隧道及地下工程的基本问题及其研究进展

隧道围岩力学特性及其载荷效应
图9 中载荷上限包络线各组深层围 岩结构层失稳后支护所受最大载荷的 变化情况，可由计算获得；载荷下限 包络线则表示结构层尚未失稳时的支 护最小载荷，与结构体系的刚度有关. 实际工程中的支护结构载荷理论上都 在上述网格区域，据此可获得不同围 岩条件下的围岩特性曲线.
隧道围岩力学特性及其载荷效应
保持整体变形协调 . 一方参数
的变化对另一方具有依赖性， 不同支护形式之间相互叠加等. 支护与围岩作用体系中任何构
件的失效都有可能导致整个体
系的失稳，须综合考虑.
支护与围岩的动态作用关系
3.2 隧道支护与围岩动态作用过程
四个阶段：
A. 围岩超前缓慢变形阶段. 这时围岩受到约束,变形得到
一定的遏制，发展缓慢。
以外, 整体稳定性较好而且能够承担地
层载荷的围岩则为深层围岩.若对深层 围岩采取及时有效的支护和干预则可
保持其稳定性. 显然，隧道围岩通常是
由浅层围岩和深层围岩复合而成.
隧道围岩力学特性及其载荷效应 由于地层条件以及工程扰动效应的 复杂性，围岩失稳具有显著的突发性 和阶段性特点，如图5 所示. 数值试 验中不同阶段的围岩垮落高度见图6. 每组围岩失稳后都将保持相对较长时 间的平衡. 突发性表明了围岩变形破坏发展由量 变到质变的累积过程，而阶段性则显
2.4 复杂隧道围岩稳定性及载荷特 点Байду номын сангаас
复合拱的破坏形式
上部垮落：在拱脚完好的前提下，复合
拱结构承载主体向上移动，承载结构相 较于初始状态更加稳定，塌方程度会阶 段性趋缓，并最终稳定. 拱脚失稳：相当于拱结构的跨度增大， 由于稳定的拱结构具有特定的高跨比， 因此最终稳定状态的拱结构范围将大于 拱顶破坏模式下的范围，复合拱拱脚会 向两侧移动，之后，续随着上部围岩的 破坏，高度再向上移动.
然是围岩失稳和破坏的分组性特点，
而处于同一组的围岩具有本质的共性 特点.
隧道围岩力学特性及其载荷效应
2.3 隧道围岩荷载的确定
对于复合隧道围岩，其载荷效应主要由两部分组成，即浅层围岩的“给定载荷” 和 深层围岩的“形变载荷”.复合围岩的载荷效应主要取决于浅层围岩的范围和对深层围 岩变形的控制目标和标准.基于复合围岩基本载荷的理念，可利用图7 所示的计算模型 对支护反力进行分析.
结
4.从致灾机理层面提出了隧道施工安 全事故的3 种模式，针对极不稳定的 围岩, 建立了安全性分级的指标体系， 并给出了相应的分级方案.
THANKS
2.阶段特性. 支护-- 围岩体系
不同阶段的主导因素不尽相
同，导致重点问题和相应的 核心变量始终处于动态转移 和相互转化之中. 围岩变形、破坏与支护结构体 系的作用表现出明显的非线性 特点，两者变化发展的原则是
岩充分调动自承载能力，防止围岩坍
塌破坏，控制围岩变形；另一方面， 围岩载荷以及因其变形受到约束而产 生的反力作用于支护结构，造成结构 受载，这就要求支护结构具有足够的 强度和刚度，从而实现稳定.
4.1 隧道支护的基本作用
调动围岩承载
对于广义载荷来讲，主承载结
构是围岩自身，充分发挥围岩 的承载功能是隧道设计的基本 原则，最大限度地发挥围岩的
协助围岩承载
在某些围岩条件下仅靠调动
围岩自承载无法实现自行稳 定和平衡，这时便需要外部 结构的介入承担部分附加载
动态协调承载
在对隧道围岩的支护活动中，
调动和协助围岩承担的界限并 不十分明显，通常在时间上是 先调动后协助，在空间上则是
隧道及地下工程学科的基本问题
隧道围岩稳定性及其评价方法
围岩稳定性是指在一定的尺度和空间
条件下围岩能够自行稳定的时间，这显 然与围岩的结构是显著相关的.
隧道支护与围岩的动态作用关系
隧道围岩变形和破坏是一个复杂的过
程，通常始于掌子面前方，而在得到有 效支护以后其变形才趋于稳定，在此期 间, 各种不同形式的干预共同构成复合 支护结构体系，并实现协同作用.
4.2 隧道支护体系的协同作用
支护分工：
A. 超前支护——核心是防止严重的围岩超前破坏和冒顶
发生，对变形控制没有严格的要求。
B. 初期支护——核心作用是遏制围岩变形，也是控制围 岩稳定性的主体，通常应具有较高的刚度，对于复杂 围岩可在必要时施作多重支护。 C. 二次衬砌支护——多数条件下仅作为安全储备，通常 受载并不大，本质上对其刚度要求并不高。
环境失调类塌方事故
隧道施工引起地层的变形与破坏，
造成周边环境的变化，环境结构 与地层之间不协调而坍塌。
隧道及地下工程安全性分析
5.2 隧道及地下结构病害机理与控制
1.隧道结构病害特点
（1）隧道衬砌背后接触状态不良是隧道结构病害的 主要成因之一，并直接影响到隧道结构的安全性.衬 砌结构背后接触松散和空洞的存在是隧道支护与围岩 接触不良的主要表现形式，其实质就是在一定程度上
下部滑移：该模式对复合拱结构带来两
上述破坏模式对应于3 种不同的复合拱
个影响，其一为拱脚失去支撑条件而破
坏，其二为维持稳定的强力链不能构成 完整闭合环而发生重组. 以上两种影响 共同作用，导致拱结构同时在跨度和高 度上向外扩展.
失稳模式，其中后两种模式都带来拱脚
的破坏，拱脚破坏会使得复合拱结构跨 度增大，从而导致最终稳定状态范围比 第1 种情况更大，由此可以推断在围岩 稳定性控制过程中，拱脚的控制是关键，
隧道支护结构体系的动力响应
隧道结构动力响应的突出特点就是隧 道结构体系承受一种超常强度和规模的 外载作用，并且呈现周期性，而结构体 系的响应模式和程度则取决于隧道围岩、 支护结构以及两者的作用关系，这在某 种程度上也决定了动力作用的结果.
核心问题
围岩稳定性是最为关键的问题，也是 研究的重点，它一方面是其他两个问题 研究的基础，同时也是隧道及地下工程 的特色和难点，那么，对隧道围岩变形 破坏机制的研究和稳定性判别就显得尤 其重要和迫切.
B. 从掌子面前方围岩急剧变形到初期支护发挥作用。 C. 初期支护与围岩发生有效作用后，围岩变形得到控制， 同时围岩产生的形变压力使初期支护结构受力迅速增 大。 D. 在初期支护及超前支护与围岩的动态调整过程中隧道 围岩变形趋于稳定，这时已实现围岩稳定和安全。
04
隧道支护结构及其 协同作用
隧道支护结构及其协同作用
02
隧道围岩力学特性及其 载荷效应
隧道围岩力学特性及其载荷效应
2.1隧道围岩变形及破坏特性
在隧道施工影响下，围岩发生应力调 整和转移，通常伴随着变形与破坏. 随 着围岩变形的增大,破坏逐渐发展，围岩 失稳范围增大，出现不同形式的破坏[1]. 围岩变形先后经历4 个阶段，自掌子面 前方开始，依次为缓慢变形、急剧变形、 变形减缓和变形稳定，如图2 所示. 随
也是控制最终破坏范围的最有效手段.
03
支护与围岩的动态 作用关系
支护与围岩的动态作用关系
3.1 隧道支护与围岩作用的基本特 点
1.动态特性. 支护与围岩的相互作 用关系具有很强的时空相关性， 主要来源于隧道开挖及支护结构 的施作过程、围岩的流变特性和 混凝土材料的硬化特性. 3.协调特性. 支护与围岩是不可分割的 整体，一方面，支护可直接承载一部 分因隧道开挖而释放的应力或协助围
着变形的发展围岩破坏范围不断增大，
如图3 所示.
隧道围岩力学特性及其载荷效应
图3 隧道围岩破坏区的发展
隧道围岩力学特性及其载荷效应
2.2隧道围岩的复合结构特性
考虑松动区边界内外围岩稳定性的 差异性，可将隧道周边一定范围内丧
失整体稳定性而无法实现长期自稳的
松动区定义为浅层围岩，如图4 所示. 这部分围岩需要及时支护；在此范围
2.针对支护与围岩作用特点，提出了
总
动态作用过程的四阶段原理，明确了 每个阶段支护与围岩相互作用的内涵 和评价方法，由此可作为隧道设计的 依据。
3.提出隧道支护作用的本质就是调动 围岩承载和协助围岩承载的观点，分 别给出了相应的实现方式和评价方法， 建立了隧道广义支护结构的协同作 用模型，可实现围岩控制效果的优化.
2.隧道及地下结构安全评估与控制
在隧道衬砌结构状况评定指标体系中，既有定量指 标，又有定性指标，各指标之间不具备可比性.为了各 评定指标的统一性，提出了“隧道健康度” 的概念， 据此可描述隧道整体结构及其子结构达到预期使用功
恶化了支护与围岩的关系，由此直接或间接地造成各
种结构病害，严重时会危及到运营安全，这也是地下 结构普遍存在的问题。 （2）隧道漏水病害只有在隧道衬砌结构背后具有集 水条件和衬砌结构开裂(渗水通道) 两者同时发生时才 会形成，显然这两者均与结构背后的空洞有关.。 （3）隧道基地和道床结构的破损本质上也是支护与 围岩接触状态紧密相关。
05
隧道及地下工程安 全性分析
隧道及地下工程安全性分析
5.1 隧道及地下工程安全事故类型
围岩失稳类塌方事故
由于隧道围岩的超前失稳、破坏或
过度变形造成坍塌和冒顶，进而引 起掌子面的塌方事故。
结构失效类塌方事故
隧道支护结构不足以抵抗围岩的附
加载荷，支护与围岩的动态作用无 法达到平衡状态而造成支护结构失 效。
道围岩稳定性、支护与围岩的作用关 系以及支护结构体系的动力响应特点
等3 个方面，如图1 所示. 围岩稳定性
的分析和判别是隧道工程设计的基础， 支护与围岩动态作用关系的深化研究 是支护体系及其可靠性设计的前提， 而支护结构与围岩作用体系的动力响 应机制则是隧道结构抗震和耐久性设 计的保障.
图1 隧道及地下工程的基本问题
自承载能效率，是最为经济的
工程方案.
荷以实现围岩的整体稳定性
和平衡，这也是支护结构的 本质作用特征.
调动深层承载、协助浅层围岩
承载，而在实际作用过程中是 相互依赖和相互包含的，动态 协调是其相互作用的基本特征， 这也是支护与围岩关系复杂化 和作用结果具有不确定性的重 要原因.
隧道支护结构及其协同作用
能后的安全程度.
隧道健康度函数表达式： H = f (x1, x2,x3, ... , xn) 式中, H 为隧道健康度函数, 取值范围为[0,1]；x1, x2, x3, ... ; xn 为某评定指标现场检测值.
隧道及地下工程的基本问题及其研究进展
1.基于围岩的渐进破坏特点，提出了 复合隧道围岩的理念，并建立了隧道 围岩载荷的计算模型，可对不同围岩 条件下的支护结构载荷进行定量计算。
隧道及地下工程 的基本问题及其 研究进展
目录
01
隧道及地下工程学科的 基本问题 隧道围岩力学特性及其 载荷效应 支护与围岩的动态作用 关系 隧道支护结构及其协同 作用 隧道及地下工程安全性 分析
02
03
04 05
01
隧道及地下工程学科的 基本问题
隧道及地下工程学科的基本问题
隧道及地下工程的基本问题包括隧