考虑应力路径的深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用

摘要

黏弹–塑性岩体中,隧道的支护反力会随时间增加,致使塑性区内已屈服围岩的应力状态从屈服面上回到屈服面以内。因此,研究隧道围岩与支护结构相互作用的长期力学特性时须先弄清其应力路径。考虑应力路径影响,基于广义Kelvin流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,给出深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用的应力、应变及位移的简化计算方法。将高地应力软岩隧道的各种"抗让结合"支护技术归纳为"先让后抗"、"边让边抗"、"先控再让后抗"3类,分别分析3类支护措施对围岩应力路径的影响,并对比研究不同支护措施下隧道黏弹–塑性围岩的变形及支护反力。结果表明,考虑应力路径后计算得到的围岩位移更大。在相同的位移释放量、相同的衬砌支护刚度条件下,采用"先让后抗"的措施,围岩初期变形速率非常大,施加永久支护后,后期增长的支护反力也最大。在高地应力、变形严重的条件(例如初始地应力超过20 MPa)下采用"先控再让后抗"措施是最合适的。隧道开挖后立即施作长锚杆主动支护围岩,不仅可以控制围岩在第一阶段的变形速率,提高第一阶段围岩的稳定性,还可以大幅降低第二阶段永久衬砌的支护力,提高第二阶段衬砌结构的稳定性。在地应力不高、变形不严重的条件下(例如初始地应力低于10 MPa)采用"先让后抗"的措施就可以较好地控制围岩变形,不必采用"先控再让后抗"措施。而"边让边抗"措施适用于2种情况之间(例如初始地应力为10~20 MPa)。此外,黏滞系数较小(较软弱)的围岩开挖后变形速率较大,例如当黏滞系数η分别取2×109和1×1010 Pa·d时,采用"先控再让后抗"措施后围岩初期变形速率分别为17.6和3.5cm/d。因此,黏滞系数较小(较软弱)的围岩在开挖后必须立即施加较大的支护反力以控制围岩变形速率。