隧道及地下工程的基本問題及其研究進(jìn)展PPT課件

1、目 錄隧道及地下工程學(xué)科的基本問題隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其協(xié)同作用隧道及地下工程安全性分析0501020304第1頁/共24頁隧道及地下工程學(xué)科的基本問題01第2頁/共24頁隧道及地下工程學(xué)科的基本問題 隧道及地下工程的基本問題包括隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)與圍巖的作用關(guān)系以及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)等3 個(gè)方面，如圖1 所示. 圍巖穩(wěn)定性的分析和判別是隧道工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，支護(hù)與圍巖動(dòng)態(tài)作用關(guān)系的深化研究是支護(hù)體系及其可靠性設(shè)計(jì)的前提，而支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用體系的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制則是隧道結(jié)構(gòu)抗震和耐久性設(shè)計(jì)的保障.圖1 隧道及地下工程的基本問題 第3頁/共24

2、頁隧道及地下工程學(xué)科的基本問題u 隧道圍巖穩(wěn)定性及其評(píng)價(jià)方法 圍巖穩(wěn)定性是指在一定的尺度和空間條件下圍巖能夠自行穩(wěn)定的時(shí)間，這顯然與圍巖的結(jié)構(gòu)是顯著相關(guān)的. u 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng) 隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的突出特點(diǎn)就是隧道結(jié)構(gòu)體系承受一種超常強(qiáng)度和規(guī)模的外載作用，并且呈現(xiàn)周期性，而結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)模式和程度則取決于隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及兩者的作用關(guān)系，這在某種程度上也決定了動(dòng)力作用的結(jié)果.u 隧道支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系 隧道圍巖變形和破壞是一個(gè)復(fù)雜的過程，通常始于掌子面前方，而在得到有效支護(hù)以后其變形才趨于穩(wěn)定，在此期間, 各種不同形式的干預(yù)共同構(gòu)成復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，并實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用.u 核心

3、問題 圍巖穩(wěn)定性是最為關(guān)鍵的問題，也是研究的重點(diǎn)，它一方面是其他兩個(gè)問題研究的基礎(chǔ)，同時(shí)也是隧道及地下工程的特色和難點(diǎn)，那么，對(duì)隧道圍巖變形破壞機(jī)制的研究和穩(wěn)定性判別就顯得尤其重要和迫切.第4頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)02第5頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng) 在隧道施工影響下，圍巖發(fā)生應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移，通常伴隨著變形與破壞. 隨著圍巖變形的增大,破壞逐漸發(fā)展，圍巖失穩(wěn)范圍增大，出現(xiàn)不同形式的破壞1. 圍巖變形先后經(jīng)歷4 個(gè)階段，自掌子面前方開始，依次為緩慢變形、急劇變形、變形減緩和變形穩(wěn)定，如圖2 所示. 隨著變形的發(fā)展圍巖破壞范圍不斷增大，如圖3 所示.2.1隧道圍巖變形

4、及破壞特性第6頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)圖3 隧道圍巖破壞區(qū)的發(fā)展 第7頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng) 考慮松動(dòng)區(qū)邊界內(nèi)外圍巖穩(wěn)定性的差異性，可將隧道周邊一定范圍內(nèi)喪失整體穩(wěn)定性而無法實(shí)現(xiàn)長期自穩(wěn)的松動(dòng)區(qū)定義為淺層圍巖，如圖4 所示. 這部分圍巖需要及時(shí)支護(hù)；在此范圍以外, 整體穩(wěn)定性較好而且能夠承擔(dān)地層載荷的圍巖則為深層圍巖.若對(duì)深層圍巖采取及時(shí)有效的支護(hù)和干預(yù)則可保持其穩(wěn)定性. 顯然，隧道圍巖通常是由淺層圍巖和深層圍巖復(fù)合而成.2.2隧道圍巖的復(fù)合結(jié)構(gòu)特性第8頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng) 由于地層條件以及工程擾動(dòng)效應(yīng)的復(fù)雜性，圍巖失穩(wěn)具有顯著的突發(fā)性和階

5、段性特點(diǎn)，如圖5 所示. 數(shù)值試驗(yàn)中不同階段的圍巖垮落高度見圖6.每組圍巖失穩(wěn)后都將保持相對(duì)較長時(shí)間的平衡.突發(fā)性表明了圍巖變形破壞發(fā)展由量變到質(zhì)變的累積過程，而階段性則顯然是圍巖失穩(wěn)和破壞的分組性特點(diǎn)，而處于同一組的圍巖具有本質(zhì)的共性特點(diǎn).第9頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng) 對(duì)于復(fù)合隧道圍巖，其載荷效應(yīng)主要由兩部分組成，即淺層圍巖的“給定載荷” 和深層圍巖的“形變載荷”.復(fù)合圍巖的載荷效應(yīng)主要取決于淺層圍巖的范圍和對(duì)深層圍巖變形的控制目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn).基于復(fù)合圍巖基本載荷的理念，可利用圖7 所示的計(jì)算模型對(duì)支護(hù)反力進(jìn)行分析.2.3 隧道圍巖荷載的確定第10頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其

6、載荷效應(yīng) 圖9 中載荷上限包絡(luò)線各組深層圍巖結(jié)構(gòu)層失穩(wěn)后支護(hù)所受最大載荷的變化情況，可由計(jì)算獲得；載荷下限包絡(luò)線則表示結(jié)構(gòu)層尚未失穩(wěn)時(shí)的支護(hù)最小載荷，與結(jié)構(gòu)體系的剛度有關(guān).實(shí)際工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷理論上都在上述網(wǎng)格區(qū)域，據(jù)此可獲得不同圍巖條件下的圍巖特性曲線.第11頁/共24頁隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)u 復(fù)合拱的破壞形式上部垮落：在拱腳完好的前提下，復(fù)合拱結(jié)構(gòu)承載主體向上移動(dòng)，承載結(jié)構(gòu)相較于初始狀態(tài)更加穩(wěn)定，塌方程度會(huì)階段性趨緩，并最終穩(wěn)定.下部滑移：該模式對(duì)復(fù)合拱結(jié)構(gòu)帶來兩個(gè)影響，其一為拱腳失去支撐條件而破壞，其二為維持穩(wěn)定的強(qiáng)力鏈不能構(gòu)成完整閉合環(huán)而發(fā)生重組. 以上兩種影響共同作用，導(dǎo)

7、致拱結(jié)構(gòu)同時(shí)在跨度和高度上向外擴(kuò)展.拱腳失穩(wěn)：相當(dāng)于拱結(jié)構(gòu)的跨度增大，由于穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)具有特定的高跨比，因此最終穩(wěn)定狀態(tài)的拱結(jié)構(gòu)范圍將大于拱頂破壞模式下的范圍，復(fù)合拱拱腳會(huì)向兩側(cè)移動(dòng)，之后，續(xù)隨著上部圍巖的破壞，高度再向上移動(dòng).上述破壞模式對(duì)應(yīng)于3 種不同的復(fù)合拱失穩(wěn)模式，其中后兩種模式都帶來拱腳的破壞，拱腳破壞會(huì)使得復(fù)合拱結(jié)構(gòu)跨度增大，從而導(dǎo)致最終穩(wěn)定狀態(tài)范圍比第1 種情況更大，由此可以推斷在圍巖穩(wěn)定性控制過程中，拱腳的控制是關(guān)鍵，也是控制最終破壞范圍的最有效手段.2.4 復(fù)雜隧道圍巖穩(wěn)定性及載荷特點(diǎn)第12頁/共24頁支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系03第13頁/共24頁支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系1.

8、動(dòng)態(tài)特性. 支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系具有很強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性，主要來源于隧道開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作過程、圍巖的流變特性和混凝土材料的硬化特性.2.階段特性. 支護(hù)- 圍巖體系不同階段的主導(dǎo)因素不盡相同，導(dǎo)致重點(diǎn)問題和相應(yīng)的核心變量始終處于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移和相互轉(zhuǎn)化之中.3.協(xié)調(diào)特性. 支護(hù)與圍巖是不可分割的整體，一方面，支護(hù)可直接承載一部分因隧道開挖而釋放的應(yīng)力或協(xié)助圍巖充分調(diào)動(dòng)自承載能力，防止圍巖坍塌破壞，控制圍巖變形；另一方面，圍巖載荷以及因其變形受到約束而產(chǎn)生的反力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)受載，這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定.圍巖變形、破壞與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的作用表現(xiàn)出明顯的非線性特點(diǎn)

9、，兩者變化發(fā)展的原則是保持整體變形協(xié)調(diào). 一方參數(shù)的變化對(duì)另一方具有依賴性，不同支護(hù)形式之間相互疊加等. 支護(hù)與圍巖作用體系中任何構(gòu)件的失效都有可能導(dǎo)致整個(gè)體系的失穩(wěn)，須綜合考慮.3.1 隧道支護(hù)與圍巖作用的基本特點(diǎn)第14頁/共24頁支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系A(chǔ). 圍巖超前緩慢變形階段. 這時(shí)圍巖受到約束,變形得到一定的遏制，發(fā)展緩慢。B. 從掌子面前方圍巖急劇變形到初期支護(hù)發(fā)揮作用。C. 初期支護(hù)與圍巖發(fā)生有效作用后，圍巖變形得到控制，同時(shí)圍巖產(chǎn)生的形變壓力使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力迅速增大。D. 在初期支護(hù)及超前支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定，這時(shí)已實(shí)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定和安全。四個(gè)階段：3.

10、2 隧道支護(hù)與圍巖動(dòng)態(tài)作用過程第15頁/共24頁隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其協(xié)同作用04第16頁/共24頁隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其協(xié)同作用調(diào)動(dòng)圍巖承載對(duì)于廣義載荷來講，主承載結(jié)構(gòu)是圍巖自身，充分發(fā)揮圍巖的承載功能是隧道設(shè)計(jì)的基本原則，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承載能效率，是最為經(jīng)濟(jì)的工程方案. 協(xié)助圍巖承載在某些圍巖條件下僅靠調(diào)動(dòng)圍巖自承載無法實(shí)現(xiàn)自行穩(wěn)定和平衡，這時(shí)便需要外部結(jié)構(gòu)的介入承擔(dān)部分附加載荷以實(shí)現(xiàn)圍巖的整體穩(wěn)定性和平衡，這也是支護(hù)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)作用特征. 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)承載在對(duì)隧道圍巖的支護(hù)活動(dòng)中，調(diào)動(dòng)和協(xié)助圍巖承擔(dān)的界限并不十分明顯，通常在時(shí)間上是先調(diào)動(dòng)后協(xié)助，在空間上則是調(diào)動(dòng)深層承載、協(xié)助淺層圍巖承載，而在實(shí)際

11、作用過程中是相互依賴和相互包含的，動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)是其相互作用的基本特征，這也是支護(hù)與圍巖關(guān)系復(fù)雜化和作用結(jié)果具有不確定性的重要原因.4.1 隧道支護(hù)的基本作用第17頁/共24頁隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其協(xié)同作用4.2 隧道支護(hù)體系的協(xié)同作用A. 超前支護(hù)核心是防止嚴(yán)重的圍巖超前破壞和冒頂發(fā)生，對(duì)變形控制沒有嚴(yán)格的要求。B. 初期支護(hù)核心作用是遏制圍巖變形，也是控制圍巖穩(wěn)定性的主體，通常應(yīng)具有較高的剛度，對(duì)于復(fù)雜圍巖可在必要時(shí)施作多重支護(hù)。C. 二次襯砌支護(hù)多數(shù)條件下僅作為安全儲(chǔ)備，通常受載并不大，本質(zhì)上對(duì)其剛度要求并不高。支護(hù)分工：第18頁/共24頁隧道及地下工程安全性分析05第19頁/共24頁隧道及地下工程

12、安全性分析圍巖失穩(wěn)類塌方事故由于隧道圍巖的超前失穩(wěn)、破壞或過度變形造成坍塌和冒頂，進(jìn)而引起掌子面的塌方事故。結(jié)構(gòu)失效類塌方事故隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗圍巖的附加載荷，支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用無法達(dá)到平衡狀態(tài)而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。環(huán)境失調(diào)類塌方事故隧道施工引起地層的變形與破壞，造成周邊環(huán)境的變化，環(huán)境結(jié)構(gòu)與地層之間不協(xié)調(diào)而坍塌。5.1 隧道及地下工程安全事故類型第20頁/共24頁隧道及地下工程安全性分析5.2 隧道及地下結(jié)構(gòu)病害機(jī)理與控制1.隧道結(jié)構(gòu)病害特點(diǎn)（1）隧道襯砌背后接觸狀態(tài)不良是隧道結(jié)構(gòu)病害的主要成因之一，并直接影響到隧道結(jié)構(gòu)的安全性.襯砌結(jié)構(gòu)背后接觸松散和空洞的存在是隧道支護(hù)與圍巖接觸不良的

13、主要表現(xiàn)形式，其實(shí)質(zhì)就是在一定程度上惡化了支護(hù)與圍巖的關(guān)系，由此直接或間接地造成各種結(jié)構(gòu)病害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及到運(yùn)營安全，這也是地下結(jié)構(gòu)普遍存在的問題。（2）隧道漏水病害只有在隧道襯砌結(jié)構(gòu)背后具有集水條件和襯砌結(jié)構(gòu)開裂(滲水通道) 兩者同時(shí)發(fā)生時(shí)才會(huì)形成，顯然這兩者均與結(jié)構(gòu)背后的空洞有關(guān).。（3）隧道基地和道床結(jié)構(gòu)的破損本質(zhì)上也是支護(hù)與圍巖接觸狀態(tài)緊密相關(guān)。2.隧道及地下結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與控制 在隧道襯砌結(jié)構(gòu)狀況評(píng)定指標(biāo)體系中，既有定量指標(biāo)，又有定性指標(biāo)，各指標(biāo)之間不具備可比性.為了各評(píng)定指標(biāo)的統(tǒng)一性，提出了“隧道健康度” 的概念，據(jù)此可描述隧道整體結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期使用功能后的安全程度.隧道健康度函數(shù)表達(dá)式： H = f (x1, x2,x3, . , xn) 式中, H 為隧道健康度函數(shù), 取值范圍為0,1；x1, x2, x3, . ; xn 為某評(píng)定指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值.第21頁/共24頁隧道及地下工程的基本問題及其研究進(jìn)展總結(jié)2.針對(duì)支護(hù)與圍巖作用特點(diǎn)，提出了動(dòng)態(tài)作用過程的四階段原理，明確了每個(gè)階段支護(hù)與圍巖相互作用的內(nèi)涵和評(píng)價(jià)方法，由此可作為隧道設(shè)計(jì)的依據(jù)。4.從致災(zāi)機(jī)理層面提出了隧道施工安全事故的3 種模式，針對(duì)極不穩(wěn)定的圍巖