隧道毕业设计应该考虑应力释放的影响-外文翻译

隧道设计应该考虑应力释放的影响

Van-hung DAO

1.水利水电工程学院、河海大学、南京210098,中国

2.教师的液压结构,水的资源,越南河内大学

摘要:在隧道设计中，支护时间的确定和刚性的支护体系对于维持隧道稳定是非常重要的，该研究所采用的收敛-约束法来确定的隧道的应力和位移，同时考虑到了地基承载力反压力曲线的位移、应力释放的影响以及隧道衬砌和岩石隧道周边洞室的相互作用，这个结论可以确定支护的时间和支护结构的强度和刚度。这种方法曾适用于越南义安省本卫水力发电厂引水隧道。结果表明，当位移在0.0865 米到0.0919 米之间时取一个合适的位移值，我们就可以通过架设支护结构来满足隧道的稳定性和经济的要求。

关键词:隧道；支撑结构；稳定性；反压力曲线；应力释放效果

1引言

岩石在自然环境中，特别是在深部地层当中，常常受到上部地层和重力的影响，由于这些因素的影响在岩体当中二次应力的发展是非常复杂，难以界定的。隧道开挖过程中，一部分的岩石通常会受到来自隧道洞顶岩石的去除而产生的力-拉应力，有时拉应力会相当高，都会在隧道围岩的周边产生，由于岩石开挖洞周应力的释放会导致周边围岩的变形，从三向应力状态转变为双向应力状态。在隧道施工过程中，架设支护结构的目的是为了提高和维持岩体的自承能力，以最大程度的发挥岩体的承载能力，并且在岩体内产生有利于发展的内应力场。

1938年，芬纳进行了上部地层和水力结构相互作用方面的研究，并发现了基础的特殊变化曲线和弹塑性介质的解决方案。1963年，Pacher进行了同样的研究，并取得了同样的结果。当隧道设计考虑上部地层和水工结构之间的相互作用时，其结果采用新奥法(NATM) 施工和实际结构是比较适合的。此外，在隧道设计中，隧道衬砌和洞室周围地层之间的相互作用，以及相应的地基反压力曲线，通常被考虑在内(Panet和Guenot1982; Panet1995年)。在隧道设计中收敛-约束法通常被认为是有效的。2007年，在越南Nguyen通过研究改变地下水压力载荷，从而影响隧道衬砌的结构，在同一年，Vu和Do也采用收敛-约束的方法对隧道进行设计计算，并假定为初始变形值。

根据Fenne(1938年)和Pacher(1963年)的研究，如果一个刚性支撑结构②(如图1) 架设的比较及时，会因为开挖洞室周围变形不够大而先达到平衡，之后它将会有更大的承载能力。在曲线外的C点(如图1)，岩石性质将变为非线性(塑性)。当支护结构①安装后产生了一定的位移(A点)，则该体系达到与对隧道衬砌

较小的均衡负载，之后围岩开始松动，曲线将达到其最低值(如图1中B点)，而隧道衬砌压力则增加的非常快。如果使围岩变形得到适度发展后施做支护结构，则作用在支护结构上的压力将达到最小值，将不会导致隧道的失稳。

图1所示:

图1:根据Fenner(1938)and Pacher(1963)得出围岩和支护特征曲线

式中:

P-支护压力;

i

-径向应力;

Δ r -径向位移;-隧道半径;

-为外衬砌的支护抗力;

-为外衬砌的支护抗力。

这项研究证实了收敛-约束法在考虑地层反压力曲线、应力释放效应以及隧道衬砌和洞周隧道洞室相互作用条件下，可以确定隧道的应力和位移。

2地层结构模式

2.1地基反作用力曲线下的应力计算

事实上，静水压力也就是初始应力(侧压力系数为1)，洞周开挖的支护半径用表示，如图1所示(Hoek and Brown 1980)，塑性区半径的假设条件是依据初始应力场的大小o p、支护压力i p和岩石材料的特性而定。

图2隧道洞周弹塑性应力分布图

塑性区内的应力计算公式：

2sin 1sin (cot )cot (1)c re i r gH C C r ϕϕσρϕϕ-⎛⎫=+- ⎪⎝⎭

其中:-岩石密度

g -重力加速度

H -洞室埋深

C -岩石的内聚力

-岩石内摩擦角

弹性区内的应力计算公式 (r≥r e ):

（2）

其中: -径向应力;

-切向应力;

r -洞周地层任意点离洞室中心的距离;

塑性区内的应力计算公式 (r i ≤ r≤r e ):

（3）

(摩尔应力圆) (塑性区) (弹性区) (1) (2)

其中: 隧道的径向变形:

（4）

其中:G-岩体的剪切模量以及

（5）

其中:γ -岩石的泊松比;

-岩石剪切滑移面的倾角;

2.2隧道洞周沿轴线方向上的径向位移和应力释放系数

在掌子面和未开挖岩石的影响下，未加固围岩的最大径向位移max u 在距离掌

子面只有仅仅的一段距离(通常实验测量结果是1.532i r )。在现场实测数据的基础上，两位研究人员通过量测半径为的隧道，建立了U r /U rmax 和距离隧道掌子面距离x 之间的关系，如图3中 所示的弹性模型。1995年Panet 建议采用如下的系数公式，来表示U r /Urmax 和X 之间的关系:

（6）

其中: -应力释放系数; 公式(6)适用于x 为正值(即前方的掌子面)，如图4所绘。

1998年，Chern 在Mingtam 电力隧道工程中，做出了在隧道洞穴附近收敛量测值一览表，根据这些测量的数据绘制在图4所对应的点上，1999年Hock 建议采用如下的经验公式，来最恰当的表示U r /Urmax 和X 之间的关系:

(7)

图3 表示未支护隧道 的径向位移

图4从弹性模型派生的最适合隧道测量的数据曲线

2.3支护结构特征曲线

特性曲线显示了支护结构的支撑性能(如混凝土、喷射水泥砂浆、岩石锚杆和型钢)，它是根据支护压力和径向位移之间的线性关系，并应用到了沿隧道单位长度轴线方向上的支护区域。