机制，提出了滑移构元，给出了材料的塑性本构关系，利用变形分解机制，得到了三种构元共同描述的弹塑性损伤的本构关系。阐述了给定应变条件下弹塑性损伤本构关系的迭代流程。从材料细观变形角度解释了随着围压增加，材料的承载能力增加的现象，初步验证了弹塑性理论处理非比例加载的问题。

(二)钢筋混凝土壳体结构弹性理论分析

壳体结构是由曲面形板与边缘构件组成的空间结构。壳体结构有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需要中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。壳体结构可做成各种形状，以适应工程造型的需要，因而广泛的应用于工程结构中。

三、常用的隧道支护技术

在钻爆法施工中，针对不同的围岩级别，采用相应的支护形式，由初期支护与二次衬砌组合成的复合式衬砌最为常用，是隧道结构的主要承载单元。其中初期支护通常采用由喷射混凝土、钢筋网、钢架及锚杆组成的组合结构，而二次衬砌常常采用模筑混凝土作为安全储备来进行设置。传统坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑(传统矿山法)和锚杆喷射混凝土支护(新奥法)2类。

传统施工方法中，初期支护采用钢木构件支撑，构件支撑在模筑整体式衬砌时通常应予以拆除，即不作为永久承载构件，被称为临时支撑。目前在隧道工程施工中，初期支护一般由锚杆、喷射混凝土、钢拱架、钢筋网等及它们的组合组成，使用最多的组合形式是锚杆(主要指系统锚杆)加喷射混凝土(素喷或网喷)。因此，初期支护可以称为锚喷支护。

四、隧道支护技术不断发展

近年来，国内外研究人员对新型复合材料钢纤维喷射混凝土的喷射技术、增强机制、力学试验、早期强度、应用与设计等方面进行了相关研究，并在恶劣环境下提高喷射混凝土耐久性研究上取得了较多研究成果[2]。钢架对限制围岩变形能够起到重要作用，尤其是在软弱围岩隧道中。目前中国隧道钢架主要采用格栅钢架与型钢钢架，中国学者曾对格栅钢架和型钢钢架的受力特性和变形特征、结构特点及适用性也做了相应研究并给出了使用原则[3]。锚杆被认为具有悬吊作用、支撑作用、组合梁作用和加固作用，在隧道初期支护中起到重要作用。许多学者通过数值模拟或现场量测的方法，对锚杆的作用效果进行了大量研究。在现场试验与应用中，总结了诸如“型钢拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆(管)+纵向连接筋”组成的新型支护结构以及多用应用原则[4-5]。除此之外，近年来隧道衬砌结构的加固补强已引起国内外同行的普遍重视[6]。内表面补强、粘贴FRP布法因其相对良好的表现和易于施工的优点，成为了隧道衬砌内表面补强方法中最为推崇的一种方法。

初期支护施作后即成为永久性承载结构的一部分，它与围岩共同构成了永久的隧道结构承载体系。当前常用的永久衬砌形式有：整体衬砌、复合式衬砌、拼装衬砌、锚喷衬砌4种[7]。喷射混凝土技术的发展在隧道工程支护技术发展中占有很重要的地位，目前锚喷支护技术的发展趋势主要集中在全面推行湿喷技术、钢纤维喷射混凝土和聚丙稀纤维喷射混凝土推广并应用、隧道喷射混凝土单层衬砌将成为隧道永久性衬砌3个方面。

五、结论

弹塑性力学是固体力学的一个分支学科，是研究可变形固体受到外载荷、温度变化及边界约束变动等作用时，弹塑性变形和应力状态的科学。利用弹塑性力学对隧道施工材料、隧道结构等进行力学分析，不仅增强了隧道建设的安全，还对不断出现的隧道修建技术提供了有利的理论支撑。隧道修建技术的进步为长大隧道工程的发展和开发利用地下空间奠定了基础。