隧道力学第1讲
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隧 道 力 学
本课程讲授的主要内容
•第一章 •第二章 •第三章 •第四章 •第五章 •第六章 •第七章 •第八章 绪论 围岩的基本力学性质 岩体的初始应力场 隧道施工力学效应 隧道结构类型及构造 围岩与支护结构的相互作用 隧道支护结构设计计算方法 隧道稳定性分析
第一章
绪wenku.baidu.com论
•隧道的概念与工程特点 •隧道施工方法简介 •隧道力学及其主要研究内容 •隧道力学的发展简介
表2-1-2 《铁路隧道设计规范》中岩性分类
代表岩性 岩石类型 硬质岩 极硬岩 硬岩 软质岩 较软岩 未风化 ~ 微风化花岗岩、片麻岩、闪长岩、石英岩、硅质灰岩等、 钙质胶结砂岩或砾岩等。 微风化的极硬岩；未风化或微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、 灰岩、白云岩、钙质胶结的砂岩、结晶颗粒较粗的岩浆岩等。 强风化的极硬岩；弱风化的硬岩；未风化或微风化的云母片岩、千 枚岩；砂质泥岩、钙泥质胶结的粉砂岩和砾岩、泥灰岩、泥岩、凝 灰岩等。
碳酸盐建造 灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、纯大理岩、硅质灰岩、硅质白云岩、 岩组 泥质白云岩、白云岩等。 变质岩建造 岩组 岩浆岩建造 岩组 ①坚硬变质岩组，如混合岩、片麻岩等；②坚硬软弱相间的片岩、 板状变质岩组，如片岩、板岩、千枚岩等。 坚硬的各种侵入岩组、坚硬层状中酸性喷出岩组、坚硬具有气孔的 块状玄武岩组和软硬相间的层状火山碎屑岩组等。 20% 13%
4
浅埋暗挖 软弱地层 法
机械化程度低， 对地面干扰小， (1)发展可靠的浅层地基处理技术； 劳动强度高， 造价较高， 洞内施工环 (2)小型灵活的地下开挖机械； 便于小型机 境恶劣、风 (3)采用可靠的临时支护措施和机具 具作业 险大
5
盾构法 城市软弱地层
(1) 开发适用不同地质条件、自动更换刀盘 对地面影响小， 设备复杂，价格 的气压、土压、泥水平衡盾构，超前探 机械化程度 测排障技术； 昂贵，施工 高，安全， 工艺繁琐， (2)采用钢纤维挤压混凝土衬砌； 工人劳动强 需专业施工 (3) 开发三维仿真计算机管理系统，管理信 度低，进度 队伍 息化，自动化； 快 (4)研制自动导向，中途对接异型盾构
一、
隧道的概念及工程特点
1 隧道的概念
狭义定义：用以保持地下空间作为交通孔道的工 程建筑物。
广义定义：以某种用途，在地面下用任何方法按 规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。
2 隧道体系的构成
按不同的分类方式不同的分类方法： 隧道体系： 围岩 支护
围岩：隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内 的岩（土）体，或指隧道开挖后对其稳定性产生 影响的那部分岩（土）体。 支护：初期支护和二衬，起作用主要是“支”和 “护”
• 结构面：是指具有极低的或没有抗拉强度的不
连续面，包括一切地质分离面。
• 岩体：作为岩块和各种结构面共同组成的综合
体。
二、围岩的地质分类
1、岩质围岩岩性分类
表2-1-1 各类岩组的代表岩性及其分布比例 代表岩性 岩组类别 碎屑岩建造 岩组 砾岩、砂岩、粘土岩、页岩等。 65% 该岩组在隧道中 分布比例
3 隧道工程特点
•赋存条件的复杂性 •结构体系本体的不确定性 •围岩稳定程度对隧道结构安全性影响极大 •结构荷载的不确定性 •施工过程因素对隧道结构安全和洞室稳定影响重 大 •建成后改建和维修难度大
二、隧道施工方法
隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施 工技术和施工管理的总称。
矿山法 (钻爆法 ) 山岭隧道施工方法 掘进机法 明挖法 盖挖法 隧道施工方法 浅埋及软土隧道施工方 法 浅埋暗挖法 盾构法 沉埋法 水底隧道施工方法 盾构法
基础，并综合吸收了土力学、工程地质力学、弹 塑性理论、流变力学以及建筑材料等基础领域的 最新成果。
• 研究内容
•
•
• • •
工程地质体的研究 围岩稳定性的研究 围岩与支护结构的相互作用 支护结构体系的评价 隧道体系施工过程的时空演化问题
重点、难点内容
1.隧道的定义。 2.隧道的工程特点？ 3.常见的施工方法
作业题
1.简述隧道的概念及其工程特点。 2.简述隧道施工的常用方法及其适用性。
第二章 围岩的基本力学性质
• • • • 岩石的基本力学性质 岩石的流变特性 岩石的强度理论 岩体的基本力学性质
第一节 概述
一、基本概念 • 岩石：是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的
规律聚集而成的自然物体。按地质成因类型可分 为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。
占用航道，要有 专门的驳船、 速度快，隧道 下沉、对接 (1)实现大型涵管制作及驳运技术； 断面大 机具，水下 (2)实现水下定位、对接、防水技术 作业，风险 大 速度快，机械 造价高，技术复 化程度高， 杂，刀具易 安全，对地 磨损 面无干扰 (1)开发国产高性能掘岩机； (2)改进高强合金刀具； (3)完善后配备系统； (4)改进超前不良地质探测与加固系统
6
沉管法 跨越江河湖海
7
掘进 机法
坚硬岩石地质
三、隧道力学及其主要研究内容
• 隧道力学：主要是研究隧道体系（包括围岩和
支护结构）力学行为的一门学科，是探讨在隧道 修建过程乃至使用过程中，当其周围物理、力学 环境（包括力场、温度场、地下水等）发生变化 后，隧道体系作出响应的一门力学分支。
• 力学基础：以岩体力学和结构设计原理为主要
1
施工场地要开阔， 明挖法 附近建筑物较少， 地层为软岩或土体
2
施工地段交通繁忙， 占用场地时 要求阻断交通时间 间短，对地 盖挖法 短，多用于城市浅 面干扰小， 埋隧道 安全
3
钻爆法
施工地段为岩石或 坚硬土体
对地面干扰 小
(1)采用多臂钻孔台车，自动装药引 爆装置； (2)采用光面爆破，喷锚支护，监控 数据反馈指导设计和施工方法
放映
顶进法施工
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表1-2-1 常见隧道施工方法一览表 序 号 施工方 法 环境场地要求 优点 进度快，工 作面大，便 于机械和大 量劳动力投 入 缺点 破坏环境生 态，影响交 通，带来尘 土和噪声污 染 施工工序复 杂，交叉作 业，施工条 件差 机械化程度 低，劳动强 度高，环境 恶劣，风险 大 发展方向 (1)建立有效井点降水系统； (2)建立可靠的支撑系统； (3)实现大型土方机械、混凝土搅拌 及运输机械化 (1)建立合理的施工管理网络、交叉 施工和流水作业线； (2)采用地下小型施工机具； (3)将地下连续墙作为永久衬结构的 一部分；提高钻孔桩柱施工质量控制 和托换技术
本课程讲授的主要内容
•第一章 •第二章 •第三章 •第四章 •第五章 •第六章 •第七章 •第八章 绪论 围岩的基本力学性质 岩体的初始应力场 隧道施工力学效应 隧道结构类型及构造 围岩与支护结构的相互作用 隧道支护结构设计计算方法 隧道稳定性分析
第一章
绪wenku.baidu.com论
•隧道的概念与工程特点 •隧道施工方法简介 •隧道力学及其主要研究内容 •隧道力学的发展简介
表2-1-2 《铁路隧道设计规范》中岩性分类
代表岩性 岩石类型 硬质岩 极硬岩 硬岩 软质岩 较软岩 未风化 ~ 微风化花岗岩、片麻岩、闪长岩、石英岩、硅质灰岩等、 钙质胶结砂岩或砾岩等。 微风化的极硬岩；未风化或微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、 灰岩、白云岩、钙质胶结的砂岩、结晶颗粒较粗的岩浆岩等。 强风化的极硬岩；弱风化的硬岩；未风化或微风化的云母片岩、千 枚岩；砂质泥岩、钙泥质胶结的粉砂岩和砾岩、泥灰岩、泥岩、凝 灰岩等。
碳酸盐建造 灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、纯大理岩、硅质灰岩、硅质白云岩、 岩组 泥质白云岩、白云岩等。 变质岩建造 岩组 岩浆岩建造 岩组 ①坚硬变质岩组，如混合岩、片麻岩等；②坚硬软弱相间的片岩、 板状变质岩组，如片岩、板岩、千枚岩等。 坚硬的各种侵入岩组、坚硬层状中酸性喷出岩组、坚硬具有气孔的 块状玄武岩组和软硬相间的层状火山碎屑岩组等。 20% 13%
4
浅埋暗挖 软弱地层 法
机械化程度低， 对地面干扰小， (1)发展可靠的浅层地基处理技术； 劳动强度高， 造价较高， 洞内施工环 (2)小型灵活的地下开挖机械； 便于小型机 境恶劣、风 (3)采用可靠的临时支护措施和机具 具作业 险大
5
盾构法 城市软弱地层
(1) 开发适用不同地质条件、自动更换刀盘 对地面影响小， 设备复杂，价格 的气压、土压、泥水平衡盾构，超前探 机械化程度 测排障技术； 昂贵，施工 高，安全， 工艺繁琐， (2)采用钢纤维挤压混凝土衬砌； 工人劳动强 需专业施工 (3) 开发三维仿真计算机管理系统，管理信 度低，进度 队伍 息化，自动化； 快 (4)研制自动导向，中途对接异型盾构
一、
隧道的概念及工程特点
1 隧道的概念
狭义定义：用以保持地下空间作为交通孔道的工 程建筑物。
广义定义：以某种用途，在地面下用任何方法按 规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。
2 隧道体系的构成
按不同的分类方式不同的分类方法： 隧道体系： 围岩 支护
围岩：隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内 的岩（土）体，或指隧道开挖后对其稳定性产生 影响的那部分岩（土）体。 支护：初期支护和二衬，起作用主要是“支”和 “护”
• 结构面：是指具有极低的或没有抗拉强度的不
连续面，包括一切地质分离面。
• 岩体：作为岩块和各种结构面共同组成的综合
体。
二、围岩的地质分类
1、岩质围岩岩性分类
表2-1-1 各类岩组的代表岩性及其分布比例 代表岩性 岩组类别 碎屑岩建造 岩组 砾岩、砂岩、粘土岩、页岩等。 65% 该岩组在隧道中 分布比例
3 隧道工程特点
•赋存条件的复杂性 •结构体系本体的不确定性 •围岩稳定程度对隧道结构安全性影响极大 •结构荷载的不确定性 •施工过程因素对隧道结构安全和洞室稳定影响重 大 •建成后改建和维修难度大
二、隧道施工方法
隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施 工技术和施工管理的总称。
矿山法 (钻爆法 ) 山岭隧道施工方法 掘进机法 明挖法 盖挖法 隧道施工方法 浅埋及软土隧道施工方 法 浅埋暗挖法 盾构法 沉埋法 水底隧道施工方法 盾构法
基础，并综合吸收了土力学、工程地质力学、弹 塑性理论、流变力学以及建筑材料等基础领域的 最新成果。
• 研究内容
•
•
• • •
工程地质体的研究 围岩稳定性的研究 围岩与支护结构的相互作用 支护结构体系的评价 隧道体系施工过程的时空演化问题
重点、难点内容
1.隧道的定义。 2.隧道的工程特点？ 3.常见的施工方法
作业题
1.简述隧道的概念及其工程特点。 2.简述隧道施工的常用方法及其适用性。
第二章 围岩的基本力学性质
• • • • 岩石的基本力学性质 岩石的流变特性 岩石的强度理论 岩体的基本力学性质
第一节 概述
一、基本概念 • 岩石：是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的
规律聚集而成的自然物体。按地质成因类型可分 为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。
占用航道，要有 专门的驳船、 速度快，隧道 下沉、对接 (1)实现大型涵管制作及驳运技术； 断面大 机具，水下 (2)实现水下定位、对接、防水技术 作业，风险 大 速度快，机械 造价高，技术复 化程度高， 杂，刀具易 安全，对地 磨损 面无干扰 (1)开发国产高性能掘岩机； (2)改进高强合金刀具； (3)完善后配备系统； (4)改进超前不良地质探测与加固系统
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沉管法 跨越江河湖海
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掘进 机法
坚硬岩石地质
三、隧道力学及其主要研究内容
• 隧道力学：主要是研究隧道体系（包括围岩和
支护结构）力学行为的一门学科，是探讨在隧道 修建过程乃至使用过程中，当其周围物理、力学 环境（包括力场、温度场、地下水等）发生变化 后，隧道体系作出响应的一门力学分支。
• 力学基础：以岩体力学和结构设计原理为主要
1
施工场地要开阔， 明挖法 附近建筑物较少， 地层为软岩或土体
2
施工地段交通繁忙， 占用场地时 要求阻断交通时间 间短，对地 盖挖法 短，多用于城市浅 面干扰小， 埋隧道 安全
3
钻爆法
施工地段为岩石或 坚硬土体
对地面干扰 小
(1)采用多臂钻孔台车，自动装药引 爆装置； (2)采用光面爆破，喷锚支护，监控 数据反馈指导设计和施工方法
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表1-2-1 常见隧道施工方法一览表 序 号 施工方 法 环境场地要求 优点 进度快，工 作面大，便 于机械和大 量劳动力投 入 缺点 破坏环境生 态，影响交 通，带来尘 土和噪声污 染 施工工序复 杂，交叉作 业，施工条 件差 机械化程度 低，劳动强 度高，环境 恶劣，风险 大 发展方向 (1)建立有效井点降水系统； (2)建立可靠的支撑系统； (3)实现大型土方机械、混凝土搅拌 及运输机械化 (1)建立合理的施工管理网络、交叉 施工和流水作业线； (2)采用地下小型施工机具； (3)将地下连续墙作为永久衬结构的 一部分；提高钻孔桩柱施工质量控制 和托换技术