隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述

整个支护体系的稳定性具有重要的理论意义，可以考虑较多的
初始条件和岩体及支护结构的特征，如无拉分析、粘弹性分析、
三维的空间效应分析等等。但这些分析都是在一定的前提之下
进行的，只有前提是正确的或者是可以接受的，计算结果才可能
是值得信赖的。数值方法中还包括边界元法和加权余量（残数）
法，但有限元法得到的应用较为广泛。
参考文献 ［1］ 太田定雄.铁素体系耐热钢［M］.张善元，张绍林，译.北京：
冶金工业出版社，2003. ［2］ 中国材料工程大典（第 3 卷）.钢铁材料工程（下）［M］.北京：
模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法， 其理论基础是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，20 世 纪 80 年代，国内许多学者作了大量的实验研究，谷兆琪教授等 （1981）进行了层状砂岩地下洞室稳定性的研究，朱维中、冯光北 等（1983，1984）研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度研究，杨淑
依靠结构和岩体之间的相互作用，关于隧道支护体系的岩
石力学计算方法，目前得到应用的主要有特征曲线法、剪切滑移
破坏法和数值分析法。
（1）特征曲线法。特征曲线法也称收敛—约束法，它的实质
是：决定隧道衬砌的变形特征曲线；决定岩体的变形特征曲线；建
立和求解隧道衬砌在岩体产生的荷载作用下的变形和岩体在衬砌
反作用的阻止下变形之间的协调平衡。这个方法主要决定于两个
从 19 世纪人类对松散地层（主要是土层）围岩稳定和围岩 压力理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典 压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性 力学理论。
实际工程中，隧道开挖后，由于卸荷作用使围岩应力进行重 分布，并出现应力集中，如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强 度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性状态，但局 部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而，研 究围岩稳定就不能不考虑塑性问题，芬纳（Fenner）—塔罗勃（Talo－ bre ．J）和卡斯特奈（Kaster． H）等给出了围岩的弹塑性应力图形。 1.4 数值计算方法
现场原位测试有钻探与室内试验无法替代的优点，因此在隧 道工程中日益受到重视和广泛应用。现场试验的研究数据不仅可 以为理论研究提供依据，而且可以直接指导实际工程。国内外的大 型工程、新型结构或特殊结构都积极采用现场原位测试的方法。
在隧道工程研究领域，现场原位试验主要包括以下几方面 的内容：地质和支护状态观察、周边位移拱顶下沉量测、围岩深 部位移量测、锚杆轴力量测、围岩与喷层接触压力量测、钢支撑 内力量测、模筑二次衬砌内力量测等。 2 隧道支护结构稳定性分析方法
2.2 岩石力学方法 岩石力学计算方法，就是把结构和周围岩体视为一体，作为
共同的承载体系—即相互作用模式或岩体—结构模式。这是目 前在隧道设计中力求采用和正在发展的方法。
隧道是由岩体和支护结构组成的结构体系，荷载主要来自岩 体，而这种结构体系的主要材料是由绝大部分的岩体构成的，混凝 土及其他支护材料只占很小部分。因此，岩体既是承载结构的一个 重要组成部分，也是构成承载结构的基本的建筑材料，它既是承 受一定荷载的结构体，又是造成荷载的主要来源，这种三位（荷 载、材料、承载单元）一体的特征与地面工程是完全不同的。
隧道围岩的稳定性分析主要包括隧道的整体稳定性分析和 局部块体的稳定性分析，分析方法大致可归纳为工程地质类比 法、岩体结构分析法、岩体稳定性力学分析法和模拟试验法等， 其中，模拟试验法包括物理模拟和数值模拟。 1.1 工程地质类比法
根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性和监测资料， 结合具有类似条件的已建工程，开展资料的综合分析和对比，从 而判断工程区岩体的稳定性。由大量工程实例总结出来的各级 围岩分类标准，如 RQD 分类（Deer，1969）、RMR 分类（Bieniawiski， 1973）、Q 系统分类（Barton，1974）、Z 系统分类（谷德振，1979），以 及我国的《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）等，都是工程地质 类比法在稳定性评价中的具体应用。这些围岩分类系统可以对 不同类型围岩按定量地给出其围岩压力值及支护衬砌的形式和 厚度，对于一般性工程隧道实现地下工程（结构）设计标准起到了 重要的作用，也是地质工程工作者的基本方法之一。 1.2 岩体结构分析法
如何进一步提高深埋特长隧道的设计与施工质量，是目前
急需解决的问题。解决这一问题的关键是要对深埋特长隧道的
开挖与支护过程进行研究，获取深埋特长隧道在不同围岩与支
护体系下的力学性状及其稳定性，为深埋特长隧道的设计与施
工提供依据和指导。
参考文献
［1］ 关宝树．隧道力学概论［M］．成都：西南交通大学出版社，
特征曲线，一个是围岩收敛曲线，它的确定与岩体的强度性质，应
力—应变动态及隧道的初应力场等有关；一个是支护结构的约束
曲线，它主要决定于支护结构的刚度、材料性质及支护类型。
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（2）剪切滑移破坏法。剪切滑移法进行支护结构设计是按下
述原则进行的：隧道周围出现塑性滑移楔体，造成支护结构的剪
切破坏；支护结构与围岩粘结紧密，两者共同工作，形成无弯矩
岩体不仅为一般材料，更重要的是本身就是一种复杂的地 质结构体，它具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条 件和边界条件，这使得岩体力学的问题通常无法用解析法简单 地求解，数值方法不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特征，也可 以方便地分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预 报，因此，数值分析方法是解决岩土体工程问题的有效工具之一。 常用的数值方法有：有限元法（FEM）、有限差分法（FLAC，FDM）、 离散元法（DEM）反分析法、边界元法（BEM）、不连续变形分析法 （DDA）、流形方法等，这些方法在地下洞室和边坡稳定等均有较 多的应用，取得了较好的效果。 1．5 模型试验
1993．
［2］ 杜守继．孙 钧，等．公路隧道复合支护机理的数值分析［G］
// 2001 年全国公路隧道学术会议论文集.北京：人民交通出
版社，2001．
［3］ 谷兆棋，等．地下洞室工程［M］．北京：清华大学出版社，
1994．
［4］ 夏才初，等．地下工程测试理论与监测技术［M］．上海：同济
大学出版社，1999．
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钢的抗拉强度 Rm 有所提高；另一方面，提高淬火温度同时会促 使奥氏体晶粒长大，从而使钢的屈服强度 Rp0.2、抗拉强度 Rm 下 降。另外，随着淬火温度的升高，碳化物的溶解量增加，特别是原 始组织中沿晶界分布的碳化物溶入奥氏体中，使晶粒间的结合 力提高，从而提高了钢的冲击韧度。
支护结构的力学行为是比较复杂的，因为它不仅仅决定于 支护结构本身的构造，而且与周围岩体的接触条件以及在施工 中出现的各种变异有关。在隧道支护结构设计及计算方法中，有 两种主要的理论分析方法：传统的结构力学方法和近代的岩石力 学方法。 2.1 结构力学方法
所谓的结构力学方法，就是给定荷载，荷载值与支撑的变形 性质和承载能力无关，实质上是把支护结构与周围岩体看成是 相互作用的两个方面，把围岩压力看作给定荷载，结构作为承载 结构，即结构—荷载模式，这就是我们目前在衬砌计算中采用 的，岩体的承载能力既考虑在给定荷载中，也考虑在支护结构和 围岩之间的相互作用上（以抗力形式出现），即荷载—结构—弹 性抗力模式。这种方法概念清晰，计算方便，目前被广泛采用。现 在我国隧道设计规范就采用“荷载—结构—弹性抗力”模式对衬 砌结构进行计算，并结合“工程类比法”和监控量测进行修正。
结构；由锚杆、钢支撑、喷混凝土等支护结构所提供的支护阻力
恰恰与塑性滑移楔体之滑移力达成平衡时所需要的。
剪切滑移破坏法是以构造岩体破坏形态决定支护体系承载
能力的，方法简单。但这种简化不是从空洞的推理而来的，而是
通过对工程破坏的考察和模型试验结构提出的，在实践中获得
较广泛的应用。
（3）数值分析法。数值分析法主要指有限单元法，它对分析
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伍华刚：隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述
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清教授等（1986）对鲁布格水电站地下厂房喷锚支护的效果进行 了试验研究，俞裕泰教授（1984）、杨奇（1985）等研究了分步开挖 对稳定性的影响，陈霞英等（1995，1996）采用模型试验的手段，对 酮群开挖全过程围岩的应力和位移分布也进行了深入研究，讨论 了围岩破坏过程以及安全度等问题。赖跃强、姜小兰（1998）采用地 质力学模型平面应变试验技术，模拟彭水枢纽地下厂房酮室围岩 的构造特点和力学性能，分析研究了主厂房、调压井在开挖过程中 的围岩应力、石同周位移、断层对酮室的影响及酮室变形破坏机 理等。孙世国等（2000）作了开挖对岩体稳态扰动与滑移机制的 模拟试验。可以说，用模型试验的方法对地下工程的研究，国内 外已经取得了不少的成绩，其理论与方法也已日臻完善。 1.6 现场原位测试
在岩体结构及其特性研究的基础上，考虑工程力作用方向
收稿日期：2010-05-14 作者简介：伍华刚，男，1959 年出生，1983 年毕业于云南广播 电视大学，工程师，550001，贵州省贵阳市云岩区中山东路 69 号
以及结构面与开挖临空面之间的空间组合关系，借助于赤平极 射投影分析法、实体比例投影分析法和块体坐标投影法进行图 解分析，从而判断岩体的稳定性。 1.3 力学分析法
掌子面围岩等级，并与设计资料进行对比，对不同级别不同地质条件下的围岩与支护结
构稳定性进行比较分析，总结围岩及支护结构稳定性分析的方法。
关键词：特长隧道；围岩；支护结构；稳定性分析
中图分类号：U452.1＋2
文献标识码：A
文章编号：1004-6429（2010）04-0072-03
随着深埋特长隧道的不断涌现，所遇到的问题也越来越多， 现行的设计与施工规范已不能满足设计与施工要求，虽然国内 外有关深埋特长隧道的研究成果不少，但由于深埋特长隧道地 形、地质条件复杂，设计制约因素多，并且常伴有断裂带、破碎 带、岩爆、突泥、涌水等地质灾害，给设计和施工带来了很大的盲 目性。加上深埋特长隧道埋深大、隧道长、地质条件复杂，使地质 勘察也不可能全面精确地探清每一段的具体情况，很多时候勘 察结果与隧道施工中实际遇到的地质条件相差很远，漏掉的一 些不良地质体给施工带来许多预想不到的困难。 1 公路隧道围岩稳定性分析方法
（1）材质为 ASTM A565 XM-32 的不锈钢随着淬火温度的 升高，各项指标均呈上升趋势，但当淬火温度超过 1 030 ℃时，抗 拉强度和冲击韧度逐渐降低。
（2）为得到良好的综合性能指标，回火保温时间不宜太长。 （3）试验证明，材料试棒的最佳热处理工艺为 1 030 ℃/1 h， 油淬，580 ℃/3 h，油冷，能够达到良好的综合性能指标。
山西科技 SHANXI SCIENCE AND TECHNOLOGY
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●应用技术
隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述
伍华刚
（贵州省交通规划勘察设计研究院，贵州贵阳，５５０００１）
摘 要：以隧道围岩与支护结构的相互关系为主要研究对象，以特长公路隧道围岩及支护结构
稳定性分析方法为依托，对隧道掌子面所揭露围岩岩体、结构特征进行调查、记录，分析
鉴于抗拉强度远超出指标要求，淬火温度 1 030 ℃不变，回 火温度提高 20 ℃重新回火，保温时间分别是 3 h 和 5 h。试验结 果显示，保温 3 h 抗拉强度仅降低了 30 MPa，其他指标没有明显
图 １ 淬火温度对力学性能的影响
变化；保温 5 h 则抗拉强度明显降低，因为随着回火时间的延长， 析出的碳化物逐渐聚集，形成粗大的铁素体加晶间碳化物组织， 使材料的强度和韧性均有所下降。 5 结论
［5］ 朱合华，等．新奥法技术与隧道结构的计算［J］．公路隧道，
1998（2）．
［6］ 易萍丽．现代隧道设计与施工［M］．北京：中国铁道出版社，
1997：264－275．
［7］ 王建宇．隧道工程的技术进步［M］． 北京：中国铁道出版社，
2004．
（英文摘要下转第 75 页）
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张英云，等：ASTM A565 XM-32 不锈钢热处理工艺的研究