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隧道施工技術論文

連續體(或不連續體)模型

連續體模型

七十年代中期以來, 隨著電子電腦的廣泛應用, 特別是有限元, 邊界元, 雜交元的等方法的推廣, 為連續體模型在隧道中的應用創造了條件。 噴錨支護這類以“主動”加固岩體為機制的支護型式, 以及以這種新型支護技術為背景的新奧法的應用, 使連續體模型得以發展。

在這種模型中, 圍岩和支護系統不再作為相互作用的兩個方面, 而是作為一個聯合系統加以考慮, 計算的目的在於分析由於開挖引起的地應力重分佈和由此產生的變形和圍岩穩定性問題,

支護手段是作為“連續體模型”的一種邊界條件來考慮的。 在荷載反力模型和收斂約束模型中, 主要檢算物件是襯砌支護系統。 在連續體模型中, 計算的物件主要是岩體本身。

這種連續體模型, 在強調圍岩支護共同作用的同時, 目前國內外尚無與之相對應的安全度評價標準, 缺乏明確的定量設計依據以及圍岩穩定性判據, 以致在進行洞室的有限元計算得到支護應力及圍岩塑性區範圍後, 無法判定設計的支護強度是否合理。

不連續體模型

近年來, 追求高精度、能考慮多種因數的有限元電算, 已經成為各設計和研究部門的首選, 許多大型重要工程都用了不止一種有限元程式進行電算。 本來採用有限元等方法是一種更精確的定量分析方法, 但其計算結果多數都沒有用到工程實踐上, 只能為設計人員和方案決策者提供一個定性的參考, 往往求得的只是一種心理上的安全感, 面對研究部門提供的科研成果和現行設計規範之間的差異, 工程設計人員感到茫然而不知所從。

為了將連續體模型得出的計算結果能夠為工程設計人員所用, 有人提出了用相應的數值積分理論將連續體模型求得的有限元高斯積分點上的應力、轉換為結構截面內力的計算方法, 反推出襯砌支護結構的彎矩、軸力、剪力等內力值, 以利於工程設計人員“照章辦事”。

這似乎又回到了荷載結構模式, 或者說連續體模式並未真正擺脫荷載結構模式, 襯砌結構又成了主要的承載結構, 而對於岩體結構的狀態無法評價。

噴錨加固

噴錨加固:裂損襯砌的所有內鼓變形和內向移動的裂損部位, 採用(預應力)錨杆加固岩體是有效的, 此時錨杆既可沿內緣張裂紋的走向兩邊佈置, 做局部加固, 也可做全斷面加固, 將襯砌與岩體嵌固在一起, 形成一個均勻壓縮帶, 以增強圍岩的穩定性, 提高支護結構的承載能力。

採用此法時應檢查襯砌厚度、背後超挖回填及圍岩整體性情況。 錨杆的設置應在襯砌的背後壓漿後兩個星期進行。 錨杆的錨固段應設在穩定圍岩中。

對於襯砌上的裂紋及時嵌填。 噴混凝土可以使所有已裂損的圬工塊體緊密結合, 阻止這些塊體的鬆動, 同時在噴射壓力作用下嵌入裂縫內一定深度, 使裂縫重新閉合, 增強裂損襯砌的整體性, 較大幅度的提供裂損襯砌的承載能力, 達到加固的目的。

套拱加固

必要時也可以在噴層中加入鋼筋網,用於防止收縮裂紋,提高加固結構的整體套拱加固:果混凝土品質差,厚度不夠,或受機車煤煙侵蝕,掉塊剝落嚴重,並且拱頂淨空有富餘時,可對襯砌拱部加築套拱或全斷面加築套拱。如果隧道內淨空條件不足,可以採用落道套拱的辦法。套拱與原襯砌間用Ф16mm~18mm的鋼筋釺釘錨接,釺釘埋入原拱20cm左右作為鋼筋的生根處。套拱中的主筋也可用鋼拱架、格柵來代替,其間距50cm~80cm,縱向用拉杆焊接。套拱用強度等級不低於C20的混凝土灌注,其厚度為20cm~30cm。

套拱拆模後要進行壓漿,以填充其背後空隙,使新舊拱圈連成整體。當拱部灌注混凝土難度較大時,可以採用噴混凝土、網噴混凝土和噴鋼纖維混凝土進行加固。事實上,套拱加固已日益被噴錨加固所代替。結構穩定,或者襯砌嚴重侵入限界,採用其他防治措施有困難時,可採用全拱更換,徹底根除病害。

噴錨支護

噴錨支護作為現行隧道設計中常用的重要支護手段,其支護效果的有效性是眾所周知的,可以說,由於噴錨支護在隧道工程中的推廣應用,促進了隧道設計與施工技術的根本性變革。但是,理論上對它的研究,還不能真正解釋它們為何有如此巨大的作用。

按照通常的支 護抗力法考慮,噴錨支護對圍岩提供的支護抗力是非常有限的,基於彈塑性理論採用連續體模型有限元法計算的圍岩塑性區半徑和位移,並沒有因噴錨支護的施做而使計算結果有明顯的改善。計算結果與實際效果的明顯背離,足以使我們對這種結構設計計算模型中的噴護結構的簡化處理的合理性產生懷疑,這也許是計算結果目前僅能作定性參考的根源所在。

結束語

理論研究的滯後困擾著新技術的推廣應用,但是,不能因此而否定理論工作者在這方面的諸多努力,他們把有限元,邊界元、離散元,雜交元、甚至神經元網路等計算方法引入到隧道工程,在隧道工程結構計算中考慮了彈、塑、粘以及反映岩體不可逆、剪脹、應變軟化、各項異性等種種不同情況。這些目前看來還只能算是“學院式”的研究成果,其深奧的理論和目前僅可作定性參考的計算結果,也許在將來會逐漸發現他們的利用價值,這也意味著今後在這方面的努力絕不可能一蹴而就。

套拱加固

必要時也可以在噴層中加入鋼筋網,用於防止收縮裂紋,提高加固結構的整體套拱加固:果混凝土品質差,厚度不夠,或受機車煤煙侵蝕,掉塊剝落嚴重,並且拱頂淨空有富餘時,可對襯砌拱部加築套拱或全斷面加築套拱。如果隧道內淨空條件不足,可以採用落道套拱的辦法。套拱與原襯砌間用Ф16mm~18mm的鋼筋釺釘錨接,釺釘埋入原拱20cm左右作為鋼筋的生根處。套拱中的主筋也可用鋼拱架、格柵來代替,其間距50cm~80cm,縱向用拉杆焊接。套拱用強度等級不低於C20的混凝土灌注,其厚度為20cm~30cm。

套拱拆模後要進行壓漿,以填充其背後空隙,使新舊拱圈連成整體。當拱部灌注混凝土難度較大時,可以採用噴混凝土、網噴混凝土和噴鋼纖維混凝土進行加固。事實上,套拱加固已日益被噴錨加固所代替。結構穩定,或者襯砌嚴重侵入限界,採用其他防治措施有困難時,可採用全拱更換,徹底根除病害。

噴錨支護

噴錨支護作為現行隧道設計中常用的重要支護手段,其支護效果的有效性是眾所周知的,可以說,由於噴錨支護在隧道工程中的推廣應用,促進了隧道設計與施工技術的根本性變革。但是,理論上對它的研究,還不能真正解釋它們為何有如此巨大的作用。

按照通常的支 護抗力法考慮,噴錨支護對圍岩提供的支護抗力是非常有限的,基於彈塑性理論採用連續體模型有限元法計算的圍岩塑性區半徑和位移,並沒有因噴錨支護的施做而使計算結果有明顯的改善。計算結果與實際效果的明顯背離,足以使我們對這種結構設計計算模型中的噴護結構的簡化處理的合理性產生懷疑,這也許是計算結果目前僅能作定性參考的根源所在。

結束語

理論研究的滯後困擾著新技術的推廣應用,但是,不能因此而否定理論工作者在這方面的諸多努力,他們把有限元,邊界元、離散元,雜交元、甚至神經元網路等計算方法引入到隧道工程,在隧道工程結構計算中考慮了彈、塑、粘以及反映岩體不可逆、剪脹、應變軟化、各項異性等種種不同情況。這些目前看來還只能算是“學院式”的研究成果,其深奧的理論和目前僅可作定性參考的計算結果,也許在將來會逐漸發現他們的利用價值,這也意味著今後在這方面的努力絕不可能一蹴而就。

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