一般地,对于Ⅳ级以下围岩(软弱围岩),喷射混凝土层将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护抗力,使围岩变形得到控制,从而使围岩保持稳定。与此同时,喷层将受到来自围岩的挤压力,这种挤压力由围岩变形引起,常称作“形变压力”。而且软弱围岩开挖后,变形的发展往往会持续较久的时间。采用模筑混凝土支护围岩时,顶替原有临时支护时扰动围岩以及衬砌同周围岩体不密贴都可产生松散压力,而当坍落发展到一定程度时,衬砌将与围岩密贴,并随围岩变形的继续发展,衬砌也将受到挤压,从而经受形变压力。可见,围岩与支护间形变压力的传递,是一个随时间的推进而逐渐发展的过程。
在有限元分析中,形变压力常在计算过程中同时确定,而作为开挖效应的模拟,直接施加的荷载是在开挖边界上施加的释放荷载。
7.2 隧道施工开挖过程的计算方法
7.2.1 隧道施工方法
目前隧道施工方法主要采用新奥法,这是奥地利隧道工程师腊布希维于1963年首先提出的。它是以控制爆破为主要掘进手段,以喷射混凝土和锚杆为主要支护措施,通过检测控制围岩的变形,动态修正设计参数和变动施工方法的一种隧道施工方法。它是在锚喷支护技术的基础上总结和发展起来的,其核心内容是充分发挥围岩的自承能力。
新奥法按其开挖断面的大小和位置,基本上可以分为三大类:全断面法、台阶法、分步开挖法。在不同围岩性质情况下,每一种开挖方法都体现出其特定的优越性,因此,开挖方法的选择应根据实际的工程环境条件进行选择。
虽然新奥法较传统的开挖方法取得了很大的进步,能充分发挥围岩的自稳能力,但为了更深入准确地了解隧道开挖真实过程,必须通过有限元方法进行数值模拟。
在有限元分析方法中,开挖过程的模拟一般通过在开挖边界上施加释放荷载实现。将一个相对完整的施工阶段称为施工步,并设每个施工步包含若干增量步,则与该施工步相应的开挖释放荷载可在所包含的增量步中逐步释放,以便较为真实地模拟施工过程。具体计算中,每个增量步的荷载释放量可由释放系数控制。各施工步的有限元分析表达式为:
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