第五章隧道结构体系

0 z
0x
(a)
{ }0 , { u }0
1
1 n
{ }1, { u }1
2
2 r
{ }2= { }0+ { }1 { u }2 = { u }1
(b)
(c)
(d)
图5-1 隧道开挖所经历的力学过程模拟
对于自重应力场中的深埋隧道，常常将它的围岩初始应力 场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一 样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即
f 2, R1 0 (5-1)
F u2, R2
0
式中的 R 1 、R 2 是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特
定指标。
第五章隧道结构体系
▪ 设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应
力状态 3 和位移场u 3，以及支护结构的内力M 和位移 。
▪ 判断支护结构安全度的准则，一般可写成： (5-2)
❖ 在塑性岩体中，稳定的丧失是由于塑性变形的结果，岩体产 生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。
第五章隧道结构体系
第三节 隧道围岩与支护结构的共同作用
一、收敛和约束的概念
开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生 位移，这种位移我们称之为收敛。若岩体强度高，整体性好、 断面形状有利，岩体的变形到一定程度，就将自行停止，围 岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导 致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在开挖后适 时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形 成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并产 生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩 和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围 岩应力之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道 结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态。
三、无支护坑道的稳定性及其破坏
坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中，在不设任何 支护情况下所具有的稳定程度。
第五章隧道结构体系
无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式：
❖ 由于破碎岩体的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而多 在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌；
❖ 由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强度破坏 而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中，且在多数情况下，岩 体破坏从坑道侧壁开始，同时岩体的破坏和位移也可能发生在 顶部和底部；
第五章 隧道结构体系设计 原理与方法
第一节 概 述
隧道的结构体系是由围岩和共同组成的。其中围岩是 主要的承载元素，支护结构是辅助性的，但通常也是必不可 少的，在某些情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按 现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。
第五章隧道结构体系
隧道开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力 状态；开挖隧道后引起了围岩应力的重分布，同时围岩 将产生向隧道内的位移，形成了新的应力场，称之为围 岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆 破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果 隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从 隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的 应力状态，促使其稳定，这就是三次应力状态。显然这 种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三 次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结 构，这样，这个力学过程才告结束。
第五章隧道结构体系
要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的 问题：
▪ 围岩的初始应力状态，或称一次应力状态 0 , 这部分内
容已在第四章中作了介绍；
▪ 开挖隧道后围岩的二次应力状态 2 和位移场 u 2；
Hale Waihona Puke Baidu
、 ▪ 判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围
岩稳定性准则。一般可表示为：
z H c
x
z
式中 H c 为隧道中心点的埋深，以m计， 是围岩的侧压力
系数，无量纲。
第五章隧道结构体系
根据弹性力学原理，这个 问题的求解还可以简化为 不考虑体积力的形式，而 用在有孔无限平面(无重的) 无穷远边界上作用有垂直 均布荷载和水平荷载的形 式来代替，如图5-2所示。
r
Z A
r 0
H C HC
X
图5-2 力学模型
由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深 的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时，其误差可以忽略不 计。
第五章隧道结构体系
二、隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状 态
塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成 的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性 质。此时，应力即使不增加，变形仍继续。当围岩内应力超 过围岩的抗压强度后，围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的 围岩向隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛，其物理力学 性质也发生变化。
另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应采 用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。
坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变 形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护 阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响 。
第五章隧道结构体系
二、坑道支护后的围岩应力状态及位移状态
隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：
一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的，隧道围岩除 因爆破、地质状态、施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外， 是稳定的，在这种情况下，坑道是稳定的，原则上无需支护，即 使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土；
故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与 初始应力相等的释放应力。用0 弹性力学方法计算带有孔洞
的无限平面在释放应力作用下的应力 和位 1移 。u而1 真实
的围岩二次应力场及位移场为：
2 0 1
u2 u1
模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表示。
第五章隧道结构体系
A
0
n
B 0
B A
f1M, K1 0 F2, K2 0
式中的 、 是支护结构材料的物理力学参数。
K1 K2
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第二节 围岩的二次应力场和位移场
一、隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态
计算围岩的二次应力场和位移场，首先推算隧道开挖
前围岩的初始应力状态 0，以及与之相适应的位移场 u0 。
隧道开挖后，因其周边上的径向应力 n 和剪应力 都为零，