水工隧洞支护特性研究

李海华

2014年3月刊《华东科技》单号：1400037 业务员：李龙静 马家财

摘要：本文主要对隧洞初期支护材料的选择对于水工隧洞稳定性的影响以及在开挖的过程当中、应力的传递对支护时机的影响进行了分析研究。

关键字：支护材料;水工隧洞;稳定性;支护时机

现在，在很多比较大型的水利工程建设项目当中，各个水工隧洞的建设也是越来越多，这些水工隧洞在建设的过程当中，施工的范围比较的广，规模比较的大，建设的周期比较长，而且建设的过程比较的复杂。所以在施工的过程当中对于支护结构的形式以及施加支护的时间的选择是一个非常关键的问题。但是现在关于这方面的研究还是比较少的，所以对这方面的问题进行一定的研究还是非常有意义。

一、对于支护材料特性的选择

在隧洞进行了开挖之后应力要进行重分布，在施加了初期支护之后，就会使得一部分的应力施加到了初期支护上面，这个支护结构能够分担多少的应力主要取决于支护材料弹性模量的大小，而且它还会对开挖隧洞最终的稳定性起到一个非常关键的作用，所以在选择支护材料的时候，弹性模量是非常关键的一个环节。

（一）隧洞结构的竖向位移，是随着初砌材料的性质变化的。从下面的图可以看出，隧洞结构的顶部竖向位移在施加了一个支护之后就会出现一个上弹量，竖向的位移值会随着隧洞初期材料的弹性模量E的不断增加而减小，当隧洞初期材料的弹性模量E的变化值是在110-515GPa这个范围内的时候，隧洞顶部结构中心处的竖向相对位移值的变化范围则是在6mm之内，当隧洞底部结构的竖向位移在因为施加了一个支护之后有一定的下降，那么竖向位移的位移值则会随着隧洞初期材料的弹性模量E的不断增加而增大，当隧洞初期材料的弹性模量E的变化值是在110-515GPa这个范围内的时候，隧洞底部结构中心处的竖向相对位移值的变化范围则是在3mm之内。当隧洞初期材料的弹性模量E在增加的时候，隧洞顶部结构的竖向位移会出现一种上弹的趋势，而隧洞底部结构的竖向位移则是一种下沉的趋势，而且随着隧洞初期材料的弹性模量E的不断增加会使这两种变化的趋势变得不是很明显。

（二）隧洞结构的应力是随着初期材料的性质变化的。隧洞底部的最大主应力和竖向应力在隧洞进行开挖之后的一个降低量是要比隧洞的顶部大一些，而隧洞底部的竖向应力在施加了初期支护以后是要比隧洞的顶部小一些，最大主应力则是要比隧洞的顶部大一些;当隧洞的初期支护材料弹性模量E在增加的时候，隧洞底部和顶部的最大主应力和竖向应力都会不断的减小，当隧洞的初期支护材料弹性模量E的变化范围是在110～515GPa内的时候，竖向应力值的变化范围则是在-200～130kPa内，最大主应力的变化范围则是在-110～90kPa内，。当隧洞的初期支护材料弹性模量E在不断增加的时候，隧洞底部和顶部的最大主应力和竖向应力减小的趋势也会变得不是很明显。当隧洞在施加了初期之后，就会对隧洞结构当中的一部分应力分担，这样就会使得在隧洞围岩上的应力作用相对的减少一些，从而使得隧洞的受力结构得到一定的改善，最终来增强隧洞结构的稳定性。

二、选择施加支护的时机研究

（一）在隧洞开挖的过程当中，对于施加支护时机的主要影响。隧洞在开挖了之后，应该要尽快的施加一次支护，这样支护就可以和围岩形成协同作用，并最终形成一个统一的承载体。然后在进行二次支护的时候，主要需要考虑的问题就是首先不能够让围岩变形比较大，从而使得围岩进入到比较松弛的状态，其次就是要保证二次支护上面的力是在一个合理的范围之内，这样才能够很好的满足支护强度的要求。当隧洞开挖到目标断面前的时候，隧洞顶部的竖向位移有一定的回弹，这个竖向的位移是在开挖到目标断面前一个断面的时候开始增大，当开挖到目标断面后一个断面的时候，竖向的位移就不增大了，然后开始有一定的回弹。当隧洞开挖到目标断面前的时候，隧洞顶部的最大主应力有一个比较明显的释放过程，在隧洞开挖过程当中，最大主应力开始不断的增大，当开挖到目标断面后一定的距离时，最大主应力才开始减小。通过下面的图可以清楚的看出，隧洞顶部的位移在变化的过程当中，实际上就是应力增长和释放的过程，如果在不同的时刻在施加初期支护的话，那么在初砌支护上作用力的大小也是不一样的。在隧洞当中，初期支护的主要作用就是承受应力并且使得围岩不会发生位移，所以在施加初砌支護的时候，时间是非常关键的。当隧洞顶部围岩的应力在逐渐增大的时候，在隧洞施加了初期支护以后，初期支护就会分担隧洞结构当中的一部分应力，在通过相关的计算之后就可以发现，在隧洞初期支护上的最大主应力就从开始的压应力变成了拉应力，所以在隧洞施加初期支护的时候，布置相应的受拉钢筋是非常重要的。

（二）主应力的传递对于施加支护时机的主要影响。在实际的施工当中，主应力的传递经常是人们容易忽视的问题，但是在经过了很多的实验之后发现，纯主应力在传递的时候，会使得土体出现比较明显的塑性变形。岩石在被破坏的时候，主要是因为应力大小的变化以及应力方向的变化，因为应力的大小变化会使得岩石的裂隙深度有一定的变化，而应力的方向变化则会使得岩石的裂隙密度有一定的变化。在隧洞的开挖过程当中，当主应力的矢量方向基本上和隧洞开挖的轮廓方向平行的时候，围岩的裂隙基本上就可以达到稳定，从而不再继续的扩展。

结束语：

通过上述的一些分析和研究可以发现，要想改变隧洞结构的受力效果，可以采用提高初期支护材料的弹性模量的方法，但是当初砌支护材料的弹性模量增加到一定程度的时候，改变的效果就不是很明显，所以在施工的过程当中也要根据实际的情况再增加初期支护材料的弹性模量。而在选择施加支护时间的时候，应该要根据具体的围岩自承能力来进行合理的安排。同时还应该要考虑到应力传递对于围岩的影响，应该要在围岩的裂隙发生大规模的扩展前，就应该要施加初期支护。

参考文献：

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作者简介：李华海，男，（1980.05-）， 一直从事水工建筑设计工作。