搜索
关于隧道与地铁工程支护的技术方法与研究现状的读书报告一、支护技术的基本理论1.1支护理论的演变过去从支护角度考虑认为：隧道失稳是由于支护本身的强度不够，因此确定支护力的大小是问题的关键。早期的太沙基理论假设围岩为有一定凝聚力的松散介质，隧道开挖后，介质在围岩垂直应力作用下下沉，同时在侧压力作用下产生摩阻力，限制了介质的下沉，隧道支护力为介质上垂直的压力减去摩阻力；而普氏理论则认为：隧道开挖后，在隧道上方形成平衡拱，平衡拱内隧道上方围岩在重力的作用下下沉，隧道的支护力为塌落拱的重量。新奥法的出现改变了人们的支护观念，新奥法与支护有关的基本原则是：充分利用围岩自身强度来支撑自己，及时用薄层喷射混凝土封闭围岩，进行柔性支护，用现场监测的信息指导施工；[1]1.2支护结构应满足的要求（1）与周围围岩大面积牢固接触，即保证支护与围岩体系作为一个统一的整体进行工作。（2）重视早期支护的作用，它是永久支护的第一步。（3）要允许坑道与支护体系产生有限制的变形，以充分发挥两者的共同作用。（4）必须保证支护结构架设及时。（5）作为支护结构要根据坑道围岩的动态（位移、应力等），及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。[2]1.3支护衬砌的类型隧道支护衬砌的类型主要可以划分为整体式衬砌、复合式衬砌和锚喷衬砌三种。整体式衬砌是一种成熟而被广泛采用的衬砌方式，适合在隧道洞口段，浅埋段及围岩条件很差的软弱围岩中实施。复合式衬砌由初期支护和二次衬砌组成，且初期支护和二次衬砌之间有防水层。复合式衬砌能充分发挥围岩的自承能力，我国的高等级公路普遍采用这种支护手段。锚喷衬砌作为隧道初期支护的主要手段，也构成了永久衬砌的重要组成部分。它变被动支护为主动支护，在工程上应用广泛，并且“内实外美”锚喷衬砌主要有四种组合类型:（1）喷混凝土支护；（2）喷混凝土加锚杆支护；（3）喷混凝土加锚杆加钢筋网支护；（4）喷混凝土加锚杆加钢筋网加钢架支护。喷锚衬砌是一种加固围岩、充分利用围岩自承能力的一种支护衬砌形式，并且快速及时，可以节约劳动力及成本。[2]1.4支护方法概述1.4.1超前支护对于超前支护，常用的有管棚支护、超前小管棚及小导管注浆、超前锚杆预支护等方法。管棚可以有效地起到将隧道掘进临空面传下来的荷载和土体自身荷载，向掘进掌子面前后转移，起到抑制地面和土体竖向位移以及防止掘进过程中土体坍塌的作用，能较好地在不稳定地层中进行超前支护。虽然管棚效果和可靠性都很高，而且施工实例也多，但由于大管棚有一定仰角，随着向前施工，管棚与拱顶间悬土将越来越厚，常采用小管棚辅助支撑；当管棚打入后会出现末端下沉量过大问题，经常要在初期支护拱顶背后注浆，保证大管棚和初期支护之间不形成空洞；因此，这种支护方法费工、费时、费料。，一般只在洞口部作加强用，洞内部分则采用超前小管棚及小导管注浆等方法。1.4.2初期支护初期支护通常采用钢支撑、锚杆和喷射混凝土、钢筋网的组合支护工艺，有时也用到钢纤维喷射混凝土。喷射混凝土是隧道施工中最基本的支护形式和方法之一，因其在隧道岩壁上立即喷射一层混凝土，实现对开挖后的围岩快速封闭，与围岩表层岩石共同作用，且能渗入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面，从而提高围岩整体性和自承、自稳能力，在隧道施工中被广泛使用。但是，喷射混凝土工艺具有其自身的局限性，它工艺繁琐，工程质量不稳定和施工进度慢效率较低，特别是采用干式喷混凝土时，这些缺点更为突出。产生这些缺陷的主要原因在于:（1）喷射混凝土作业环境恶劣，人工喷混凝土无法按喷混凝土的工艺原则进行；（2）由于回弹物中大部分是骨料，故回弹多也降低了混凝土的强度；（3）大断面隧道施工中，人工喷混凝土需要辅助措施，不仅影响施工质量，也影响了施工进度。对于湿喷法，还存在以下问题：（1）混凝土堵管后处理费时较多。（2）有水地段湿喷混凝土效果差。钢拱架在工程中的作用主要是在短时间内给予围岩强有力的支护，约束围岩的位移，控制围岩塑性区的发展。但是，钢支撑的耐久性、刚性和整体性，以及与围岩接触性能均较混凝土差。从设计上看，国外较多地应用钢拱架支撑，而国内则钢拱架支撑和钢筋格栅拱架都有。从施工上来看，施工中钢拱架与围岩的接触点应尽可能多一些，并且施作时间越短越好。锚杆方面，WTD锚杆工艺先进，较好地解决了砂浆锚杆浆液不饱满和注浆无压力的问题，提高了锚杆的锚固力，水泥砂浆将锚杆包裹住，锚杆没有裸露部分，同时也解决了锚杆体的腐蚀问题，达到永久支护的目的；这种锚杆长度可接长，使用方便。它与等载面的实心锚杆相比，有更大的抗剪和粘结能力，并配有垫板和螺母，可施加预应力。水泥基药卷式锚杆具有锚固强度高、施工简便快捷、受干扰小、对施工环境适应性广、成本低廉等优点，并可设垫板，施加预应力。而迈氏锚杆则集钻、注、锚于一体，解决了常规锚杆钻孔时的塌孔问题，能够保证复杂地质条件下的锚固质量；在抗弯抗剪强度和表面粘结等方面优于截面积相同的常规锚杆，且可根据需要对之进行切割、接长、施加预应力或荷载释放。[3]二、隧道支护的相关计算2.1分析方法目前普遍应用的地下工程围岩稳定性分析方法（解析）法、主要分为3类:理论分析法、实验分析法和数值分析法。理论分析法，即应用弹性或弹塑性或粘弹塑性力学进行隧道围岩的稳定性分析。实验分析法又分为现场实验和室内模拟分析2种。数值分析是由于计算机及试验勘探技术的不断发展而诞生的，经过几十年的发展，数值分析可以对复杂岩体工程问题进行有效分析。2.2数值分析法概述2.2.1拉格朗日元法（FLAC）。FLAC法基本原理类同于离散单元法，但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解。在求解过程中，FLAC又采用了离散元的动态松弛法，不需求解大型方程组，便于计算。2.2.2有限差分法。从物理现象出发引出相应微分方程，经离散化而得到差分方程再进行求解。即将研究课题包含的区域用差分网格加以离散，用差分公式近似代替所研究课题微分方程中的导数（或微商），从而得到差分方程。2.2.3有限单元法。对于隧道围岩稳定性及支护研究，许多学者利用以上不同数值计算方法已作了大量的深入研究。姚伟明等提出用近似矩形常规实体单元描述平面成空间岩体问题中的软弱结构面精度要高于简化节理单元成夹层单元，并根据结构面屈服、破坏一般沿结构面方向发生的特点提出适应于软弱结构面的广义摩尔—库仑准则。2.2.4边界元法。边界单元法是求解微分方程的一种有效的数值解法。其基本思路是将所要求解的微分方程转换成相应的边界积分方程，然后采用边界积分方程的数值解法求得原问题的数值解。这种方法的特点是通过边界上的量来确定区域内部的未知量。边界元法具有信息准备工作少等优点，目前更多的是与其它数值方法如离散元耦合应用。2.2.5离散元法。离散元法是一种适合于节理岩体的应力分析法，认为岩体运动主要受控于岩体的节理系统，一般可根据牛顿第二定律建立起离散元法的基本分析方程，通过这个基本分析方程分析时步迭代进行求解。2.2.6不连续分析法（DDA），数值流形方法（NMM）。这两种方法都是由我国留美学者石根华受创。DDA是并行于有限元的一种方法，可以用以计算不连续面的错位、滑移、开裂、旋转等大位移静力和动力问题；NMM是应用现代数学“流形”（Manifold）的物理覆盖和数学覆盖的有限覆盖技术所建立起来的一种新的数值方法，可以处理连续和不连续问题共存介质的各类问题。[4]2.3支护时间优化概述为了充分发挥围岩的承载作用，要允许隧道围岩和支护结构产生在一定限度范围内的变形，即要求支护结构具有一定的柔性和可缩性。同时必须保证支护结构架设要适时。同样刚度的支护结构，由于施设的时间不同，最后达到的平衡状态也不同。支护设置过早，支护结构本身所承受的围岩荷载压力大，对其强度要求也较高。同时由于离开挖面太近，不利于施工作业。但是支护参与工作时间太迟，就会因初始变形未加控制而导致隧道围岩迅速松弛、崩塌。所以过早或过迟都将对围岩和支护结构的共同作用构成不利影响，从而不能有效地形成坚固的承载环。最佳支护时间点的确定，在工程实践中是难以办到的，但在一定范围的最佳支护时段内施工，即达到优化意义。[5]2.4支护结构极限位移计算概述为保证隧道围岩和支护结构综合体系能安全适用和经济合理，必须在施工阶段对支护系统的稳定性做出评价，以便能及时或提前提出合理的设计与工程措施。但由于围岩的复杂性以及围岩与支护间相互作用机理不明确，全凭应力体系难以判断隧道的稳定性。而根据隧道变形对隧道稳定性进行评价，可以直接与隧道施工现场位移监测相联系，是目前的发展趋势。目前在现场监测中，往往量测不到支护前洞室开挖引起的位移，实测位移多以初期支护结构位移为主。对一个结构而言，单个截面屈服并不意味着结构破坏，而是意味着该截面承受的弯矩不能再继续增加，但该截面处的弯曲变形（曲率）却可以继续增加，即铰的塑性转动。支护结构受围岩约束，是一个多次超静定的拱形结构。只有当荷载增加到使支护的屈服截面个数增多到使该结构变为机动结构时，支护才处于极限状态。此时一旦被扰动，结构便会产生破坏。定义隧道初期支护结构出现3个塑性铰或最后2个塑性铰同时出现（即出现4个塑性铰）时为结构破坏，此时隧道支护达到承载能力极限状态，即支护后隧道的稳定极限状态，此时支护结构产生的位移为在这种情况下的极限位移。由于地铁隧道结构所处地层的复杂多变性，支护结构承受的荷载各不相同，这就决定了结构的极限位移不可能是一个定值，而是处在一个范围内。判断结构是否达到极限状态，就以该结构的变形是否超出这个范围为准。[6]2.5支护体时效可靠性计算概述2.5.1理论基础工程实践、实测及试验均已表明，隧道支护体在支护初期是稳定的，但是随着掌子面的推进，支护体在一定时期后，可能会出现一定程度的破坏甚至坍塌，也就是说，隧道支护体的稳定性表现出显著的“时效”特征。目前，国内外对隧道支护体的可靠性研究，主要集中在“点”可靠性的研究上，即就是研究隧道支护体在某个时间点的可靠度，这与工程实际不相一致。只有对隧道支护体进行“时效”可靠性的研究，才能更接近工程实际。在隧道的初期支护中，主要的承载结构为喷射混凝土，其他支护形式，如锚杆及钢支撑等可通过变形等效法处理。由于混凝土支护内的应力一般都比较低，通常情况下也不致产生塑性变形，所以，通常运用Kelvin-Voigt黏弹性流变模型作为隧道支护体的流变模型。2.5.2理论计算隧道支护体的位移是在开挖和支护过程中，在众多因素的影响下，围岩整体力学性质及稳定状态最直接、最本质的客观表现。从位移出发研究隧道支护体的可靠性是众多学者认同的途径，并且与国际隧道协会（ITA）推荐的“收敛—约束”模型思想相一致。根据传统的结构可靠性定义，本文定义隧道支护体时效可靠性为支护体位移时程曲线与位移阀值的交点到位移收敛值之间的弧长与围岩与支护体作用点到位移收敛点之间弧长的比率，简单地说，隧道支护体的时效可靠性即支护体的位移收敛值超过位移阀值的概率。通过一系列推导得出：当隧道支护体的特征参数一定时，只要根据工程要求设定一个位移阀值，便可求出时效可靠度。[7]2.5.3分析结果（1）随着支护强度及支护厚度的增加，隧道支护体的时效破坏概率将减小，但是其速率将减小，也就是说，仅通过增强支护强度来实现支护体的稳定是不经济的。（2）当围岩的强度下降时，同一支护强度的支护体的破坏概率显著降低，也就是说，当围岩强度降低时，隧道支护体同等程度的破坏（即破坏概率相等）所需支护强度有所降低。2.6隧道支护反力上限计算2.6.1极限分析上限定理极限分析法基于经典弹塑性力学，但是其求解过程不必进行复杂的弹塑性过程分析，计算过程简洁快速，是研究分析岩土工程稳定性问题的一种有效方法。极限分析上限定理可表达成：对于任意假想的满足运动许可的破坏机构，由外力所做的功率等于内部能量耗散率所确定的荷载为极限荷载（或破坏荷载）的上限。[8]2.6.2计算过程（1）外功率计算外力主要有重力、孔隙水压力和支护力，所以外功率计算主要包括土体重力做功功率、孔隙水压力做功功率和支护力做功功率。（2）内能耗散率计算内能耗散率只