第3部分 隧道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、 第三部分第三部分 隧道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)隧道設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 一、初始地應(yīng)力場(chǎng)及其評(píng)價(jià)一、初始地應(yīng)力場(chǎng)及其評(píng)價(jià) 正確掌握和了解地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道工程力學(xué)行為的作用和影正確掌握和了解地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道工程力學(xué)行為的作用和影 響是合理地進(jìn)行隧道工程設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。響是合理地進(jìn)行隧道工程設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。 圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng)圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng), ,一般受到兩類(lèi)因素的影響一般受到兩類(lèi)因素的影響: : 第一類(lèi)：重力、溫度、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造、地形等第一類(lèi)：重力、溫度、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造、地形等 經(jīng)常性的因素。經(jīng)常性的因素。 第二類(lèi)：地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類(lèi)的長(zhǎng)期活動(dòng)等暫時(shí)第二類(lèi)：地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類(lèi)的長(zhǎng)期活動(dòng)等暫

2、時(shí) 性的或局部性的因素。性的或局部性的因素。 初始地應(yīng)力場(chǎng)由兩種力系構(gòu)成初始地應(yīng)力場(chǎng)由兩種力系構(gòu)成: : = =y y+T T 式中式中 y y：自重應(yīng)力分量：自重應(yīng)力分量; ; T T：構(gòu)造應(yīng)力分量。：構(gòu)造應(yīng)力分量。 1、重力應(yīng)力場(chǎng)、重力應(yīng)力場(chǎng) 設(shè)圍巖是線性變形介質(zhì)，在設(shè)圍巖是線性變形介質(zhì)，在xy平面內(nèi)是均質(zhì)的平面內(nèi)是均質(zhì)的,沿沿y軸方向軸方向 是非均質(zhì)的。設(shè)是非均質(zhì)的。設(shè)E、分別為沿垂直方向的彈性模量和泊松比分別為沿垂直方向的彈性模量和泊松比, E1、1為沿水平方向的彈性模量和泊松比，因圍巖的變形性質(zhì)為沿水平方向的彈性模量和泊松比，因圍巖的變形性質(zhì) 沿深度而變沿深度而變,故可定故可定:E=

3、E(y)，=(y)、E1=E1(y)、1=1(y)，單，單 位體積重量也認(rèn)為是沿深度而變，即位體積重量也認(rèn)為是沿深度而變，即=(y)。 距表面距表面h深處一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可表示為：深處一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可表示為： y=0h(y)dy x=x(y) z=z(y) xy=xz=yz x=z=/1-y 當(dāng)垂直應(yīng)力已知時(shí)當(dāng)垂直應(yīng)力已知時(shí), ,水平應(yīng)力的大小決定于圍巖的泊松比。水平應(yīng)力的大小決定于圍巖的泊松比。 大多數(shù)圍巖的泊松比變化在大多數(shù)圍巖的泊松比變化在0.150.150.350.35左右。左右。 圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)是隨深度而變的圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)是隨深度而變的, ,其應(yīng)力狀態(tài)可視圍其應(yīng)力狀態(tài)可視圍 巖

4、的不同巖的不同, ,分別處在彈性的、隱塑性的及流動(dòng)的三種狀態(tài)。圍分別處在彈性的、隱塑性的及流動(dòng)的三種狀態(tài)。圍 巖的隱塑性狀態(tài)在堅(jiān)硬圍巖中約在距地面巖的隱塑性狀態(tài)在堅(jiān)硬圍巖中約在距地面10km10km以下以下, ,也有可能也有可能 在淺處產(chǎn)生在淺處產(chǎn)生, ,如在巖石臨界強(qiáng)度低如在巖石臨界強(qiáng)度低如泥巖等如泥巖等的地段。通常的地段。通常 情況下情況下, ,在隧道所涉及的范圍內(nèi)在隧道所涉及的范圍內(nèi), ,都可視初應(yīng)力場(chǎng)為彈性的都可視初應(yīng)力場(chǎng)為彈性的, ,這這 一點(diǎn)亦可由部分量測(cè)資科所證實(shí)。一點(diǎn)亦可由部分量測(cè)資科所證實(shí)。 由于地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果由于地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果, ,巖層會(huì)產(chǎn)生各種變態(tài)巖層會(huì)產(chǎn)生各種變態(tài), ,

5、如變成各種傾如變成各種傾 斜狀的、彎曲的等等。在這種情況下斜狀的、彎曲的等等。在這種情況下, ,圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)也圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)也 有所變化。有所變化。 如垂直成層巖石如垂直成層巖石, ,由于各層的物理力學(xué)性質(zhì)不同由于各層的物理力學(xué)性質(zhì)不同, ,在同一水在同一水 平面上的應(yīng)力分布可能是不同的平面上的應(yīng)力分布可能是不同的; ;又如背斜情況又如背斜情況, ,由于巖層成拱由于巖層成拱 狀分布狀分布, ,使上覆巖層重量向兩翼傳遞使上覆巖層重量向兩翼傳遞, ,而直接處在背斜軸下面的而直接處在背斜軸下面的 巖層則受到較小的應(yīng)力巖層則受到較小的應(yīng)力; ;在被斷層分割的楔形巖塊情況中在被斷層分割的楔形巖

6、塊情況中, ,也可也可 觀察到類(lèi)似情況。下窄上寬的楔形圍巖移動(dòng)時(shí)觀察到類(lèi)似情況。下窄上寬的楔形圍巖移動(dòng)時(shí), ,受到兩倒巖塊受到兩倒巖塊 的夾制，因而使應(yīng)力減小、反之的夾制，因而使應(yīng)力減小、反之, ,下寬上窄的巖塊下寬上窄的巖塊, ,則受到附加則受到附加 荷載的作用。埋深較小時(shí)地表起伏較大情況影響也不能忽略。荷載的作用。埋深較小時(shí)地表起伏較大情況影響也不能忽略。 2 2、構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力 地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為：地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為：地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是 地應(yīng)力作用的結(jié)果。因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在地應(yīng)力作用的結(jié)果。因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式

7、在 形成過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)之為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)形成過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)之為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng), ,它是動(dòng)態(tài)的。它是動(dòng)態(tài)的。 由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的不確定性由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的不確定性, ,很難用函數(shù)形式表達(dá)。它在很難用函數(shù)形式表達(dá)。它在 整個(gè)初始地應(yīng)力場(chǎng)中的作用只能通過(guò)某些量測(cè)數(shù)據(jù)加以分析。整個(gè)初始地應(yīng)力場(chǎng)中的作用只能通過(guò)某些量測(cè)數(shù)據(jù)加以分析。 （1 1）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng), ,而且除以各種而且除以各種 構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在圍巖內(nèi)構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在圍巖內(nèi), ,這種殘余這種殘余 構(gòu)造應(yīng)力將對(duì)隧道工程產(chǎn)生重大影響。構(gòu)造應(yīng)力將對(duì)隧道工程產(chǎn)生重

8、大影響。 （2 2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在不深的地方已普遍存在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在不深的地方已普遍存在, ,而且最大構(gòu)造而且最大構(gòu)造 應(yīng)力的方向應(yīng)力的方向, ,多近似為水平多近似為水平, ,其值常常大于重力應(yīng)力場(chǎng)中的水平其值常常大于重力應(yīng)力場(chǎng)中的水平 應(yīng)力分量應(yīng)力分量, ,甚至也大于垂直應(yīng)力分量甚至也大于垂直應(yīng)力分量, ,這與重力應(yīng)力場(chǎng)有很大不這與重力應(yīng)力場(chǎng)有很大不 同。同。 陶恩隧道的初始地應(yīng)力場(chǎng)陶恩隧道的初始地應(yīng)力場(chǎng) 南非測(cè)定垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力南非測(cè)定垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力 比值隨深度的變化比值隨深度的變化 從我國(guó)現(xiàn)階段積累起來(lái)的淺層從我國(guó)現(xiàn)階段積累起來(lái)的淺層( (埋深小于埋深小于500m)500m)實(shí)測(cè)資料實(shí)

9、測(cè)資料 看看,小于小于0.80.8者約占者約占27.5%27.5%。在。在0.80.81.251.25之間者約占之間者約占42.3%,42.3%,大大 于于1.251.25者約占者約占30.2%30.2%。 （3） 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)很不均勻構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)很不均勻, 它的參數(shù)無(wú)論在空間上、時(shí)間它的參數(shù)無(wú)論在空間上、時(shí)間 上都有很大變化上都有很大變化, 特別是主應(yīng)力軸的方向和絕對(duì)值變化很大。特別是主應(yīng)力軸的方向和絕對(duì)值變化很大。 3、初始地應(yīng)力場(chǎng)的評(píng)價(jià)、初始地應(yīng)力場(chǎng)的評(píng)價(jià) 圍巖強(qiáng)度比的定義是：圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力值與圍巖強(qiáng)圍巖強(qiáng)度比的定義是：圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力值與圍巖強(qiáng) 度的比值。度的比值。 圍巖強(qiáng)度比：

10、圍巖強(qiáng)度比：GnRb/max，式中，式中max：圍巖內(nèi)最大地應(yīng)力：圍巖內(nèi)最大地應(yīng)力 值；值；Rb：圍巖抗壓強(qiáng)度值。：圍巖抗壓強(qiáng)度值。 （1） 地應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)的判定指標(biāo)地應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)的判定指標(biāo) 初始地應(yīng)力場(chǎng)究竟屬于一般地應(yīng)力場(chǎng)，還是高地應(yīng)力場(chǎng)，初始地應(yīng)力場(chǎng)究竟屬于一般地應(yīng)力場(chǎng)，還是高地應(yīng)力場(chǎng)， 可以用圍巖強(qiáng)度比加以初步判定。一定不要誤解，初始地應(yīng)力可以用圍巖強(qiáng)度比加以初步判定。一定不要誤解，初始地應(yīng)力 大，就是高地應(yīng)力場(chǎng)。因?yàn)?，有時(shí)初始地應(yīng)力場(chǎng)雖然大，其圍大，就是高地應(yīng)力場(chǎng)。因?yàn)椋袝r(shí)初始地應(yīng)力場(chǎng)雖然大，其圍 巖強(qiáng)度比卻不一定高。巖強(qiáng)度比卻不一定高。 圍巖強(qiáng)度比圍巖強(qiáng)度比Gn分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 極高地

11、應(yīng)力極高地應(yīng)力高地應(yīng)力高地應(yīng)力一般地應(yīng)力一般地應(yīng)力 法國(guó)隧協(xié)法國(guó)隧協(xié)4 我國(guó)工程圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)工程圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)7 日本新奧法指南日本新奧法指南(1996年年)6 日本仲野分級(jí)日本仲野分級(jí) 4 不同地應(yīng)力場(chǎng)的圍巖在開(kāi)挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象不同地應(yīng)力場(chǎng)的圍巖在開(kāi)挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象 地應(yīng)力場(chǎng)情況地應(yīng)力場(chǎng)情況主要現(xiàn)象主要現(xiàn)象Rb/max 極高地應(yīng)力場(chǎng)極高地應(yīng)力場(chǎng) 硬質(zhì)巖：硬質(zhì)巖：開(kāi)挖過(guò)程中時(shí)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁開(kāi)挖過(guò)程中時(shí)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁 圍巖發(fā)生剝離新主裂縫多成洞性差，基坑有剝離現(xiàn)圍巖發(fā)生剝離新主裂縫多成洞性差，基坑有剝離現(xiàn) 象，成形性差。象，成形性差。軟質(zhì)巖：軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化

12、現(xiàn)象，開(kāi)挖過(guò)程巖芯常有餅化現(xiàn)象，開(kāi)挖過(guò)程 中洞壁圍巖有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，中洞壁圍巖有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移， 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞；基坑發(fā)生顯著隆起或剝離不易持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞；基坑發(fā)生顯著隆起或剝離不易 成形。成形。 442 24 42200132.5 中等地應(yīng)力中等地應(yīng)力20010130.661.0 高地應(yīng)力高地應(yīng)力1050.660.330.52 微弱的巖爆微弱的巖爆52.50.330.16510 強(qiáng)烈?guī)r爆強(qiáng)烈?guī)r爆2.5GN2GN 2 IS 2GN1.52GN1.5 2GN1.5 IL 特特S1.5GN1.5GN1.5GN 表中說(shuō)明，并不需要在所有的圍巖中考

13、慮圍巖強(qiáng)度比。只是在中硬表中說(shuō)明，并不需要在所有的圍巖中考慮圍巖強(qiáng)度比。只是在中硬 巖，軟巖和土砂圍巖中考慮，也不是在所有的級(jí)別中考慮，只是在很低巖，軟巖和土砂圍巖中考慮，也不是在所有的級(jí)別中考慮，只是在很低 的級(jí)別中考慮。的級(jí)別中考慮。 我國(guó)初始地應(yīng)力場(chǎng)的修正我國(guó)初始地應(yīng)力場(chǎng)的修正 圍巖基本分級(jí)圍巖基本分級(jí) 極高地應(yīng)力場(chǎng)極高地應(yīng)力場(chǎng)或或 高地應(yīng)力場(chǎng)高地應(yīng)力場(chǎng)或或 二、毛洞的圍巖力學(xué)狀態(tài)二、毛洞的圍巖力學(xué)狀態(tài) （一）、坑道開(kāi)挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)（一）、坑道開(kāi)挖后的二次應(yīng)力狀態(tài) 假定：假定： （1 1）圍巖為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；）圍巖為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)； （2 2）只考慮自重造成

14、的初始地應(yīng)力場(chǎng)；）只考慮自重造成的初始地應(yīng)力場(chǎng)； （3 3）坑道形狀是圓形的；）坑道形狀是圓形的； （4 4）坑道位于一定深度）坑道位于一定深度, ,簡(jiǎn)化為無(wú)限體中的孔洞問(wèn)題。簡(jiǎn)化為無(wú)限體中的孔洞問(wèn)題。 1 1、坑道開(kāi)挖后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)、坑道開(kāi)挖后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài) 為簡(jiǎn)單計(jì)為簡(jiǎn)單計(jì), ,設(shè)初始地應(yīng)力場(chǎng)以設(shè)初始地應(yīng)力場(chǎng)以表示表示, ,即即x x/y y, ,則在則在 圍巖中開(kāi)挖半徑為圍巖中開(kāi)挖半徑為a a的圓形坑道后的圓形坑道后, ,其二次應(yīng)力狀態(tài)可近似用下其二次應(yīng)力狀態(tài)可近似用下 式表達(dá)。式表達(dá)。 ry/2(12)(1)(14234)(1)cos2 t=y/2(1+2)(1)-(134)

15、(1)cos2 rt=y/2(1-)(1+22-34)sin2 式中式中 =a/r,當(dāng)當(dāng)r=a時(shí)，表示在坑道周邊上。時(shí)，表示在坑道周邊上。 （1）坑道周邊應(yīng)力狀態(tài)的規(guī)律：）坑道周邊應(yīng)力狀態(tài)的規(guī)律： 當(dāng)當(dāng)r=a時(shí)，上式變成：時(shí)，上式變成： r=0 t=y(1-2cos)+(1+2cos2) 圓形坑道周邊切向應(yīng)力分布圓形坑道周邊切向應(yīng)力分布 認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)隨極為重要：認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)隨極為重要： 1）=0，即只有初始垂直應(yīng)力時(shí)，拱頂出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)，即只有初始垂直應(yīng)力時(shí)，拱頂出現(xiàn)最大切向拉應(yīng) 力，并分布在拱頂一定范圍內(nèi)。力，并分布在拱頂一定范圍內(nèi)。 拱頂處的最大拉應(yīng)力拱頂處的最大拉應(yīng)力t

16、等于等于t=y，相當(dāng)于初始垂直應(yīng)力，相當(dāng)于初始垂直應(yīng)力 值。拱頂受拉范圍約出現(xiàn)在與垂直軸左右各值。拱頂受拉范圍約出現(xiàn)在與垂直軸左右各30的范圍內(nèi)，這的范圍內(nèi)，這 說(shuō)明拱頂范圍可能產(chǎn)生掉塊。說(shuō)明拱頂范圍可能產(chǎn)生掉塊。 2）隨著）隨著的增加的增加,拱頂切向拉應(yīng)力值及其范圍逐漸減少。拱頂切向拉應(yīng)力值及其范圍逐漸減少。 當(dāng)當(dāng)=1/3時(shí)時(shí),拱頂切向拉應(yīng)力等于拱頂切向拉應(yīng)力等于0。大于。大于1/3后后,整個(gè)坑道周整個(gè)坑道周 邊的切向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力。這說(shuō)明邊的切向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力。這說(shuō)明, 在在01/3之間時(shí)之間時(shí),坑道拱頂坑道拱頂 拱底拱底范圍是受拉的。由于巖石的抗拉強(qiáng)度較弱范圍是受拉的。由于巖石的抗拉強(qiáng)度

17、較弱,當(dāng)切向拉應(yīng)當(dāng)切向拉應(yīng) 力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí),拱頂可能發(fā)生局部掉塊和落石拱頂可能發(fā)生局部掉塊和落石,但不會(huì)造但不會(huì)造 成整個(gè)坑道的破壞。成整個(gè)坑道的破壞。 3）在側(cè)壁范圍內(nèi)）在側(cè)壁范圍內(nèi),值變化在值變化在01.0之間時(shí)之間時(shí),周邊切向應(yīng)力總周邊切向應(yīng)力總 是壓應(yīng)力是壓應(yīng)力,而且總比拱頂范圍的應(yīng)力值大。這說(shuō)明而且總比拱頂范圍的應(yīng)力值大。這說(shuō)明,側(cè)璧處在較側(cè)璧處在較 大的應(yīng)力狀態(tài)下。例如當(dāng)大的應(yīng)力狀態(tài)下。例如當(dāng)=0時(shí)，側(cè)璧中點(diǎn)（時(shí)，側(cè)璧中點(diǎn)（=90）的最大）的最大 壓力等于壓力等于3y 。隨著隨著值的增大，側(cè)壁中點(diǎn)的壓應(yīng)力逐漸減小，值的增大，側(cè)壁中點(diǎn)的壓應(yīng)力逐漸減小， 當(dāng)當(dāng)=1

18、時(shí)時(shí),其值變成其值變成t =2y。側(cè)壁處在較大的壓應(yīng)力作用下是造。側(cè)壁處在較大的壓應(yīng)力作用下是造 成側(cè)壁剪切破壞或巖爆（分離破壞）的主要原因之一。而且成側(cè)壁剪切破壞或巖爆（分離破壞）的主要原因之一。而且,常常 常是整個(gè)坑道喪失穩(wěn)定的主要原因常是整個(gè)坑道喪失穩(wěn)定的主要原因,應(yīng)予以足夠重視。應(yīng)予以足夠重視。 4）當(dāng)）當(dāng)=1（即初始垂直應(yīng)力與初始水平應(yīng)力相等）時(shí)（即初始垂直應(yīng)力與初始水平應(yīng)力相等）時(shí),坑坑 道周邊圍巖各點(diǎn)的應(yīng)力皆相同。即為一常數(shù)值（道周邊圍巖各點(diǎn)的應(yīng)力皆相同。即為一常數(shù)值（t=2y）。這）。這 種應(yīng)力狀態(tài)對(duì)圓形坑道穩(wěn)定是很有利的。種應(yīng)力狀態(tài)對(duì)圓形坑道穩(wěn)定是很有利的。 5）通常圍巖的側(cè)

19、壓力系數(shù)變動(dòng)在）通常圍巖的側(cè)壓力系數(shù)變動(dòng)在0.20.5之間。在這個(gè)范之間。在這個(gè)范 圍內(nèi)圍內(nèi),坑道周邊切向應(yīng)力坑道周邊切向應(yīng)力t都是壓應(yīng)力。因此都是壓應(yīng)力。因此,要十分注意切向應(yīng)要十分注意切向應(yīng) 力的變化力的變化,它是造成坑道破壞的主要原因之一。它是造成坑道破壞的主要原因之一。 （2 2）圍巖應(yīng)力向深處變化的規(guī)律）圍巖應(yīng)力向深處變化的規(guī)律 沿圓形坑道水平、垂直軸上應(yīng)力分布沿圓形坑道水平、垂直軸上應(yīng)力分布 a) =0a) =0的情況的情況 b) =1b) =1的情況的情況 1）側(cè)壁中點(diǎn)（）側(cè)壁中點(diǎn)（90）,在在=01.0時(shí)坑道周邊的切向應(yīng)時(shí)坑道周邊的切向應(yīng) 力都為正值（壓應(yīng)力）。最大值為力都為正

20、值（壓應(yīng)力）。最大值為t=3y(=0),最小值為最小值為 2y(=l)。 2）拱頂處（）拱頂處（=0）,在周邊上的在周邊上的t值由值由-y （=0）變到）變到 2y（=1）。當(dāng)）。當(dāng)=1/3時(shí)時(shí),t=0。隨著。隨著r的增加的增加,當(dāng)當(dāng)=0時(shí)時(shí), t接近于接近于 0，當(dāng)，當(dāng)=1時(shí)時(shí),接近接近y，即都逐漸接近于初始的應(yīng)力狀態(tài)。，即都逐漸接近于初始的應(yīng)力狀態(tài)。r 值在值在 =0和和=1時(shí)時(shí),變化大致相同變化大致相同,即由即由0逐漸增加到逐漸增加到y(tǒng)值。由此可見(jiàn)值。由此可見(jiàn),坑坑 道開(kāi)挖后的二次應(yīng)力分布范圍是很有限的。視道開(kāi)挖后的二次應(yīng)力分布范圍是很有限的。視值其范圍大致值其范圍大致 在（在（57）a

21、左右。左右。愈大，范圍愈大。在此之后愈大，范圍愈大。在此之后,圍巖仍處在初圍巖仍處在初 應(yīng)力狀態(tài)。這說(shuō)明應(yīng)力狀態(tài)。這說(shuō)明:坑道開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響坑道開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響(擾動(dòng)擾動(dòng))是有限的。是有限的。 3）在拱頂處的拉應(yīng)力深入圍巖內(nèi)部的范圍約為）在拱頂處的拉應(yīng)力深入圍巖內(nèi)部的范圍約為0.58a （=0）,而后轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力而后轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力.這也說(shuō)明這也說(shuō)明,坑道圍巖內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)坑道圍巖內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū) 域是有限的域是有限的,而且只在而且只在小于小于1/3時(shí)的情況下出現(xiàn)。前已指出時(shí)的情況下出現(xiàn)。前已指出,拉應(yīng)拉應(yīng) 力區(qū)的存在對(duì)造成圍巖的局部破壞（松弛、掉塊、落石）是有力區(qū)的存在對(duì)造成圍巖的局部破壞（松弛、掉

22、塊、落石）是有 影響的。尤其是在大跨度洞室的情況下。影響的。尤其是在大跨度洞室的情況下。 (3) 坑道位移狀態(tài)坑道位移狀態(tài) 在平面問(wèn)題中，坑道周邊的位移在平面問(wèn)題中，坑道周邊的位移ua可由下式?jīng)Q定可由下式?jīng)Q定 ua=1+/E.a.y 從上式可求出隧道周邊各點(diǎn)的位移，當(dāng)從上式可求出隧道周邊各點(diǎn)的位移，當(dāng)值不同時(shí)，圍巖值不同時(shí)，圍巖 值及其分布狀態(tài)也不同。值及其分布狀態(tài)也不同。 不同不同值條件下圓形坑道周邊位移分布值條件下圓形坑道周邊位移分布 在不同的在不同的值條件下值條件下,開(kāi)挖后的斷面收斂狀態(tài)示。當(dāng)開(kāi)挖后的斷面收斂狀態(tài)示。當(dāng)=1時(shí)時(shí), 隧道斷面是均勻縮小的隧道斷面是均勻縮小的,隨著隨著值的減小

23、值的減小,隧道上、下頂點(diǎn)繼續(xù)向隧道上、下頂點(diǎn)繼續(xù)向 隧道內(nèi)擠入隧道內(nèi)擠入,水平直徑處則減小水平直徑處則減小,而變成扁平的斷面形狀。而變成扁平的斷面形狀。 坑道位移狀態(tài)說(shuō)明，坑道開(kāi)挖后圍巖基本上是向隧道內(nèi)移坑道位移狀態(tài)說(shuō)明，坑道開(kāi)挖后圍巖基本上是向隧道內(nèi)移 動(dòng)的。只是在一定的動(dòng)的。只是在一定的值條件下（值條件下（0.25），在水平直徑處圍巖），在水平直徑處圍巖 有向兩側(cè)擴(kuò)張的趨勢(shì)。而且在多數(shù)情況下有向兩側(cè)擴(kuò)張的趨勢(shì)。而且在多數(shù)情況下,拱頂位移拱頂位移(即拱頂下即拱頂下 沉沉)均大于側(cè)壁均大于側(cè)壁(水平直徑處水平直徑處)位移。位移。 2 2、坑道開(kāi)挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài)、坑道開(kāi)挖后形成塑性區(qū)

24、的二次應(yīng)力狀態(tài) 在深埋隧道或埋深較淺但圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，上述應(yīng)力狀態(tài)在深埋隧道或埋深較淺但圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，上述應(yīng)力狀態(tài) 可能超過(guò)圍巖的抗壓強(qiáng)度。此時(shí)坑道或發(fā)生脆性破壞，如巖爆、可能超過(guò)圍巖的抗壓強(qiáng)度。此時(shí)坑道或發(fā)生脆性破壞，如巖爆、 剝離等剝離等(堅(jiān)硬、脆性、整體的圍巖中堅(jiān)硬、脆性、整體的圍巖中)或在坑道附近圍巖內(nèi)形成或在坑道附近圍巖內(nèi)形成 塑性應(yīng)力區(qū)域塑性應(yīng)力區(qū)域,發(fā)生塑性剪切滑移或塑性流動(dòng)。發(fā)生塑性剪切滑移或塑性流動(dòng)。 塑性應(yīng)力區(qū)域是由于多數(shù)圍巖具有塑性這種性質(zhì)而造成的。塑性應(yīng)力區(qū)域是由于多數(shù)圍巖具有塑性這種性質(zhì)而造成的。 塑性就是指圍巖在應(yīng)力超過(guò)一定值后產(chǎn)生塑性變形的性質(zhì)。此塑性就是指圍巖

25、在應(yīng)力超過(guò)一定值后產(chǎn)生塑性變形的性質(zhì)。此 時(shí)，應(yīng)力即使不增加時(shí)，應(yīng)力即使不增加,變形仍將繼續(xù)。當(dāng)圍巖內(nèi)應(yīng)力超過(guò)圍巖的變形仍將繼續(xù)。當(dāng)圍巖內(nèi)應(yīng)力超過(guò)圍巖的 抗壓強(qiáng)度后抗壓強(qiáng)度后,圍巖發(fā)生塑性變形并迫使塑性變形的圍巖向坑道內(nèi)圍巖發(fā)生塑性變形并迫使塑性變形的圍巖向坑道內(nèi) 滑移。塑性區(qū)的圍巖因而變得松弛滑移。塑性區(qū)的圍巖因而變得松弛,其物理力學(xué)性質(zhì)其物理力學(xué)性質(zhì)(c、E、 等等)也發(fā)生變化。也發(fā)生變化。 對(duì)設(shè)計(jì)有實(shí)際意義的是：塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和塑性對(duì)設(shè)計(jì)有實(shí)際意義的是：塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和塑性 區(qū)范圍的大小、形狀。塑性區(qū)應(yīng)力狀態(tài)由下式確定區(qū)范圍的大小、形狀。塑性區(qū)應(yīng)力狀態(tài)由下式確定: rpR

26、b/(-1)(r/a)-1-1 tp= Rb/(-1)(r/a)-1-1 roa2/(+1) (y(-1)+Rb)/Rb1/-1 =(1+sin)/(1-sin) 塑性區(qū)邊界及應(yīng)力狀態(tài)塑性區(qū)邊界及應(yīng)力狀態(tài) 式中指出式中指出, ,塑性區(qū)邊界塑性區(qū)邊界r r0 0與圍巖的初應(yīng)力狀態(tài)（與圍巖的初應(yīng)力狀態(tài)（y y）, ,圍圍 巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)（巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)（E E）及坑道開(kāi)挖尺寸（）及坑道開(kāi)挖尺寸（a a）等有關(guān)。）等有關(guān)。 坑道半徑愈大坑道半徑愈大, ,圍巖愈差圍巖愈差, ,初始應(yīng)力愈大初始應(yīng)力愈大, ,塑性區(qū)域也愈大。塑性區(qū)域也愈大。 顯然，當(dāng)顯然，當(dāng)1 1時(shí)，塑性區(qū)的形狀也是一個(gè)圓形

27、。當(dāng)時(shí)，塑性區(qū)的形狀也是一個(gè)圓形。當(dāng)11時(shí)，時(shí)， 塑性區(qū)的形狀和范圍有很大的變化。塑性區(qū)的形狀和范圍有很大的變化。 已知已知c=2.5MPa、=30、h=15MPa、y=15MPa,當(dāng)當(dāng)分別為分別為0、 0.2、0.5、0.75和和1.0時(shí)，得到的塑性區(qū)邊界于下圖。時(shí)，得到的塑性區(qū)邊界于下圖。 不同不同值的圓形坑道圍巖塑性區(qū)的形狀和范圍值的圓形坑道圍巖塑性區(qū)的形狀和范圍 馬蹄形坑道塑性區(qū)的形狀和范圍馬蹄形坑道塑性區(qū)的形狀和范圍 埋深對(duì)塑性區(qū)形狀的影響埋深對(duì)塑性區(qū)形狀的影響 坑道形狀對(duì)塑性區(qū)的影響坑道形狀對(duì)塑性區(qū)的影響 不同形狀坑道的應(yīng)力集中系數(shù)不同形狀坑道的應(yīng)力集中系數(shù) 坑道開(kāi)挖后如果不加支護(hù)

28、，坑道圍巖將會(huì)經(jīng)過(guò)應(yīng)力集中坑道開(kāi)挖后如果不加支護(hù)，坑道圍巖將會(huì)經(jīng)過(guò)應(yīng)力集中 形成塑住區(qū)形成塑住區(qū)向坑道內(nèi)位移向坑道內(nèi)位移塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大坑道圍巖松坑道圍巖松 弛、崩塌、破壞等幾個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程視圍巖的性質(zhì)、坑道尺弛、崩塌、破壞等幾個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程視圍巖的性質(zhì)、坑道尺 寸和形狀寸和形狀, ,有長(zhǎng)有短。也并不是所有坑道破壞都要經(jīng)過(guò)上述幾有長(zhǎng)有短。也并不是所有坑道破壞都要經(jīng)過(guò)上述幾 個(gè)階段。例如在整體、堅(jiān)硬的脆性巖體中可能形成自穩(wěn)坑道。個(gè)階段。例如在整體、堅(jiān)硬的脆性巖體中可能形成自穩(wěn)坑道。 在松散巖體中在松散巖體中, ,坑道會(huì)迅速達(dá)到崩塌等?？拥罆?huì)迅速達(dá)到崩塌等。 （二）、毛洞的穩(wěn)定

29、性及其破壞（二）、毛洞的穩(wěn)定性及其破壞 無(wú)支護(hù)坑道巖體有三種喪失穩(wěn)定的形式：無(wú)支護(hù)坑道巖體有三種喪失穩(wěn)定的形式： (1)(1)局部崩塌：局部崩塌：主要是由地質(zhì)構(gòu)造上的原因造成的。由于主要是由地質(zhì)構(gòu)造上的原因造成的。由于 圍巖松弛的自重作用圍巖松弛的自重作用, ,超過(guò)它們脫離圍巖自身的阻力而在頂部超過(guò)它們脫離圍巖自身的阻力而在頂部, , 較少的在側(cè)壁造成局部崩塌。較少的在側(cè)壁造成局部崩塌。 (2)(2)拱形崩塌：拱形崩塌：由于自重應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)挖后形成的二次應(yīng)力場(chǎng)由于自重應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)挖后形成的二次應(yīng)力場(chǎng) 即應(yīng)力集中造成圍巖破壞而形成的崩塌。在這種情況下即應(yīng)力集中造成圍巖破壞而形成的崩塌。在這種情況下, ,

30、圍巖圍巖 破壞一般從坑道側(cè)壁開(kāi)始破壞一般從坑道側(cè)壁開(kāi)始, ,同時(shí)圍巖的破壞和位移也可能發(fā)生同時(shí)圍巖的破壞和位移也可能發(fā)生 在頂部和底部。屬于強(qiáng)度破壞之例。在頂部和底部。屬于強(qiáng)度破壞之例。 (3)(3)變形持續(xù)增大：變形持續(xù)增大：在塑性性質(zhì)顯著的圍巖中在塑性性質(zhì)顯著的圍巖中, ,穩(wěn)定的喪失穩(wěn)定的喪失 是由于塑性變形產(chǎn)生過(guò)度的位移是由于塑性變形產(chǎn)生過(guò)度的位移, ,但無(wú)明顯的破壞跡象。破壞但無(wú)明顯的破壞跡象。破壞 通常是從底部開(kāi)始的，而逐步影響到側(cè)部和頂部。主要在軟巖通常是從底部開(kāi)始的，而逐步影響到側(cè)部和頂部。主要在軟巖 及膨脹性或擠入性圍巖中發(fā)生。及膨脹性或擠入性圍巖中發(fā)生。 堅(jiān)硬完整的巖體堅(jiān)硬完

31、整的巖體, ,應(yīng)力分布與理想的彈性連續(xù)介質(zhì)極為接應(yīng)力分布與理想的彈性連續(xù)介質(zhì)極為接 近近, ,應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度就認(rèn)為不穩(wěn)定。如果巖石具有塑性性質(zhì)應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度就認(rèn)為不穩(wěn)定。如果巖石具有塑性性質(zhì), , 則其穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)就應(yīng)是彈塑性模式的應(yīng)力則其穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)就應(yīng)是彈塑性模式的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。應(yīng)變狀態(tài)。 對(duì)脆性巖體：對(duì)脆性巖體：目前主要是用統(tǒng)計(jì)方法研究坑道周邊巖體局目前主要是用統(tǒng)計(jì)方法研究坑道周邊巖體局 部破壞并形成崩塌的過(guò)程。把崩塌的計(jì)算參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較部破壞并形成崩塌的過(guò)程。把崩塌的計(jì)算參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比較, , 得出無(wú)支護(hù)坑道正常使用的可能性。參數(shù)有：崩塌尺寸和出現(xiàn)得出無(wú)支護(hù)坑道正常使用的

32、可能性。參數(shù)有：崩塌尺寸和出現(xiàn) 大尺寸崩塌的概率大尺寸崩塌的概率, ,有些研究指出有些研究指出, ,在這種情況下，可用下式判在這種情況下，可用下式判 斷無(wú)支護(hù)坑道的強(qiáng)度。斷無(wú)支護(hù)坑道的強(qiáng)度。 PN(S容許 容許)0 P容許容許 式中：式中： S S容許 容許 現(xiàn)行規(guī)范允許的無(wú)支護(hù)坑道崩塌尺寸現(xiàn)行規(guī)范允許的無(wú)支護(hù)坑道崩塌尺寸; ; N N（S S容許 容許）坑道周邊上尺寸 ）坑道周邊上尺寸SSSS容許 容許的崩塌數(shù)量 的崩塌數(shù)量; ; P PN(SN(S容許 容許)0 )0在坑道周邊出現(xiàn)在坑道周邊出現(xiàn)SSSS容許 容許崩塌的概率 崩塌的概率; ; P P容許 容許 規(guī)范允許出現(xiàn)這種崩塌的概率。規(guī)

33、范允許出現(xiàn)這種崩塌的概率。 前蘇聯(lián)前蘇聯(lián)S容許 容許及 及P容許 容許的建議值 的建議值 坑道用途坑道用途S容許 容許 P容許 容許 人員通行的人員通行的 運(yùn)輸及安放設(shè)備的運(yùn)輸及安放設(shè)備的 水工隧洞水工隧洞 通風(fēng)坑道通風(fēng)坑道 地下洞庫(kù)地下洞庫(kù) 0.001 0.0010.01 0.010.1 0.11.0 0.1 0.01 0.05 0.1 0.1 0.1 在脆性圍巖中，圍巖強(qiáng)度條件產(chǎn)生的正常使用的破壞，在脆性圍巖中，圍巖強(qiáng)度條件產(chǎn)生的正常使用的破壞， 比周邊位移達(dá)到的極限值要來(lái)得早一些。因此在脆性巖石中比周邊位移達(dá)到的極限值要來(lái)得早一些。因此在脆性巖石中 通常都是以強(qiáng)度條件為破壞標(biāo)準(zhǔn)的。目前通

34、常都是以強(qiáng)度條件為破壞標(biāo)準(zhǔn)的。目前,一般認(rèn)為在脆性巖一般認(rèn)為在脆性巖 體中坑道穩(wěn)定性多數(shù)是以側(cè)壁開(kāi)始出現(xiàn)破壞體中坑道穩(wěn)定性多數(shù)是以側(cè)壁開(kāi)始出現(xiàn)破壞(壓裂、剪切破壞壓裂、剪切破壞) 作為標(biāo)準(zhǔn)的。其值可由沿坑道周邊出現(xiàn)的最大切向應(yīng)力和巖作為標(biāo)準(zhǔn)的。其值可由沿坑道周邊出現(xiàn)的最大切向應(yīng)力和巖 體強(qiáng)度的比值來(lái)決定：體強(qiáng)度的比值來(lái)決定： KHRb 或或 H/RbS 坑道破壞形態(tài)坑道破壞形態(tài)壓力顯現(xiàn)形式壓力顯現(xiàn)形式圍巖性態(tài)圍巖性態(tài)產(chǎn)生破壞的基產(chǎn)生破壞的基 本原因本原因 圍巖的力學(xué)動(dòng)圍巖的力學(xué)動(dòng) 態(tài)態(tài) 局部崩塌局部崩塌局部掉塊或無(wú)局部掉塊或無(wú) 壓力顯現(xiàn)壓力顯現(xiàn) 硬巖、完整、硬巖、完整、 脆性的脆性的 地質(zhì)構(gòu)造

35、、節(jié)地質(zhì)構(gòu)造、節(jié) 理、層理面發(fā)理、層理面發(fā) 育育 彈性的、或剛彈性的、或剛 體平衡體平衡 拱形崩塌拱形崩塌松弛壓力為主松弛壓力為主硬巖、中硬巖硬巖、中硬巖 有裂隙及裂隙有裂隙及裂隙 發(fā)育的圍巖等發(fā)育的圍巖等 強(qiáng)度破壞強(qiáng)度破壞彈性的、彈塑彈性的、彈塑 性的性的 變形的持續(xù)增變形的持續(xù)增 大大 塑性的、膨脹塑性的、膨脹 性的、擠壓性性的、擠壓性 的壓力為主的壓力為主 軟巖、粘性土、軟巖、粘性土、 膨脹巖、擠入膨脹巖、擠入 性巖等性巖等 變形過(guò)大，持變形過(guò)大，持 續(xù)發(fā)展續(xù)發(fā)展 彈塑性的、粘彈塑性的、粘 彈性的等彈性的等 項(xiàng)目項(xiàng)目 無(wú)支護(hù)地段長(zhǎng)度（無(wú)支護(hù)地段長(zhǎng)度（m m）15158 85 52.52.

36、51 1 平均自穩(wěn)時(shí)間平均自穩(wěn)時(shí)間1010年年6 6個(gè)月個(gè)月7d7d10h10h30min30min 圍巖的粘結(jié)力（圍巖的粘結(jié)力（MPaMPa）0.40.40.30.30.40.40.20.20.30.30.10.10.20.20.10.1 圍巖的內(nèi)摩擦角圍巖的內(nèi)摩擦角45453535454525253535151525251515 三、支護(hù)后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)三、支護(hù)后圍巖的應(yīng)力狀態(tài) 坑道圍巖的三次應(yīng)力狀態(tài)也就是支護(hù)參與工作后的圍巖應(yīng)坑道圍巖的三次應(yīng)力狀態(tài)也就是支護(hù)參與工作后的圍巖應(yīng) 力狀態(tài)。它對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有直接而重要的影響。力狀態(tài)。它對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有直接而重要的影響。 坑道開(kāi)挖后的應(yīng)力狀

37、態(tài)，前已指出有兩種情況：坑道開(kāi)挖后的應(yīng)力狀態(tài)，前已指出有兩種情況：一種是一種是開(kāi)開(kāi) 挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)仍然是彈性的挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)仍然是彈性的, ,在這種情況下，原則上坑在這種情況下，原則上坑 道是自穩(wěn)的，是無(wú)需支護(hù)的，即使支護(hù)也是防護(hù)性的。道是自穩(wěn)的，是無(wú)需支護(hù)的，即使支護(hù)也是防護(hù)性的。一種是一種是 開(kāi)挖后坑道圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)，此時(shí)坑道都要采取相應(yīng)的支護(hù)結(jié)開(kāi)挖后坑道圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)，此時(shí)坑道都要采取相應(yīng)的支護(hù)結(jié) 構(gòu)，來(lái)提高圍巖的自支護(hù)能力。構(gòu)，來(lái)提高圍巖的自支護(hù)能力。 周邊作用有支護(hù)力時(shí)坑道的塑性區(qū)周邊作用有支護(hù)力時(shí)坑道的塑性區(qū) pa（MPa）025810.1 ro（m）3.042.662.3

38、22.172.0 =a/r0.660.750.860.951.0 塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果 圓形坑道周邊的支護(hù)力與位移圓形坑道周邊的支護(hù)力與位移 a K u y e a 2 1 a r ry e a K u 2 max0 )( 2 1 0 ap K u ay e a )( 2 1 a r ry e a K u 2 0 )( 2 1 0 圍巖為彈性狀態(tài)時(shí)的圍巖為彈性狀態(tài)時(shí)的p pu u曲線曲線 a K u y 2 1 max p pa a與與u ua a/a/a的關(guān)系的關(guān)系 開(kāi)挖后圍巖特征曲線開(kāi)挖后圍巖特征曲線 四、開(kāi)挖后的圍巖特性曲線四、開(kāi)挖后的圍巖特性曲線 以單線鐵路隧道為例，具體說(shuō)明各

39、類(lèi)圍巖的特征曲線的特以單線鐵路隧道為例，具體說(shuō)明各類(lèi)圍巖的特征曲線的特 征及其應(yīng)用。設(shè)定坑道半徑征及其應(yīng)用。設(shè)定坑道半徑a a3.0m3.0m，各級(jí)圍巖的計(jì)算指標(biāo)列，各級(jí)圍巖的計(jì)算指標(biāo)列 于表中。于表中。 圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別 計(jì)計(jì) 算指標(biāo)算指標(biāo) Rb MPa c MPa E105 MPa 60 50 11 0.3 0.15 30 50 5.46 0.2 0.2 20 45 4.14 0.075 0.25 10 40 2.33 0.03 0.3 5 35 1.3 0.01 0.35 1 30 0.289 0.008 0.4 各級(jí)圍巖的計(jì)算指標(biāo)各級(jí)圍巖的計(jì)算指標(biāo) II級(jí)級(jí) III級(jí)級(jí) IV級(jí)級(jí) V級(jí)

40、級(jí) VI級(jí)級(jí) 從計(jì)算結(jié)果可以大致看出從計(jì)算結(jié)果可以大致看出:級(jí)圍巖在埋深級(jí)圍巖在埋深1000m1000m以內(nèi)以內(nèi), ,基基 本上是自穩(wěn)的本上是自穩(wěn)的, ,可無(wú)須支護(hù)。其他各級(jí)圍巖可無(wú)須支護(hù)。其他各級(jí)圍巖, ,視埋深不同視埋深不同, ,坑道坑道 穩(wěn)定性是不同的穩(wěn)定性是不同的, ,應(yīng)分別采用不同類(lèi)型的支護(hù)結(jié)構(gòu)。應(yīng)分別采用不同類(lèi)型的支護(hù)結(jié)構(gòu)。 圖中是根據(jù)上表數(shù)據(jù)圖中是根據(jù)上表數(shù)據(jù),a=3m,a=3m時(shí)繪制的圍巖特征曲線。所有時(shí)繪制的圍巖特征曲線。所有 的曲線都是隨著的曲線都是隨著u ua a的增加的增加,p,pa a呈單調(diào)地減小。以呈單調(diào)地減小。以級(jí)圍巖為例，級(jí)圍巖為例， 當(dāng)埋深為當(dāng)埋深為400m4

41、00m時(shí)，如容許位移時(shí)，如容許位移u ua a為為4cm4cm，則所需支護(hù)阻力，則所需支護(hù)阻力p pa a為為 3MPa3MPa左右。左右。 五、圍巖的工程性質(zhì)評(píng)價(jià)五、圍巖的工程性質(zhì)評(píng)價(jià) 在預(yù)設(shè)計(jì)中，把類(lèi)似的圍巖按其施工動(dòng)態(tài)進(jìn)行圍巖分級(jí)，在預(yù)設(shè)計(jì)中，把類(lèi)似的圍巖按其施工動(dòng)態(tài)進(jìn)行圍巖分級(jí)， 并與標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式對(duì)應(yīng)，以提高設(shè)計(jì)的效率和合理化程度。并與標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式對(duì)應(yīng)，以提高設(shè)計(jì)的效率和合理化程度。 我國(guó)鐵路隧道和公路隧道采用同樣的圍巖分級(jí)方法，把圍我國(guó)鐵路隧道和公路隧道采用同樣的圍巖分級(jí)方法，把圍 巖基本上分為六級(jí)巖基本上分為六級(jí) 。 隧道圍巖分級(jí)是以坑道穩(wěn)定性為前提進(jìn)行分級(jí)的，即把穩(wěn)隧道圍巖分級(jí)是

42、以坑道穩(wěn)定性為前提進(jìn)行分級(jí)的，即把穩(wěn) 定性大致相同的地質(zhì)條件歸屬于同樣穩(wěn)定性的一級(jí)。定性大致相同的地質(zhì)條件歸屬于同樣穩(wěn)定性的一級(jí)。 從根本上說(shuō)，在坑道工程中，如何保證坑道的暫時(shí)穩(wěn)定從根本上說(shuō)，在坑道工程中，如何保證坑道的暫時(shí)穩(wěn)定 （施工期間）和長(zhǎng)期穩(wěn)定（運(yùn)營(yíng)期間）始終是一個(gè)基本的、關(guān)（施工期間）和長(zhǎng)期穩(wěn)定（運(yùn)營(yíng)期間）始終是一個(gè)基本的、關(guān) 鍵性的問(wèn)題。而要做到這一點(diǎn)，就要從理論上、實(shí)踐上解決坑鍵性的問(wèn)題。而要做到這一點(diǎn)，就要從理論上、實(shí)踐上解決坑 道穩(wěn)定性的問(wèn)題。道穩(wěn)定性的問(wèn)題。 所謂的坑道穩(wěn)定性是指一定尺寸的坑道，在不加任何人所謂的坑道穩(wěn)定性是指一定尺寸的坑道，在不加任何人 工支護(hù)條件下的穩(wěn)定

43、狀態(tài)。工支護(hù)條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。 根據(jù)鐵路隧道施工實(shí)踐，隧道開(kāi)挖后的穩(wěn)定狀態(tài)分為以根據(jù)鐵路隧道施工實(shí)踐，隧道開(kāi)挖后的穩(wěn)定狀態(tài)分為以 下四類(lèi)：下四類(lèi)： 1 1）坑道充分穩(wěn)定）坑道充分穩(wěn)定 無(wú)需任何人工支護(hù)而能維持穩(wěn)定，無(wú)坍塌、偶爾有掉塊。無(wú)需任何人工支護(hù)而能維持穩(wěn)定，無(wú)坍塌、偶爾有掉塊。 在特殊情況下會(huì)出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。在特殊情況下會(huì)出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。 2 2）坑道穩(wěn)定）坑道穩(wěn)定 在大塊狀構(gòu)造的巖體及整體狀的中硬巖（在大塊狀構(gòu)造的巖體及整體狀的中硬巖（Rb30MPaRb30MPa）中）中 開(kāi)挖坑道時(shí)，坑道會(huì)因爆破、巖塊結(jié)合松弛而產(chǎn)生局部掉塊，開(kāi)挖坑道時(shí)，坑道會(huì)因爆破、巖塊結(jié)合松弛而產(chǎn)生局部掉塊， 但不會(huì)引

44、起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的，圍巖具有一定的自但不會(huì)引起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的，圍巖具有一定的自 支護(hù)能力。層間結(jié)合差的平緩巖層，頂板可能彎曲、斷裂。支護(hù)能力。層間結(jié)合差的平緩巖層，頂板可能彎曲、斷裂。 此時(shí)應(yīng)采取局部人工支護(hù)或輕型的全面人工支護(hù)。此時(shí)應(yīng)采取局部人工支護(hù)或輕型的全面人工支護(hù)。 3 3）坑道暫時(shí)穩(wěn)定）坑道暫時(shí)穩(wěn)定 大多數(shù)坑道都屬于這個(gè)類(lèi)型。在具有碎（石）塊（石）大多數(shù)坑道都屬于這個(gè)類(lèi)型。在具有碎（石）塊（石） 狀構(gòu)造的圍巖中，坑道開(kāi)挖后常常呈現(xiàn)出不同程度的坍塌現(xiàn)狀構(gòu)造的圍巖中，坑道開(kāi)挖后常常呈現(xiàn)出不同程度的坍塌現(xiàn) 象，坍塌后的坑道常呈拱形處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。暫時(shí)穩(wěn)定的象，坍塌后的坑

45、道常呈拱形處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。暫時(shí)穩(wěn)定的 時(shí)間，有長(zhǎng)有短。在外界（如爆破、支撐頂替、回填不及時(shí)時(shí)間，有長(zhǎng)有短。在外界（如爆破、支撐頂替、回填不及時(shí) 等）和內(nèi)部（如地下水等）條件影響下，坑道如不及時(shí)采取等）和內(nèi)部（如地下水等）條件影響下，坑道如不及時(shí)采取 人工支護(hù)會(huì)進(jìn)一步喪失穩(wěn)定。因此，在這種圍巖中，必須采人工支護(hù)會(huì)進(jìn)一步喪失穩(wěn)定。因此，在這種圍巖中，必須采 取各種類(lèi)型的人工支護(hù)措施。取各種類(lèi)型的人工支護(hù)措施。 4 4）坑道不穩(wěn)定）坑道不穩(wěn)定 在塊石土、堆積土等圍巖中，坑道在不支護(hù)條件下是難在塊石土、堆積土等圍巖中，坑道在不支護(hù)條件下是難 于開(kāi)挖的，隨挖隨塌，常常要先支后挖，圍巖無(wú)自支護(hù)能力，于開(kāi)

46、挖的，隨挖隨塌，常常要先支后挖，圍巖無(wú)自支護(hù)能力， 或自支護(hù)時(shí)間極短，即需要采取穩(wěn)定掌子面的輔助施工方法，或自支護(hù)時(shí)間極短，即需要采取穩(wěn)定掌子面的輔助施工方法， 如管棚、小導(dǎo)管等超前支護(hù)。坑道的坍塌發(fā)生迅速、影響范如管棚、小導(dǎo)管等超前支護(hù)?？拥赖奶l(fā)生迅速、影響范 圍大，在淺埋條件下，有時(shí)可塌到地表面或在地面形成沉陷圍大，在淺埋條件下，有時(shí)可塌到地表面或在地面形成沉陷 盆地。在有水的情況下，土體流動(dòng)造成極大荷載。在這種情盆地。在有水的情況下，土體流動(dòng)造成極大荷載。在這種情 況下，需要采取專(zhuān)門(mén)的人工支護(hù)措施和特殊的施工方法來(lái)保況下，需要采取專(zhuān)門(mén)的人工支護(hù)措施和特殊的施工方法來(lái)保 證坑道的穩(wěn)定。

47、證坑道的穩(wěn)定。 圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別I IIIIIIIIIIIIVIV V VVIVI 穩(wěn)定性級(jí)別穩(wěn)定性級(jí)別充分穩(wěn)定充分穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定暫時(shí)穩(wěn)定暫時(shí)穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定 支護(hù)級(jí)別支護(hù)級(jí)別飾面飾面構(gòu)造構(gòu)造承載承載特殊承載特殊承載 圍巖分級(jí)、坑道穩(wěn)定性和支護(hù)級(jí)別間的大致關(guān)系圍巖分級(jí)、坑道穩(wěn)定性和支護(hù)級(jí)別間的大致關(guān)系 六、圍巖壓力（荷載）的確定方法六、圍巖壓力（荷載）的確定方法 1松弛壓力松弛壓力 隧道開(kāi)挖后周邊產(chǎn)生應(yīng)力再分配，通常把周邊圍巖視為均隧道開(kāi)挖后周邊產(chǎn)生應(yīng)力再分配，通常把周邊圍巖視為均 勻的連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究，但實(shí)際的圍巖是包含有節(jié)理等力學(xué)上勻的連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究，但實(shí)際的圍巖是包含有節(jié)理等力學(xué)上 不連

48、續(xù)面，面的強(qiáng)度對(duì)特定的方向是很低的，如在強(qiáng)度低的方不連續(xù)面，面的強(qiáng)度對(duì)特定的方向是很低的，如在強(qiáng)度低的方 向作用一個(gè)力，就容易產(chǎn)生面的分離和相對(duì)移動(dòng)，就不能保持向作用一個(gè)力，就容易產(chǎn)生面的分離和相對(duì)移動(dòng)，就不能保持 作為連續(xù)體的動(dòng)態(tài)。也就是說(shuō)，圍巖會(huì)產(chǎn)生松弛。這部分的巖作為連續(xù)體的動(dòng)態(tài)。也就是說(shuō)，圍巖會(huì)產(chǎn)生松弛。這部分的巖 塊如果沒(méi)有支持，就會(huì)以重力的形式掉落。設(shè)置支持這種巖塊塊如果沒(méi)有支持，就會(huì)以重力的形式掉落。設(shè)置支持這種巖塊 的支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，這種松弛的巖塊作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力就稱(chēng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，這種松弛的巖塊作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力就稱(chēng) 為松弛壓力。為松弛壓力。 圖圖1 1 不同圍巖的崩塌高

49、度與頻率不同圍巖的崩塌高度與頻率 圖圖2 2 彈性波速度與松弛高度彈性波速度與松弛高度 變形變大后變形變大后p pi ip p即作用在支護(hù)即作用在支護(hù) 結(jié)構(gòu)上的荷載變小。此外，圍巖強(qiáng)結(jié)構(gòu)上的荷載變小。此外，圍巖強(qiáng) 度比變小后，變形將急劇增大。圖度比變小后，變形將急劇增大。圖 中沒(méi)有包括松弛荷載的影響，但變中沒(méi)有包括松弛荷載的影響，但變 形發(fā)展到一定程度以后，需要支持形發(fā)展到一定程度以后，需要支持 松弛荷載的力也要變大。松弛荷載的力也要變大。 從理論上說(shuō)，如不加控制，或控制從理論上說(shuō)，如不加控制，或控制 措施不力，就合產(chǎn)生松弛壓力。圖中實(shí)措施不力，就合產(chǎn)生松弛壓力。圖中實(shí) 線是形變壓力，虛線是松

50、弛壓力。實(shí)線線是形變壓力，虛線是松弛壓力。實(shí)線 和虛線配合起稱(chēng)為特性曲線。對(duì)隧道支和虛線配合起稱(chēng)為特性曲線。對(duì)隧道支 護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，最經(jīng)濟(jì)的情況是按特性曲護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，最經(jīng)濟(jì)的情況是按特性曲 線的最小值設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。但是求出線的最小值設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。但是求出 這個(gè)點(diǎn)是不容易的，但作為這個(gè)點(diǎn)是不容易的，但作為個(gè)概念是個(gè)概念是 必要的。必要的。 裂隙圍巖中塌方輪廓裂隙圍巖中塌方輪廓 圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別總計(jì)總計(jì) 次數(shù)次數(shù)12124848186186777729295 5357357 頻率（）頻率（）3.363.3614.514.554.1054.1020.620.66.806.801.401.40100

51、100 圍巖級(jí)別與塌方頻率表圍巖級(jí)別與塌方頻率表 圍巖級(jí)別與塌方頻率圖圍巖級(jí)別與塌方頻率圖 塌方基本形態(tài)圖塌方基本形態(tài)圖 圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別 局部塌方局部塌方9 9252550506 6- - - 拱部塌方拱部塌方3 3232312912946461212- - 擴(kuò)大拱形塌方擴(kuò)大拱形塌方- - -7 7252517175 5 總計(jì)總計(jì)12124848186186777729295 5 各級(jí)圍巖塌方出現(xiàn)的頻率表各級(jí)圍巖塌方出現(xiàn)的頻率表 由表可見(jiàn)由表可見(jiàn), ,局部塌方一般發(fā)生在局部塌方一般發(fā)生在級(jí)圍巖中級(jí)圍巖中, ,圍巖級(jí)別愈圍巖級(jí)別愈 大大, ,局部塌方的概率愈大。擴(kuò)大的拱形塌方較多出現(xiàn)在圍巖局部

52、塌方的概率愈大。擴(kuò)大的拱形塌方較多出現(xiàn)在圍巖 級(jí)別小于級(jí)別小于的圍巖中。的圍巖中。 圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別塌方類(lèi)型塌方類(lèi)型 、局部塌方為主局部塌方為主 、拱形塌方為主拱形塌方為主 、擴(kuò)大拱形塌方為主擴(kuò)大拱形塌方為主 塌方類(lèi)型與圍巖級(jí)別表塌方類(lèi)型與圍巖級(jí)別表 還應(yīng)該指出還應(yīng)該指出, ,局部塌方的范圍局部塌方的范圍, ,從統(tǒng)計(jì)資料分析從統(tǒng)計(jì)資料分析,級(jí)級(jí) 圍巖時(shí)圍巖時(shí), ,約為約為0.4B, 0.4B, 級(jí)圍巖時(shí)級(jí)圍巖時(shí), ,約為約為0.6B0.6B。這個(gè)數(shù)值可以。這個(gè)數(shù)值可以 作為決定荷裁值時(shí)的參考（作為決定荷裁值時(shí)的參考（B B為開(kāi)挖寬度）。為開(kāi)挖寬度）。 圍巖級(jí)別圍巖級(jí)別 h(m)h(m)0.650.651.291.292.42.44.324.329.69.619.219.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載可由下式?jīng)Q定支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載可由下式?jīng)Q定 n=0.043e0.64(s-1) q=.n(B+H) r r與與 L L的散點(diǎn)圖的散點(diǎn)圖 崩塌圍巖中崩塌圍巖中r r 穩(wěn)定在同 穩(wěn)定在同 一水平的狀態(tài)圖一水平的狀態(tài)圖 接觸壓