公路隧道超前支护的工程意义

公路隧道超前支护的工程意义
摘要隧道施工难点之一是控制圈岩与初期支护的变形，而解决这一问题应从新奥法原理出发，充分利用圈岩自承能力，加固围岩，提高圃岩承载能力。

本文利用弹塑性力学中的有关知识，论述超前支护的工程意义，以便对超前支护的设计提供理论参考。

关键词超前支护塑性区变形量围岩洞周
1 引言
岩土工程概念从工程特征来概括大致经历了“结构工程、岩体工程、地质工程”三个不同的发展阶段．岩土工程概念的发展，主要是围绕如何认识岩土(体)、环境因素、工程措施及它们三者相互作用而展开的。

岩体工程概念与结构工程概念相比，它充分考虑岩体的自承能力，摆脱了“荷载一结构”模式。

地质工程概念与岩体工程概念相比，它不仅考虑充分发挥岩体的自稳能力，而且强调岩体、环境因素，工程措施三者的相互作用，注重维护和改善环境稳定性，以期使工程地质体的工程能力得到充分发挥，从而获得地质工程系统的最佳效益。

在以“新奥法”为典型代表的现代隧道工程技术原理中，建立了系统围岩的概念，在现代隧道施工时，所要研究的对象依然是“围岩体”及其系统(如工程位置、地面环境及性质、岩性及地下水情况等诸多因素)。

为了发挥工程地质体的工程能力，必须发展舵主动控制岩体变形与位移、调整岩体的应力状态、提高岩体强度、改善与维护环境稳定性的工程技术．注浆技术、超前管棚支护技术等是有效的主动控制岩体的工程技术。

2 隧道力学模型的建立及求解
为了讨论在新奥法施工中支护与围岩共同作用原理的力学概念，假定：
a.岩体为均质的各向同性的连续弹塑性体，岩体在塑性变形、剪切破坏的极限平衡中仍表现有剩余强度。

b．隧道初始应力插为自重应力场，侧压力系教为1。

c. 隧道形状、衬砌及塑性区均为圆形。

d．隧道在一定的埋深条件下，将它看作无限体中的孔洞问题。

根据以上假设，可得力学简图1。

其中，图(b)为塑性区的脱离体图，图中σf，表示弹性区地层对塑性区地层的作用力，P l表示衬砌对塑性区地层的作用力。

图(c)为按极坐标体系在地层塑性区中取出的单元体．将塑性区的径向应力记为σrp，切向应力记为σop．在隧道施工过程中，为了考察围岩的稳定性，关键是看塑性区内的应力和变形，因此，我们分析的重点还是集中在塑性区内。

图1 隧道围岩的力学模型
2.1 塑性区应力分析
根据单元体静力平衡条件和极坐标表示的库伦一莫尔准则有；
由此可见，塑性区内的应力只与代表地层特性的常数粘结力c、摩擦角Ø及衬砌对地层塑性区的作用力P i有关，而与地层荷载P o无关．σrp一r，σop一r的关系曲线见图2。

由图2可见，在毛洞情况下，P i=0, 在洞周r等于Ro时，σrp较小，而σop＝0，表明洞周围岩受力较小，可能处于松散状态。

对于节理发育，破碎的软弱围岩，洞周岩块间的相互作用力主要是粘结力c。

此处判断隧道围岩稳定性的主要指标是岩块间的粘结力c。

如果粘结力不强，岩石就有可能掉块，甚至坍塌．因此，为保证施工安全，对粘结力不大的软弱圈岩进行超前支护是必要的。

随着塑性区的扩展，r/R。

逐渐增大，σrp与σop的值呈加速增长，两者的差值也越来越大，围岩受力的不均匀性也是渐渐明显，围岩可能会由于切向应力过大而破坏。

因此，为了保证围岩的稳定性，控制塑性区内的应力发展，采取措施减小塑性区半径将是十分关键的．下面来讨论影响塑性区半径的主要因素，以便采取合理有效的工程措施，维护围岩的稳定。

2.2 塑性区半径R p的分析
根据弹塑性理论和边界条件，可得塑性区半径R p的理论计算表达式为：
由式可见，塑性区半径R p不仅与围岩特性常数c、Ø及外荷载P。

有关，而且与衬砌对塑性区的作用力P i也有关。

在具体工程中，外荷载P o通常是个定值，因此只要讨论R p与围岩特性常数c、Ø及衬砌对塑性区的作用力P i的相互关系就可以了。

R p与各变量参数的函数关系见图3。

从图中可以看出，随着c，Ø和P i的增大, 塑性区的半径R p都会相应减小，这与工程实际是相吻合的。

同时我们也能看到，R p曲线的变
化随摩擦角Ø 值的改变最明显，在到0.5弧度(28.6°)之间变化最急剧，当十值超过0.5弧度后，Rp基本上趋于平稳。

而粘结力c对R p的影响较之Pi也要大得多。

当c≥o.6MPa之后，Rp--c曲线也逐渐趋于缓和，粘结力c的增大对塑性区半径的影响很小．但是R p—P i曲线基本上呈直线，随着P i的增大, R p逐渐减小，但其速率并不大。

由此可见，岩体物理力学参数c，是影响R p的决定性因素，通过增大衬砌尺寸来约束塑性区的发展效果是不太明显的，这与新奥法的“柔性支护”思想也是一致的。

图3 R p与其影因素间的关系曲线图
从以上分析可以看出，对于物理力学参数c、Ø值较低的软弱围岩(c<0.6MPa，Ø <30°)，施工中对岩体进行超前注浆和超前导管支护，加强岩体自身的强度，在控制塑性区半径的发展，减小塑性区内部的应力方面将可以得到很好的效果．打设超前管棚，通过管棚的粱作用，给围岩施加径向应力P i也是很有必要。

而以增加衬砌厚度为辅助手段，确保工程安全。

施工过程中的“及时支护”思想，在软弱围岩的条件下，应理解为越早越好。

越早给围岩施加约束或加固围岩，围岩塑性区的最终半径和围岩内部的二次应力也会越小，而围岩自身的强度也会越高，围岩的稳定性也可以得到保障．国内外由现场量测所得的喷混凝土衬砌与圈岩接触面上的接触应力约为150—300KPa。

参照此数值，并结合现场岩体的物理力学参数，即可确定R p值。

一旦R p的值确定了，则注浆范围和导管的长度及倾角也就可以确定。

2.3 洞周位移分析
现在施工过程中，预留变形量基本上是根据经验。

按照工程类比法确定，以“宁超勿欠”为原则，遇到软弱地层时，预留变形量将大幅度增加，工程费用也就相应增加．根据数学和力学的相关知识，我们也可以给隧道洞周的位移作一大体的估算，在确定预留变形量时作参考。

根据拉梅公式和弹塑性相关知识，我们可以推导洞周的位移公式为：
由式可见，洞周位移u o与塑性区半径R p基本上成平方关系，R p的影响因素将直接影响u o。

因此，岩体的物理力学参数c、Ø 仍然是影响洞周位移u o的关键因素，通过预支护手段提高岩石的c、Ø值，也能大大减小围岩的周边位移，减小顶留变形量，节约工程投资费用。

3 算例
设一圆形隧道半径7m，原始地应力P o为3MPa，喷射混凝土与围岩间接触应力P i为0.2MPa，Ø=30°，E＝5.68MPa，μ=0.29．采用预加固措施后，围岩物理力学参数除μ＝0.24外，其余均增加20％．试比较加固前施工过程中塑性区半径R p及洞周位移u o变化。

根据R p和u o的计算公式，可分别算得：
加固前；R p=12.25m，u o=8.15mm；
加固后：R p＝9.77m，u o＝4.857mm．
由此可见，预加固措施对控制围岩塑性区发展和约束洞周位移效果是很明显的。

4 结语
a. 预加固措施不仅可以提高围岩的物理力学性能，减小塑性区半径，减小洞周位移，在注浆效果较好的情况下可以形成“曲梁”效应．在软弱地质带，此方法应作为首选和主要的施工措施。

b．喷射混凝土的受力一般不大，粱拱效应不强，它主要起封闭围岩的作用，所以施作时要柔而及时。

不能为了保证施工安全而一味地增加衬砌厚度，不能按照“结构一荷载”法的思维去考虑。

c．超前导管的打设应根据塑性区半径、导管长度来选取合适的倾角：超前导管的粱作用也可以给隧道围岩施加一个径向约束力。