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1、第五章 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì) 原理與方法 第一節(jié) 概 述 隧道的結(jié)構(gòu)體系是由 圍巖 和 支護(hù)結(jié)構(gòu) 共同組成的。其 中圍巖是主要的承載元素，支護(hù)結(jié)構(gòu)是輔助性的，但通常也 是必不可少的，在某些情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要起承載作用。 這就是按現(xiàn)代巖石力學(xué)原則設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)。 隧道開挖前巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài) ， 謂之 一次應(yīng)力 狀態(tài) ；開挖隧道后引起了圍巖應(yīng)力的重分布 ， 同時(shí)圍巖 將產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移 ， 形成了新的應(yīng)力場(chǎng) ， 稱之為圍 巖的 二次應(yīng)力狀態(tài) ， 這種狀態(tài)受到開挖方式 爆破 、 非爆 破 和方法 全斷面開挖 、 分部開挖等 的強(qiáng)烈影響 。 如果 隧道圍巖不能保持長期穩(wěn)定 ， 就必須設(shè)置。

2、支護(hù)結(jié)構(gòu) ， 從 隧道內(nèi)部對(duì)圍巖施加約束 ， 控制圍巖變形 ， 改善圍巖的 應(yīng)力狀態(tài) ， 促使其穩(wěn)定 ， 這就是 三次應(yīng)力狀態(tài) 。 顯然這 種狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)類型 、 方法以及施設(shè)時(shí)間等有關(guān) 。 三 次應(yīng)力狀態(tài)滿足穩(wěn)定要求后就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的洞室結(jié) 構(gòu) ， 這樣 ， 這個(gè)力學(xué)過程才告結(jié)束 。 要進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ， 就必須充分認(rèn)識(shí)和了解以下五方面的 問題 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài) ， 或稱一次應(yīng)力狀態(tài) , 這部分內(nèi) 容已在第四章中作了介紹； 開挖隧道后圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài) 和位移場(chǎng) ； 判斷圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)和位移場(chǎng)是否符合穩(wěn)定性條件即圍 巖穩(wěn)定性準(zhǔn)則 。 一般可表示為 5-1 式中的 、 是根據(jù)圍巖的物。

3、理力學(xué)特性所確定的某些特 定指標(biāo) 。 0 2 2u 0, 0, 2 2 1 2 RuF Rf 、 1R 2R 設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)后圍巖的應(yīng)力狀態(tài) ， 亦稱圍巖的三次應(yīng) 力狀態(tài) 和位移場(chǎng) ， 以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力 和位移 。 判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度的準(zhǔn)則 ， 一般可寫成 5-2 式中的 、 是支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù) 。 3 3u M 0, 0, 22 11 KF KMf 1K 2K 第二節(jié) 圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng) 一 、 隧道開挖后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 計(jì)算圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng) ， 首先推算隧道開挖 前圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài) ， 以及與之相適應(yīng)的位移場(chǎng) 。 隧道開挖后 ， 因其周邊上的徑向應(yīng)力。

4、 和剪應(yīng)力 都為零 ， 故可向具有初始應(yīng)力的圍巖 ， 在隧道周邊上反方向施加與 初始應(yīng)力相等的釋放應(yīng)力 。 用彈性力學(xué)方法計(jì)算帶有孔洞 的無限平面在釋放應(yīng)力作用下的應(yīng)力 和位移 。 而真實(shí) 的圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)為 0 0 0u n 1 1u 12 102 uu 模擬隧道開挖所經(jīng)歷的力學(xué)過程可以用圖 5-1表示 。 A B 0 0 a B A 0 x0 , u 0 0 n 1 1 , u 1 1 2 2 0 1 u u 2 1 r 2 b c d z n 圖 5-1 隧道開挖所經(jīng)歷的力學(xué)過程模擬 對(duì)于自重應(yīng)力場(chǎng)中的深埋隧道 ， 常常將它的圍巖初始應(yīng)力 場(chǎng)簡(jiǎn)化為常量場(chǎng) ， 也就是假定圍巖。

5、的初始應(yīng)力到處都是一 樣 。 并取其等于隧道中心點(diǎn)的自重應(yīng)力 ， 即 式中 為隧道中心點(diǎn)的埋深，以 m計(jì)， 是圍巖的側(cè)壓力 系數(shù)，無量綱。 zx cz H cH 根據(jù)彈性力學(xué)原理，這個(gè) 問題的求解還可以簡(jiǎn)化為 不考慮體積力的形式，而 用在有孔無限平面 無重的 無窮遠(yuǎn)邊界上作用有垂直 均布荷載和水平荷載的形 式來代替，如圖 5-2所示。 Z r 0 r A X C H H C 圖 5-2 力學(xué)模型 由此而引起的計(jì)算誤差在洞周上是不大的，并隨著隧道埋深 的增加而減少。當(dāng)埋深超過 10倍洞徑時(shí)，其誤差可以忽略不 計(jì)。 二 、 隧道開挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài)及位移狀 態(tài) 塑性應(yīng)力區(qū)域是由于多數(shù)圍。

6、巖具有塑性這一性質(zhì)而造成 的 。 塑性 就是指圍巖在應(yīng)力超過一定值后產(chǎn)生塑性變形的性 質(zhì) 。 此時(shí) ， 應(yīng)力即使不增加 ， 變形仍繼續(xù) 。 當(dāng)圍巖內(nèi)應(yīng)力超 過圍巖的抗壓強(qiáng)度后 ， 圍巖發(fā)生塑性變形并迫使塑性變形的 圍巖向隧道內(nèi)滑移 。 塑性區(qū)的圍巖因變得松弛 ， 其物理力學(xué) 性質(zhì)也發(fā)生變化 。 三 、 無支護(hù)坑道的穩(wěn)定性及其破壞 坑道穩(wěn)定性 是指隧道圍巖在開挖過程中 ， 在不設(shè)任何 支護(hù)情況下所具有的穩(wěn)定程度 。 無支護(hù)坑道圍巖的失穩(wěn)破壞有 三種形式 由于破碎巖體的自重作用 ， 超過了它們脫離巖體的阻力而多 在頂部 、 較少在側(cè)壁處造成局部崩塌； 由圍巖應(yīng)力重分布所造成的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的巖體。

7、強(qiáng)度破壞 而形成的崩塌 。 一般發(fā)生在脆性巖體中 ， 且在多數(shù)情況下 ， 巖 體破壞從坑道側(cè)壁開始 ， 同時(shí)巖體的破壞和位移也可能發(fā)生在 頂部和底部； 在塑性巖體中 ， 穩(wěn)定的喪失是由于塑性變形的結(jié)果 ， 巖體產(chǎn) 生了過度的位移 ， 但無明顯的破壞跡象 。 第三節(jié) 隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用 一 、 收斂和約束的概念 開挖隧道時(shí) ， 由于臨空面的形成 ， 圍巖開始向洞內(nèi)產(chǎn)生 位移 ， 這種位移我們稱之為 收斂 。 若巖體強(qiáng)度高 ， 整體性好 、 斷面形狀有利 ， 巖體的變形到一定程度 ， 就將自行停止 ， 圍 巖是穩(wěn)定的 。 反之 ， 巖體的變形將自由地發(fā)展下去 ， 最終導(dǎo) 致隧道圍巖整體失。

8、穩(wěn)而破壞 。 在這種情況下 ， 應(yīng)在開挖后適 時(shí)地沿隧道周邊設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu) ， 對(duì)巖體的移動(dòng)產(chǎn)生阻力 ， 形 成 約束 。 相應(yīng)地支護(hù)結(jié)構(gòu)也將承受圍巖所給予的反力 ， 并產(chǎn) 生變形 。 如果支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的強(qiáng)度和剛度 ， 這種隧道圍巖 和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用會(huì)一直延續(xù)到支護(hù)所提供的阻力與圍 巖應(yīng)力之間達(dá)到平衡為止 ， 從而形成一個(gè)力學(xué)上穩(wěn)定的隧道 結(jié)構(gòu)體系 。 這時(shí)的隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)稱為 三次應(yīng)力狀態(tài) 。 二 、 坑道支護(hù)后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)及位移狀態(tài) 隧道開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)兩種情況 一種是開挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)仍然是彈性的，隧道圍巖除 因爆破、地質(zhì)狀態(tài)、施工方法等原因可能引起稍許松弛掉塊外， 是。

9、穩(wěn)定的，在這種情況下，坑道是穩(wěn)定的，原則上無需支護(hù)，即 使支護(hù)也是防護(hù)性的，支護(hù)方法一般可采用噴漿或者噴射混凝土； 另一種是開挖后隧道圍巖產(chǎn)生一定范圍的塑性區(qū)，此時(shí)應(yīng)采 用承載型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以維護(hù)坑道的穩(wěn)定。 坑道支護(hù)后，相當(dāng)于在坑道周邊施加了一個(gè)阻止隧道圍巖變 形的支護(hù)阻力 抗力 ，從而也改變了圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)。支護(hù) 阻力的大小和方向?qū)鷰r的應(yīng)力狀態(tài)有著很大的影響 。 三 、 圍巖特性曲線 支護(hù)需求曲線 支護(hù)阻力 與隧道洞壁位移 的關(guān)系曲線如圖 5-12所示。 aP au 形變壓力 松散壓力 a 彈塑性分界 P P a,max u lim u a a,minP a,maxu 圖 5-12。

10、 圍巖特性曲線 這條曲線形象的表達(dá) 了支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道圍 巖之間的相互作用 在極限位移范圍內(nèi)， 圍巖允許的位移大了， 所需的支護(hù)阻力就小， 而應(yīng)力重分布所引起 的后果大部分由圍巖 所承擔(dān)；圍巖允許的 位移小了，所需的支 護(hù)阻力就大，圍巖的 承載能力就得不到充 分的發(fā)揮。 四 、 支護(hù)特性曲線 支護(hù)補(bǔ)給曲線 以圓形隧道為研究對(duì)象 ， 并假定圍巖給支護(hù)結(jié)構(gòu)的反力也是徑 向勻布的 。 因此 ， 這還是一個(gè)軸對(duì)稱問題 。 相對(duì)于圍巖的力學(xué) 特性而言 ， 混凝土或鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性可以認(rèn)為是線彈性 的 ， 也就是說作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的徑向均布?jí)毫?是和它的徑 向位移 成線性關(guān)系 ， 即 式中的 定義為支。

11、護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度 。 aP 0uua 0uuKP asa sK aP u a 錨噴聯(lián)合支護(hù) 噴混凝土支護(hù) 錨桿支護(hù) 圖 5-13 支護(hù)特性曲線 對(duì)于幾種支護(hù)結(jié)構(gòu)型式 ， 其支 護(hù)特性曲線如圖 5-13所示 。 五 、 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜力平衡狀態(tài)的建立 三次 應(yīng)力場(chǎng) 如果支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度 ， 則圍巖的支護(hù)需求曲線 和支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)補(bǔ)給曲線會(huì)相交一點(diǎn) ， 而達(dá)到平衡 ， 這個(gè) 交點(diǎn)都應(yīng)在 或 之前 。 隨著時(shí)間的推移 ， 地下水位逐漸 恢復(fù) ， 圍巖物性指標(biāo)惡化 ， 錨桿銹蝕等等 ， 這個(gè)平衡狀態(tài)還 將調(diào)整 。 limu maxu a 彈塑性分界 P u a 圖 5-14說明 1. 不同。

12、剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍 巖達(dá)成平衡時(shí)的 和 是 不同的。 2. 同樣剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，由 于架設(shè)的時(shí)間不同，最后達(dá) 成平衡的狀態(tài)也是不同的。 aP au 圖 5-14 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用 第四節(jié) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則 支護(hù)結(jié)構(gòu)的 基本作用 在于與圍巖一起組成一個(gè)有足夠 安全度的隧道結(jié)構(gòu)體系 ， 能承受可能出現(xiàn)的各種荷載；保持 隧道斷面的使用凈空；防止圍巖質(zhì)量的進(jìn)一步惡化；提供空 氣流通的光滑表面 。 因此 ， 任何一種類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)都應(yīng)具 有與上述作用相適應(yīng)的構(gòu)造 、 力學(xué)特性和施工的可能性 。 一 、 支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求 1. 必須能與圍巖大面積地牢固接觸 ， 即保證支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖 作為一個(gè)整。

13、體進(jìn)行工作 。 根據(jù)不同的開挖和支護(hù)方法 ， 兩者的接觸狀態(tài)可作如下 分類 的接觸狀態(tài) 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu) 襯砌噴混凝土、泵送混凝土牢固的 土質(zhì)隧道有回填層松散的 面接觸 鋼支撐確定的 撐模筑混凝土襯砌、木支任意的 點(diǎn)接觸 2. 重視早期支護(hù)的作用 ， 并使早期支護(hù)與永久支護(hù)相互配 合 ， 協(xié)調(diào)一致地工作 。 3. 要允許隧道圍巖能產(chǎn)生有限制的變形 ， 以充分發(fā)揮圍巖 的承載能力而減少對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利作用 ， 使兩者更加 協(xié)調(diào)的工作 。 4. 必須保證支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)施作 。 5. 作為支護(hù)結(jié)構(gòu)要能根據(jù)隧道圍巖的動(dòng)態(tài) 位移 、 應(yīng)力等 ， 及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整和修改 ， 以適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài) 。 二 、。

14、 支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇和設(shè)計(jì) 根據(jù)其使用目的 ， 支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為 防護(hù)型支護(hù) 構(gòu)造型支護(hù) 承載型支護(hù) 在設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意 支護(hù)結(jié)構(gòu)最好設(shè)計(jì)成封閉式的，一般都應(yīng)有仰拱。 對(duì)于抗拉性能較差的混凝土類支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量 避免受彎矩作用。 第五節(jié) 圍巖壓力 圍巖壓力 是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或 破壞的作用力。 一 、 圍巖壓力分類 圍巖壓力按作用力發(fā)生的形態(tài) ， 一般可分為如下幾種類型 1. 松動(dòng)壓力 由于開挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力的形式直接作用在支 護(hù)結(jié)構(gòu)上壓力稱為松動(dòng)壓力。 2. 形變壓力 形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)結(jié)構(gòu) 如錨噴 支護(hù)等 的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)。

15、共同變形的過程中，圍巖 對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。 3. 膨脹壓力 當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹 崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。 4. 沖擊壓力 沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后 ， 由于 隧道的開挖 ， 圍巖約束被解除 ， 能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力 。 二 、 圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定的方法 作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆 蓋地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的 “ 成拱作用 ” 來 解釋。 拿一個(gè)在水平成層的圍巖中開挖隧道的例子 ， 來說明隧 道開挖后圍巖又變形到坍塌成拱的整個(gè)變化過程 圖 5-16。 a 變形階段； b 松動(dòng)階段； c 。

16、塌落階段； d 成拱階段 。 圖 5-16 圍巖松動(dòng)壓力的形成 將隧道所形成的相對(duì)穩(wěn)定的拱稱為 “ 天然 拱 ” 或 “ 塌 落拱 ” 。它如同一個(gè)承載環(huán)一樣承受著上覆地層的全部重 量，并且將荷載向兩側(cè)傳遞下去。這就是圍巖的 “ 成拱作 用 ” 。而天然拱范圍內(nèi)破壞了的巖體的重量，就是作用在 支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力的來源。 實(shí)踐證明 ， 天然拱范圍的大小除了受上述的圍巖地質(zhì)條件 、 支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)時(shí)間 、 剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)等因素 影響外 。 還取決于以下諸因素 隧道的形狀和尺寸。 隧道的埋深。 施工因素 一 深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 當(dāng)隧道的埋置深度超過一定限值后，圍巖的松動(dòng)壓。

17、力僅 是隧道周邊某一破壞范圍(天然拱)內(nèi)巖體的重量，而與埋深 無直接關(guān)系。 1、 統(tǒng)計(jì)法 我國 隧規(guī) 所推薦的方法 現(xiàn)在我國 隧規(guī) 中隧推薦的計(jì)算圍巖豎向勻布松動(dòng)壓 力的公式 ， 就是根據(jù) 357個(gè)鐵路隧道的塌方資料統(tǒng)計(jì)分析而擬 定的 wh hq s 1245.0 式中的 為圍巖容重； s 為圍巖級(jí)別； 為寬度影響系數(shù)， 由 w1i( B-5) 計(jì)算， B 為坑道寬度， i 為 B每增減 1m時(shí)的 圍巖壓力增減率，當(dāng) B 5m時(shí)，取 i 0.2，當(dāng) B 5m時(shí)，取 i 0.1。 s w 公式的適用條件為 H/B 1.7， H為坑道的高度； 深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用。

18、礦山法施工 。 圍巖水平勻布的松動(dòng)壓力 ， 按表 5-3中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 ， 其適 用條件同上 。 圍巖級(jí) 別 水平均 布?jí)毫?0 0.15q 0.15 0.3q 0.3 0.5q 0.5 1.0q 表 5-3 圍巖水平均布?jí)毫?作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是很不均勻的，這是因?yàn)樵?級(jí)及 級(jí)圍巖中，局部塌方是主要的，而在其它類別的圍巖中，巖體 破壞范圍的形狀和大小，受巖體結(jié)構(gòu)、施工方法等因素的控制， 也是極不規(guī)則的。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖 形大致可以概括為以下六種，如圖 5-17所示。 圖 5-17 圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形 2、 普氏理論 普洛托李雅克諾夫認(rèn)為所有的巖體都不同程度。

19、地被節(jié) 理、裂隙所切割，因此可以視為散粒體。 基于這些認(rèn)識(shí)，普 氏提出了 巖體的堅(jiān)固性系數(shù) 又叫似摩擦系數(shù) 的概念。 0t a n t a n cf 式中 、 為 巖體的似摩擦角和內(nèi)摩擦角 ； 、 為 巖體的抗剪強(qiáng)度和剪切破壞時(shí)的正應(yīng)力； 為 巖體的粘結(jié)力。 0 c 巖體的堅(jiān)固性系數(shù)值，是一個(gè)說明巖體各種性質(zhì) 如強(qiáng)度、 抗鉆性、抗爆性、構(gòu)造、地下水等 的籠統(tǒng)的指標(biāo) 。 在確定巖 體的值時(shí)，除了考慮其強(qiáng)度指標(biāo)外，還需根據(jù)巖體的構(gòu)造特 征等因素，并結(jié)合以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以修正。 為了確定圍巖的松動(dòng)壓力，普氏還提出了基于天然拱概念的 計(jì)算理論，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力就是天然拱以內(nèi)的 松動(dòng)巖體的。

20、重量。而天然拱的尺寸，即它的高度和跨度則與 反映巖體特征的值和所開挖的隧道寬度有關(guān)， 其具體表達(dá)式 為 f bh k 式中 為天然拱高度； b為天然拱半跨度 。 kh 在堅(jiān)硬巖體中，坑道側(cè)壁較穩(wěn)定，天然拱的跨度就是隧道 的寬度，即 為隧道的凈寬度的一半 ，如圖 5- 18a所示， 在松散和破碎巖體中，坑道的側(cè)壁也受擾動(dòng)而 滑移，天然拱的跨度也相應(yīng)加大為 圖 5-18b tbb tb 245t a n 0tt Hbb 式中 為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度；其余符號(hào) 含義同前 。 tb tH 一般來說 ， 普氏理論比較適用于松散 、 破碎的圍巖中 。 圖 5-18 隧道圍巖塌落拱 3、 泰沙。

21、基理論 泰沙基 K.Terzaghi也將巖體視為散粒體 。 他認(rèn)為坑道開 挖后 ， 其上方的巖體將因坑道變形而下沉 ， 并產(chǎn)生如圖 5- 19所示的錯(cuò)動(dòng)面 OAB。 圖 5-19 泰沙基理論 一般情況下，深埋隧道與 淺埋隧道界限的確定應(yīng)以隧道 頂部覆蓋層能否形成 “ 天然拱 ” 為原則，但要準(zhǔn)確定出其界限 值是困難的，因?yàn)樗c許多因 素有關(guān)，因此一般只能根據(jù)經(jīng) 驗(yàn)判斷。通常，當(dāng)?shù)孛媾c隧道 頂部之間的巖層厚度超過塌方 平均高度的 2 2.5倍以上時(shí)， 一般可作為深埋隧道處理。對(duì) 于特殊情況應(yīng)作具體分析。 二 淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 隧道工程實(shí)踐表明，當(dāng)隧道埋深不大時(shí)，開挖的影響將 波及到。

22、地表，無法形成 “ 天然拱 ” 。因此，上述估其深埋隧 道圍巖松動(dòng)壓力的公式對(duì)淺埋隧道是不適用的， 如圖 5-20，從松散介質(zhì)極限平衡的角度，對(duì)施工過程中 巖體運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行分析若不及時(shí)支護(hù)，或施工時(shí)支護(hù)下 沉，會(huì)引起洞頂上覆蓋巖體 EFHG的下沉與移動(dòng)，而且它的移 動(dòng)受到兩側(cè)其它巖體的挾持，反過來又帶動(dòng)了兩側(cè)三棱體 ACE和 BDF的下滑，形成兩個(gè)破裂面 為了簡(jiǎn)化，假定它們都 是與水平面成角的斜直面，如圖 5-20a中的 AC和 BD。研究洞 項(xiàng)上覆蓋巖體 EFHG的平衡條件，即可求出作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上 的圍巖松動(dòng)壓力。 圖 5-20 淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定 第六節(jié) 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型。

23、 一 、 計(jì)算模型的建立原則 一個(gè)理想的隧道工程的數(shù)學(xué)力學(xué)模型應(yīng)能反映下列的因素 必須能描述有裂隙和破壞帶的 ， 以及開挖面形狀變化所 形成的三維幾何形狀 。 對(duì)圍巖的地質(zhì)狀況和初始應(yīng)力場(chǎng)不僅要能說明當(dāng)時(shí)的 ， 而且還要包括將來可能出現(xiàn)的狀態(tài) 。 應(yīng)包括對(duì)圍巖應(yīng)力重分布有影響的巖石和支護(hù)材料非線 性特性 ， 而且還要能準(zhǔn)確地測(cè)定出反映這些特性的參數(shù) 。 如果要知道所設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)和開挖方法能否獲得成功 ， 即想評(píng)估其安全度 ， 則必須將圍巖 、 錨桿和混凝土等材料的局 部破壞和整體失穩(wěn)的判斷條件納入模型中 。 當(dāng)然 ， 條件必須滿 足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定 。 要經(jīng)得起實(shí)際的檢驗(yàn) ， 這種檢驗(yàn)。

24、不能只是偶然巧合 ， 而是 需要保證系統(tǒng)的一致性 。 二 、 常用的計(jì)算模型 從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看 ， 目前在設(shè)計(jì)隧道的結(jié)構(gòu) 體系時(shí) ， 主要采用兩類計(jì)算模型第一類模型是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作 為承載主體 ， 圍巖作為荷載主要來源 ， 同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu) 的變形起約束作用；第二類模型則相反 ， 是以圍巖為承載主體 ， 支護(hù)結(jié)構(gòu)則約束和限制圍巖向隧道內(nèi)變形 。 第一類模型又稱為傳統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型 。它將支護(hù)結(jié)構(gòu) 和圍巖分開來考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的 來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，故又可稱為 荷載 結(jié)構(gòu)模型 圖 5-23a。 這一類計(jì)算模型主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛 和崩塌，支。

25、護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖 “ 松動(dòng) ” 壓力的情況。 屬于這一類模型的計(jì)算方法有彈性連續(xù)框架 含拱形 法，假定抗力法和彈性地基梁 含曲梁和圓環(huán) 法等。 圖 5-23 隧道計(jì)算模型 第二類模型又稱為現(xiàn)代的巖體力學(xué)模型。它是將支護(hù)結(jié) 構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱 為 圍巖 結(jié)構(gòu)模型 或 復(fù)合整體模型 圖 5-23b。 在圍巖 結(jié)構(gòu)模型中可以考慮各種幾何形狀、圍巖和支 護(hù)材料的非線性特性、開挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)以 及地質(zhì)中不連續(xù)面等等。 利用這個(gè)模型進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題 ， 是如 何確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)以及表示材料非線性特性的各種參 數(shù)及其變化情況 。 一旦這些。

26、問題解決了 ， 原則上任何場(chǎng)合都 可用有限單元法求出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力 、 位移狀態(tài) 。 第七節(jié) 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)計(jì)算方法 一 、 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 一 荷載 結(jié)構(gòu)模型的建立 主動(dòng)荷載模型 圖 5-24a 不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu) 在主動(dòng)荷載作用下可以自由變形，其計(jì)算原理和地面結(jié)構(gòu) 一樣。 主動(dòng)荷載加圍巖彈性約束模型 (圖 5-24b)。 認(rèn)為圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且由于圍 巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，圍巖還對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加被動(dòng)的 彈性抗力。 圖 5-24 荷載 結(jié)構(gòu)模型 二 作用 荷載 組成 采用荷載 結(jié)構(gòu)模型分析支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，其中最重 要的是圍巖的松動(dòng)壓力，支。

27、護(hù)結(jié)構(gòu)自重可按預(yù)先擬定的結(jié) 構(gòu)尺寸和材料容重計(jì)算確定。 三 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形 特點(diǎn) 隧道襯砌在圍巖壓力作 用下要產(chǎn)生變形 如圖 5-25 所示 。 在隧道拱頂 ， 其變形背 向圍巖 ， 不受圍巖的約束而 自由地變形 ， 這個(gè)區(qū)域稱為 “ 脫離區(qū) ” ；而在隧道的兩 側(cè)及底部 ， 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生朝向圍 巖的變形 ， 受到圍巖的約束 作用 ， 因而圍巖對(duì)隧道襯砌 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了約束反力 彈性 抗力 ， 這個(gè)區(qū)域稱為 “ 抗 力區(qū) ” 。 圖 5-25 隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn) 四 支護(hù)結(jié)構(gòu)的幾種計(jì)算方法 1、 主動(dòng)荷載模式 1 彈性固定的無鉸拱 適用于這類計(jì)算模式的 常有半襯砌 。 半襯砌拱圈的 拱。

28、矢和跨度比值一般是不大 的 ， 當(dāng)豎向荷載作用時(shí) ， 大 部分情況下 ， 拱圈都是向坑 道內(nèi)變形 ， 不產(chǎn)生彈性抗力 。 其結(jié)構(gòu)模型可以簡(jiǎn)化成圖 5- 26所示的彈性固定無鉸拱 ， 拱腳產(chǎn)生變位 ， 對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力 有影響 。 圖 5-26 彈性固定無鉸拱計(jì)算圖式 2 圓形襯砌 修建在軟土地 層中的圓形襯砌 ， 也常常按主動(dòng)荷載 模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算 。 承受的荷載主要有 土壓力 、 水壓力 、 結(jié)構(gòu)自重和與之相 平衡的地基反力 。 結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式示于 圖 5-27。 圖 5-27 圓形襯砌計(jì)算圖式 2、 主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式 1 假定抗力圖形 該法的計(jì)算特點(diǎn)是假定抗 力的分布范圍的分布規(guī)律 ， 如上。

29、 、 下零點(diǎn)和最大值的 位置 。 該法計(jì)算拱形襯砌 馬蹄形襯砌 的內(nèi)力的計(jì) 算簡(jiǎn)圖如圖 5-28所示 。 圖 中假定拱部正中為脫離區(qū) ， 以下為抗力區(qū) 。 圖 5-28 假定抗力圖形法 計(jì)算簡(jiǎn)圖 2局部變形地基梁法 局部變形地基梁法 由 納烏莫夫 首創(chuàng) ， 一般 用于計(jì)算直墻拱形初砌 的內(nèi)力 ， 計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 5-29所示 。 該法計(jì)算拱形直墻 襯砌內(nèi)力的特點(diǎn)，是將 拱圈和邊墻分為兩個(gè)單 元分別進(jìn)行計(jì)算，而在 各自的計(jì)算中考慮相互 影響。 圖 5-29 局部變形地基梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖 3彈性支承法 利用彈性支承法計(jì)算隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的基本思想是 采用符合 “ 局部變形原理 ” 的彈簧來模擬隧道圍巖 。

30、， 而將 襯砌與圍巖所組成的隧道結(jié)構(gòu)體系離散化成有限個(gè)襯砌單 元和彈簧單元所組成的組合體 。 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解該 體系即可求得襯砌內(nèi)力 。 五 隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算 1、 按破損階段法或容許應(yīng)力法 算出襯砌內(nèi)力后 ， 還須進(jìn)行隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算 。 根 據(jù) 隧規(guī) 規(guī)定 ， 隧道襯砌和明洞按按破損階段檢算構(gòu)件截面 強(qiáng)度時(shí) ， 根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合 ， 在計(jì)算中應(yīng)選用不同 的安全系數(shù) ， 安全系數(shù)可根據(jù)表 5-7及表 5-8選用 。 圬工種類 混凝土 砌 體 荷載組合 主要荷 載 主要荷 載 附 加荷載 主要荷 載 主要荷 載 附 加荷載 破 壞 原 因 混凝土或砌體達(dá)到 抗壓強(qiáng)度極。

31、限 2.4 2.0 2.7 2.3 混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng) 度極限 3.6 3.0 - - 表 5-7 混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù) 2、 按概率極限狀態(tài)法 根據(jù)極限狀態(tài)法計(jì)算出地下結(jié)構(gòu)上作用的荷載組合 ， 計(jì) 算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力要以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度 。 采用 以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 該方法規(guī)定整個(gè)結(jié)構(gòu)或 結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一 功能要求 ， 此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài) ， 極限狀態(tài)可 以分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài) 。 承載能力極限狀態(tài) 是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力 或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的較大變形的極限狀態(tài)； 正常使用極限狀態(tài) 是。

32、指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到使用功能上允 許的某一限值的極限狀態(tài) 。 二 、 巖體力學(xué)方法 在隧道結(jié)構(gòu)體系中，一方面圍巖本身由于支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了 一定的支護(hù)抗力，而引起它的應(yīng)力調(diào)整，從而達(dá)到新的穩(wěn)定； 另一方面由于支護(hù)結(jié)構(gòu)阻止圍巖變形，也必然要受到圍巖給予 的反作用力而發(fā)生變形。這種反作用力和圍巖的松動(dòng)壓力極不 相同，它是支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同變形過程中對(duì)支護(hù)施加的壓力， 故可稱為 “ 形變壓力 ” 。 目前對(duì)于這種模型求解方法有 解析法 、 數(shù)值法 、 特征曲線法 三 種 。 1、 解析法 該方法根據(jù)所給定的邊界條件，對(duì)問題的平衡方程、幾何 方程和物理方程直接求解。 2、 數(shù)值方法 對(duì)于幾何形狀和圍巖初始應(yīng)力。

33、狀態(tài)都比較復(fù)雜的隧道 ， 一般 需要采取數(shù)值方法 ， 尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特性時(shí) 。 該方法主要是指有限單元法 ， 它是把圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)都劃分為單 元 ， 然后根據(jù)能量原理建立起整個(gè)系統(tǒng)的虛功方程 ， 也稱 剛度方 程 ， 從而求出系統(tǒng)上各節(jié)點(diǎn)的位移以及單元的應(yīng)力 。 1計(jì)算范圍的選取 無論是深埋或淺埋隧道都屬于半無限空間問題 ， 簡(jiǎn)化為平面 應(yīng)變問題時(shí) ， 則為半無限平面問題 。 實(shí)踐證明 ， 隧道開挖僅僅對(duì) 一定的有限范圍內(nèi)才有明顯的影響 ， 在距開挖部位稍遠(yuǎn)一些的地 方 ， 其應(yīng)力變化是微不足道的 。 平面有限元分析時(shí)的計(jì)算范圍可 取為 6 10倍的隧道寬度 。 此外 ， 根據(jù)。

34、對(duì)稱性的特點(diǎn) ， 分析區(qū)域 可以取一半 一個(gè)對(duì)稱軸 或 1/4兩個(gè)對(duì)稱軸 。 2單元類型的選擇 圍巖和混凝土為勻質(zhì) 、 各向同性的粘彈塑性材料 ， 一般采用 四邊形等參單元 和 退化的三角形單元 模擬；對(duì)噴射混凝土層和錨 桿可采用 桿單元 模擬 ， 并用特殊粘結(jié)單元模擬錨桿與圍巖之間相 互聯(lián)結(jié) ， 錨桿與圍巖之間的聯(lián)系狀態(tài)是剛塑性的；對(duì)防水層可采 用有厚度的 夾層單元 模擬 。 3分部開挖的力學(xué)模擬 隧道開挖在力學(xué)上可以認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)力釋放和回彈變形問題 。 當(dāng)隧道開挖后 ， 圍巖中的部分初始地應(yīng)力得到釋放 ， 產(chǎn)生了向隧 道內(nèi)的回彈變形 ， 并使圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生重分布隧道周邊 成為自由表面。

35、 ， 應(yīng)力為零 。 為了模擬開挖效應(yīng) ， 求得開挖隧道后 圍巖中的應(yīng)力狀態(tài) ， 可以將開挖釋放掉的應(yīng)力作為等效荷載加在 開挖后坑道的周邊上 。 3、特征曲線法 特征曲線法也稱為“ 收斂 約束 ”法，是用圍巖的支 護(hù)需求曲線和支護(hù)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)給曲線以求得達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。 特征曲線法的基本原理是隧道開挖后，如無支護(hù)， 圍巖必然產(chǎn)生向隧道內(nèi)的變形 收斂 。施加支護(hù)以后，支 護(hù)結(jié)構(gòu)約束了圍巖的變形 約束 ，此時(shí)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)一 起共同承受圍巖擠向隧道的變形壓力。 4支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 三 、 以圍巖分級(jí)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 在大多數(shù)情況下，隧道支護(hù)體系還是依賴 “ 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) ” 的， 并在實(shí)。

36、施過程中，依據(jù)量測(cè)信息加以修改和驗(yàn)證。 我們大致上可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí) ， 需要注 意的幾點(diǎn)的原則是 首先對(duì)隧道圍巖要有一個(gè)正確的分級(jí) 在各類巖體中 ， 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)大體是按下述原則選用的 在施工中應(yīng)盡量少損害圍巖 ， 使其盡量保持原有巖體的強(qiáng)度 ， 因此 ， 應(yīng)采用控制爆破技術(shù) 。 預(yù)計(jì)有大變形和松弛的情況下 ， 開挖面要全面防護(hù) 包括正 面 ， 使之有充分的約束效應(yīng) ， 在分臺(tái)階開挖時(shí) ， 上半斷面進(jìn)深 不宜過長 ， 以免影響整個(gè)斷面的閉合時(shí)間 。 二次襯砌通常是模筑的 ， 在修二次襯砌之前要設(shè)防水 層 ， 形成具有防水性能的組合襯砌 。 允許甚至希望巖石出現(xiàn)一定的變形 ， 以。

37、減少為完成支 護(hù)作用所需的防護(hù)措施 ， 制定詳細(xì)周密的量測(cè)計(jì)劃 。 通過量測(cè) ， 確定所建立的 支護(hù)阻力是否和圍巖類型相適應(yīng)以及還需要什么樣的加 強(qiáng)措施等 。 支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工順序與正確地掌握巖體的時(shí)間效應(yīng) 很有關(guān)系 。 四 、 監(jiān)控設(shè)計(jì)方法 由于地下結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)極其復(fù)雜 ， 自 50年代以來 ， 國際 上就開始通過對(duì)鐵路隧道的量測(cè)來監(jiān)視圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài) ， 并應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果修改設(shè)計(jì) 、 指導(dǎo)施工 。 監(jiān)控設(shè)計(jì)通常包括兩個(gè)階段施工前預(yù)設(shè)計(jì)階段和修正設(shè) 計(jì)階段 。 監(jiān)控設(shè)計(jì)的 主要環(huán)節(jié) 包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 、 數(shù)據(jù)處理 、 信息反 饋三個(gè)方面 。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)包括制定監(jiān)測(cè)方案 、 確定測(cè)試內(nèi)容 、 選擇測(cè)試手段 、 實(shí)施監(jiān)測(cè)計(jì)劃 。 數(shù)據(jù)處理包括原始數(shù)據(jù)的整 理 、 明確數(shù)據(jù)處理的目的 、 選擇處理方法 、 提出處理結(jié)果 。 信 息反饋包括反饋方法 理論反饋與經(jīng)驗(yàn)反饋 和反饋的作用 修 改設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工 。 。

總結(jié)

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