隧道设计与施工第3部分 隧道设计基础课件.ppt

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1、2023/2/11,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,第三部分 隧道设计基础,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,一、初始地应力场及其评价,正确掌握和了解地质环境对隧道工程力学行为的作用和影响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。围岩初始地应力场,一般受到两类因素的影响:第一类：重力、温度、围岩物理力学性质、构造、地形等经常性的因素。第二类：地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。初始地应力场由两种力系构成:=y+T 式中 y：

2、自重应力分量;T：构造应力分量。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,1、重力应力场 设围岩是线性变形介质，在xy平面内是均质的,沿y轴方向是非均质的。设E、分别为沿垂直方向的弹性模量和泊松比,E1、1为沿水平方向的弹性模量和泊松比，因围岩的变形性质沿深度而变,故可定:E=E(y)，=(y)、E1=E1(y)、1=1(y)，单位体积重量也认为是沿深度而变，即=(y)。距表面h深处一点的应力状态可表示为：y=0h(y)dy x=x(y)z=z(y)xy=xz=yz x=z=/1-y,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,当垂直应力已知时,水平应力的大小决定于围岩

3、的泊松比。大多数围岩的泊松比变化在0.150.35左右。围岩的初始地应力场是随深度而变的,其应力状态可视围岩的不同,分别处在弹性的、隐塑性的及流动的三种状态。围岩的隐塑性状态在坚硬围岩中约在距地面10km以下,也有可能在浅处产生,如在岩石临界强度低如泥岩等的地段。通常情况下,在隧道所涉及的范围内,都可视初应力场为弹性的,这一点亦可由部分量测资科所证实。由于地壳运动的结果,岩层会产生各种变态,如变成各种倾斜状的、弯曲的等等。在这种情况下,围岩的初始地应力场也有所变化。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,如垂直成层岩石,由于各层的物理力学性质不同,在同一水平面上的应力分布可能是

4、不同的;又如背斜情况,由于岩层成拱状分布,使上覆岩层重量向两翼传递,而直接处在背斜轴下面的岩层则受到较小的应力;在被断层分割的楔形岩块情况中,也可观察到类似情况。下窄上宽的楔形围岩移动时,受到两倒岩块的夹制，因而使应力减小、反之,下宽上窄的岩块,则受到附加荷载的作用。埋深较小时地表起伏较大情况影响也不能忽略。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,2、构造应力 地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称之为构造应力场,它是动态的。由于构造应力场的不确定性,很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场

5、中的作用只能通过某些量测数据加以分析。（1）地质构造形态不仅改变了重力应力场,而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在围岩内,这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。（2）构造应力场在不深的地方已普遍存在,而且最大构造应力的方向,多近似为水平,其值常常大于重力应力场中的水平应力分量,甚至也大于垂直应力分量,这与重力应力场有很大不同。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,陶恩隧道的初始地应力场 南非测定垂直应力与水平应力 比值随深度的变化,从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于500m)实测资料看,小于0.8者约占27.5%。在0.81.25之间者约占42.3%,大于

6、1.25者约占30.2%。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（3）构造应力场很不均匀,它的参数无论在空间上、时间上都有很大变化,特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。3、初始地应力场的评价 围岩强度比的定义是：围岩内部的最大地应力值与围岩强度的比值。围岩强度比：GnRb/max，式中max：围岩内最大地应力值；Rb：围岩抗压强度值。（1）地应力场性质的判定指标 初始地应力场究竟属于一般地应力场，还是高地应力场，可以用围岩强度比加以初步判定。一定不要误解，初始地应力大，就是高地应力场。因为，有时初始地应力场虽然大，其围岩强度比却不一定高。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3

7、部分_隧道设计基础,围岩强度比Gn分级标准,不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（2）判定土压性质的指标 日本仲野采用围岩强度比作为是否产生塑性地压的指标。,不同围岩强度比开挖中出现的现象,（3）作为围岩分级的重要参考指标 在Barton的围岩分级中把围岩强度比作为重要指标。在日本道路公团的 隧道围岩分级中，也把围岩强度比作为中硬岩、软岩及土砂围岩分级的一个重要参考指标考虑。在我国铁路隧道的围岩分级中没有考虑这个因素的影响。一些研究指出：如果在预设计中获得围岩强度比的指标，可以 按表中进行围岩级别的修正。,北京交通大学_隧道设计与施工

8、_第3部分_隧道设计基础,Barton的围岩强度比分级,注：RB：围岩抗压强度；max：最大地应力值；Rt：围岩抗拉强度；SRF：应力状态系数,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,日本围岩分级中的围岩强度比基准,表中说明，并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度比。只是在中硬岩，软岩和土砂围岩中考虑，也不是在所有的级别中考虑，只是在很低的级别中考虑。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,我国初始地应力场的修正,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,二、毛洞的围岩力学状态,（一）、坑道开挖后的二次应力状态 假定：（1）围岩为均质的、各向同性的连续介质

9、；（2）只考虑自重造成的初始地应力场；（3）坑道形状是圆形的；（4）坑道位于一定深度,简化为无限体中的孔洞问题。1、坑道开挖后的弹性二次应力状态 为简单计,设初始地应力场以表示,即x/y,则在围岩中开挖半径为a的圆形坑道后,其二次应力状态可近似用下式表达。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,ry/2(12)(1)(14234)(1)cos2 t=y/2(1+2)(1)-(134)(1)cos2 rt=y/2(1-)(1+22-34)sin2 式中=a/r,当r=a时，表示在坑道周边上。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（1）坑道周边应力状态的规律：当r

10、=a时，上式变成：r=0 t=y(1-2cos)+(1+2cos2),圆形坑道周边切向应力分布,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,认识到以下几点对设计随极为重要：1）=0，即只有初始垂直应力时，拱顶出现最大切向拉应力，并分布在拱顶一定范围内。拱顶处的最大拉应力t等于t=y，相当于初始垂直应力值。拱顶受拉范围约出现在与垂直轴左右各30的范围内，这说明拱顶范围可能产生掉块。2）随着的增加,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。当=1/3时,拱顶切向拉应力等于0。大于1/3后,整个坑道周边的切向应力皆为压应力。这说明,在01/3之间时,坑道拱顶拱底范围是受拉的。由于岩石的抗拉强度较弱

11、,当切向拉应力超过其抗拉强度时,拱顶可能发生局部掉块和落石,但不会造成整个坑道的破坏。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,3）在侧壁范围内,值变化在01.0之间时,周边切向应力总是压应力,而且总比拱顶范围的应力值大。这说明,侧璧处在较大的应力状态下。例如当=0时，侧璧中点（=90）的最大压力等于3y。随着值的增大，侧壁中点的压应力逐渐减小，当=1时,其值变成t=2y。侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁剪切破坏或岩爆（分离破坏）的主要原因之一。而且,常常是整个坑道丧失稳定的主要原因,应予以足够重视。4）当=1（即初始垂直应力与初始水平应力相等）时,坑道周边围岩各点的应力皆相

12、同。即为一常数值（t=2y）。这种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。5）通常围岩的侧压力系数变动在0.20.5之间。在这个范围内,坑道周边切向应力t都是压应力。因此,要十分注意切向应力的变化,它是造成坑道破坏的主要原因之一。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（2）围岩应力向深处变化的规律,沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布a)=0的情况 b)=1的情况,1）侧壁中点（90）,在=01.0时坑道周边的切向应力都为正值（压应力）。最大值为t=3y(=0),最小值为2y(=l)。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,2）拱顶处（=0）,在周边上的t值由-y（=0

13、）变到2y（=1）。当=1/3时,t=0。随着r的增加,当=0时,t接近于0，当=1时,接近y，即都逐渐接近于初始的应力状态。r 值在=0和=1时,变化大致相同,即由0逐渐增加到y值。由此可见,坑道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视值其范围大致在（57）a左右。愈大，范围愈大。在此之后,围岩仍处在初应力状态。这说明:坑道开挖对围岩的影响(扰动)是有限的。3）在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a（=0）,而后转变为压应力.这也说明,坑道围岩内的拉应力区域是有限的,而且只在小于1/3时的情况下出现。前已指出,拉应力区的存在对造成围岩的局部破坏（松弛、掉块、落石）是有影响的。尤其是在

14、大跨度洞室的情况下。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(3)坑道位移状态 在平面问题中，坑道周边的位移ua可由下式决定 ua=1+/E.a.y 从上式可求出隧道周边各点的位移，当值不同时，围岩值及其分布状态也不同。,不同值条件下圆形坑道周边位移分布,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,在不同的值条件下,开挖后的断面收敛状态示。当=1时,隧道断面是均匀缩小的,随着值的减小,隧道上、下顶点继续向隧道内挤入,水平直径处则减小,而变成扁平的断面形状。坑道位移状态说明，坑道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定的值条件下（0.25），在水平直径处围岩有向两侧

15、扩张的趋势。而且在多数情况下,拱顶位移(即拱顶下沉)均大于侧壁(水平直径处)位移。2、坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态 在深埋隧道或埋深较浅但围岩强度较低时，上述应力状态可能超过围岩的抗压强度。此时坑道或发生脆性破坏，如岩爆、剥离等(坚硬、脆性、整体的围岩中)或在坑道附近围岩内形成塑性应力区域,发生塑性剪切滑移或塑性流动。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这种性质而造成的。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,变形仍将继续。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坑道内

16、滑移。塑性区的围岩因而变得松弛,其物理力学性质(c、E、等)也发生变化。对设计有实际意义的是：塑性区内的应力应变状态和塑性区范围的大小、形状。塑性区应力状态由下式确定:rpRb/(-1)(r/a)-1-1 tp=Rb/(-1)(r/a)-1-1 roa2/(+1)(y(-1)+Rb)/Rb1/-1=(1+sin)/(1-sin),北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,塑性区边界及应力状态,式中指出,塑性区边界r0与围岩的初应力状态（y）,围岩本身的物理力学性质（E）及坑道开挖尺寸（a）等有关。坑道半径愈大,围岩愈差,初始应力愈大,塑性区域也愈大。显然，当1时，塑性区的形状也是一

17、个圆形。当1时，塑性区的形状和范围有很大的变化。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,已知c=2.5MPa、=30、h=15MPa、y=15MPa,当分别为0、0.2、0.5、0.75和1.0时，得到的塑性区边界于下图。,不同值的圆形坑道围岩塑性区的形状和范围,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,马蹄形坑道塑性区的形状和范围,埋深对塑性区形状的影响,坑道形状对塑性区的影响,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,不同形状坑道的应力集中系数,坑道开挖后如果不加支护，坑道围岩将会经过应力集中形成塑住区向坑道内位移塑性区进一步扩大坑道围岩松弛、崩塌、

18、破坏等几个过程。这个过程视围岩的性质、坑道尺寸和形状,有长有短。也并不是所有坑道破坏都要经过上述几个阶段。例如在整体、坚硬的脆性岩体中可能形成自稳坑道。在松散岩体中,坑道会迅速达到崩塌等。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（二）、毛洞的稳定性及其破坏 无支护坑道岩体有三种丧失稳定的形式：(1)局部崩塌：主要是由地质构造上的原因造成的。由于围岩松弛的自重作用,超过它们脱离围岩自身的阻力而在顶部,较少的在侧壁造成局部崩塌。(2)拱形崩塌：由于自重应力场开挖后形成的二次应力场即应力集中造成围岩破坏而形成的崩塌。在这种情况下,围岩破坏一般从坑道侧壁开始,同时围岩的破坏和位移也可能

19、发生在顶部和底部。属于强度破坏之例。(3)变形持续增大：在塑性性质显著的围岩中,稳定的丧失是由于塑性变形产生过度的位移,但无明显的破坏迹象。破坏通常是从底部开始的，而逐步影响到侧部和顶部。主要在软岩及膨胀性或挤入性围岩中发生。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,坚硬完整的岩体,应力分布与理想的弹性连续介质极为接近,应力超过岩石强度就认为不稳定。如果岩石具有塑性性质,则其稳定性分析基础就应是弹塑性模式的应力应变状态。对脆性岩体：目前主要是用统计方法研究坑道周边岩体局部破坏并形成崩塌的过程。把崩塌的计算参数与标准值相比较,得出无支护坑道正常使用的可能性。参数有：崩塌尺寸和出现大

20、尺寸崩塌的概率,有些研究指出,在这种情况下，可用下式判断无支护坑道的强度。,PN(S容许)0 P容许,式中：S容许现行规范允许的无支护坑道崩塌尺寸;N（S容许）坑道周边上尺寸SS容许的崩塌数量;PN(S容许)0在坑道周边出现SS容许崩塌的概率;P容许规范允许出现这种崩塌的概率。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,前苏联S容许及P容许的建议值,在脆性围岩中，围岩强度条件产生的正常使用的破坏，比周边位移达到的极限值要来得早一些。因此在脆性岩石中通常都是以强度条件为破坏标准的。目前,一般认为在脆性岩体中坑道稳定性多数是以侧壁开始出现破坏(压裂、剪切破坏)作为标准的。其值可由沿坑道

21、周边出现的最大切向应力和岩体强度的比值来决定：KHRb 或 H/RbS,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,对塑性岩石：岩石的塑性可以用沿最大主应力方向的残余变形的极限值或总变形的极值（图）来表示.弹塑性围岩的应力应变曲线图具有塑性性质的围岩稳定性的标准可由下式确定：KHRbKy,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,总结以上，在定性评价时，可根据压力显现形式、围岩性质等参考表对坑道的破坏形态以及围岩的力学动态加以初步判定。坑道稳定性的定性评价表,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,此外，目前在评价坑道稳定性时有时采用掌子面的自稳时间作为一个

22、判定指标。根据铁路隧道的实践，提出的坑道自稳时间的大致基准，可作为参考。坑道自稳时间实例,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,有效宽度指无支护地段的长度（m），虚线标志的范围是适用限界。图中代表围岩分级的级别及应采用的 支护结构类型。此分级在欧洲一些国家应用较多。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,三、支护后围岩的应力状态,坑道围岩的三次应力状态也就是支护参与工作后的围岩应力状态。它对支护结构设计具有直接而重要的影响。坑道开挖后的应力状态，前已指出有两种情况：一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的,在这种情况下，原则上坑道是自稳的，是无需支护的，即使支护也

23、是防护性的。一种是开挖后坑道围岩产生塑性区，此时坑道都要采取相应的支护结构，来提高围岩的自支护能力。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（一）、支护阻力对坑道周边应力分布的影响 坑道施加初期支护后，在理论上可以把它抽象为相当于在坑道周边上施加一阻止坑道围岩变形的阻力，在这个支护阻力的作用下，改变了围岩开挖后的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有很大的影响。为了便于分析假定：1、不管何种支护结构，其作用都抽象为支护阻力P；2、其作用方向假定为径向的，实际上还有切向的；3、支护阻力沿坑道周边均匀分布的，并作用在全周边上；4、支护的作用上在坑道开挖后立即发挥的。,

24、北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,(1)在弹性应力状态下,当坑道周边有径向阻力pa时,周边应力r和t 的表达式是由两部分组成的，即：ry(1-2)+pa ty(1+2)-pa 式中a/r。前一项是初始地应力场造成的,后一项是支护阻力pa形成的。,下面分两种情况来谈:,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,当=1，即r=a时 rpa t2y-pa 由此可见支护阻力的存在，使周边的径向应力增大,而使切向应力减小。实质上是使直接靠近坑道周边的岩体的应力状态从一维（或二维）受力状态变成二维（或三维）受力状态，因而提高了围岩的承载能力。实质上就是提高了围岩的自支护能力

25、。(2)在塑性应力状态下，当坑道周边有径向支护阻力pa时，其应力值和塑性区范围也有所变化。如塑性区范围ro可由下式决定：,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,ro=a2/(+1)(y(-1)+Rb)/(pa(-1)+Rb)1/-1 式中：(1+sin)/(1-sin),周边作用有支护力时坑道的塑性区,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,上式表达了在其条件（Rb、a）已知时，径向支护阻力pa与塑性区ro之间的关系。该式说明,随着pa的增加,塑性区ro相应减小。这说明径向支护阻力pa的存在对形成塑性区的范围有直接的影响。它限制了塑性区域的发展，这是支护阻力的一个

26、很重要的支护作用.例如，若坑道开挖后,不修筑衬砌，即径向支护阻力pa=0时,形成最大塑性区。实例:设Rb12Mpa、=30.9、y=31.2Mpa、a=2.0m。当pa分别为0、2、5、8、10.1MPa时，其塑性区的范围列于表。,塑性区计算结果,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（二）、支护阻力对坑道周边位移状态的影响 坑道应力重分布的结果,也必然伴随着变形的发展。这种变形表现在坑道直径的减小,即坑道壁向坑道内的径向位移ua。在一定条件下,允许变形（位移）愈大，即ua愈大,塑性区范围也愈大,而所需的支护阻力也愈小。因此,有必要搞清楚支护支护阻力pa与ua的相互关系。,圆形

27、坑道周边的支护力与位移,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,前面所述,在弹性应力状态下,坑道周边位移等于 而在塑性应力状态下的坑道周边位移则为 当有支护阻力Pa时，上述公式分别为：注意式中的r0项中,包含着pa项。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,分析支护阻力pa对位移状态的影响：当坑道岩体处于弹性应力状态时,当pa=0,而当ua=0时,pa=y,即欲使坑道周边不产生位移,就需要有相当于初始应力大小的支护阻力,使坑道围岩仍处于初应力状态之中,显然这是不可能的。,围岩为弹性状态时的pu曲线,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,实例：当y=

28、50MPa、E1105MPa、0.2、c5MPa、30时,pa与ua/a的关系示于图。可以看出,随着ua/a值的增大,pa则逐渐减少，反之随着支护阻力pa减小,ua也逐渐增大。,pa与ua/a的关系 开挖后围岩特征曲线,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,这种相互作用表明,当ua/a达到最大值,即ua/a(max)图中的B点时坑道仍然是稳定的话,则岩体负担了应力重分布的全部结果。反之,当ua/a=0时,则需要有相当于的支护阻力（图中的C点）。也就是说,应力重分布的全部都要由支护结构负担。而岩体的承载能力丝毫也没有利用。在通常情况下,应力重分布的结果是由岩体和支护结构共同负担的

29、（例如图中的A点）,其中岩体负担的部分是。因此,有人把这条曲线称之开挖后的岩体特征曲线。综合上述,得到支护阻力pa的存在控制了坑道岩体的变形和位移。从而控制了岩体内塑性区的发展和应力变化,这就是支护结构的支护实质。同时由于支护阻力的存在也改善了周边岩体的承载条件,从而相应地提高了岩体的承载能力。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,四、开挖后的围岩特性曲线,以单线铁路隧道为例，具体说明各类围岩的特征曲线的特征及其应用。设定坑道半径a3.0m，各级围岩的计算指标列于表中。,各级围岩的计算指标,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,II级,III级,IV级,V级,

30、VI级,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,从计算结果可以大致看出:级围岩在埋深1000m以内,基本上是自稳的,可无须支护。其他各级围岩,视埋深不同,坑道稳定性是不同的,应分别采用不同类型的支护结构。图中是根据上表数据,a=3m时绘制的围岩特征曲线。所有的曲线都是随着ua的增加,pa呈单调地减小。以级围岩为例，当埋深为400m时，如容许位移ua为4cm，则所需支护阻力pa为3MPa左右。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,五、围岩的工程性质评价,在预设计中，把类似的围岩按其施工动态进行围岩分级，并与标准支护模式对应，以提高设计的效率和合理化程度。我国铁路隧

31、道和公路隧道采用同样的围岩分级方法，把围岩基本上分为六级。隧道围岩分级是以坑道稳定性为前提进行分级的，即把稳定性大致相同的地质条件归属于同样稳定性的一级。从根本上说，在坑道工程中，如何保证坑道的暂时稳定（施工期间）和长期稳定（运营期间）始终是一个基本的、关键性的问题。而要做到这一点，就要从理论上、实践上解决坑道稳定性的问题。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,所谓的坑道稳定性是指一定尺寸的坑道，在不加任何人工支护条件下的稳定状态。根据铁路隧道施工实践，隧道开挖后的稳定状态分为以下四类：1）坑道充分稳定 无需任何人工支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。在特殊情况下会出现岩爆

32、现象。2）坑道稳定 在大块状构造的岩体及整体状的中硬岩（Rb30MPa）中开挖坑道时，坑道会因爆破、岩块结合松弛而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，围岩具有一定的自支护能力。层间结合差的平缓岩层，顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部人工支护或轻型的全面人工支护。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,3）坑道暂时稳定 大多数坑道都属于这个类型。在具有碎（石）块（石）状构造的围岩中，坑道开挖后常常呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道常呈拱形处于暂时稳定状态。暂时稳定的时间，有长有短。在外界（如爆破、支撑顶替、回填不及时等）和内部（如地下水等）条件影响下，坑道如不及

33、时采取人工支护会进一步丧失稳定。因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的人工支护措施。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,4）坑道不稳定 在块石土、堆积土等围岩中，坑道在不支护条件下是难于开挖的，随挖随塌，常常要先支后挖，围岩无自支护能力，或自支护时间极短，即需要采取稳定掌子面的辅助施工方法，如管棚、小导管等超前支护。坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，在浅埋条件下，有时可塌到地表面或在地面形成沉陷盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大荷载。在这种情况下，需要采取专门的人工支护措施和特殊的施工方法来保证坑道的稳定。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,坑道支护，

34、从性质上看，主要分为自支护和人工支护两部分。自支护是指围岩自身所具有的支护能力。而人工支护则指在自支护能力不充分的条件下，人为地采取的支护措施。两者共同构成了坑道的永久支护体系。在施工期间为了保证施工安全、减少坑道围岩松弛、及时地控制地压的发展，更主要的是为了控制围岩自支护能力的降低，从而更充分地利用围岩自身的自支护能力，常常需要对坑道进行一次支护，也就是所谓的一次支护。也可以称谓施工支护。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,一次支护不仅在施工期间能够维护坑道的稳定或暂时稳定，还能够与二次支护一起，发挥永久支护的作用。在现代的隧道施工中，一次支护主要采用了喷混凝土、锚杆等。

35、衬砌也是人工支护的一种类型。在目前的设计原则中，主要是在运营期间和初期支护一起，维护坑道的长期稳定和耐久性的基本结构。根据坑道稳定性的分级和构筑支护方式的组合情况，人工支护类型，大体上分为以下4类：（1）饰面支护或防护支护：利用围岩的自支护能力。（2）构造支护：利用围岩自支护能力，为防止围岩在长期使用过程中，自支护能力的降低，而采取的构造上的措施。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（3）承载支护：由围岩自支护能力和一般人工支护构成，二次支护是不承载的（4）特殊承载支护：由围岩自支护能力、一般人工支护和超前支护构成，二次支护是承载的。隧道的围岩分级，是把具有不同坑道稳定性和

36、支护结构的围岩组合到一起进行分级的一种方法。根据铁路隧道的施工实践，目前采用的围岩分级与坑道稳定性和支护类型之间的关系如表所示。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,围岩分级、坑道稳定性和支护级别间的大致关系,上述分析是针对单线铁路隧道而言的。双线铁路隧道或双车道公路隧道、大断面坑道的情况下，原则上是基本相同的，仅仅在支护结构的参数和构成上有些差异而已。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,六、围岩压力（荷载）的确定方法,（一）、围岩压力的主要类型1松弛压力 隧道开挖后周边产生应力再分配，通常把周边围岩视为均匀的连续介质进行研究，但实际的围岩是包含有节理等力

37、学上不连续面，面的强度对特定的方向是很低的，如在强度低的方向作用一个力，就容易产生面的分离和相对移动，就不能保持作为连续体的动态。也就是说，围岩会产生松弛。这部分的岩块如果没有支持，就会以重力的形式掉落。设置支持这种岩块的支护结构时，这种松弛的岩块作用在支护结构上的压力就称为松弛压力。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,下图1是日本根据施工中掌子面或掌子面后方的崩塌事例，表示崩塌高度在不同围岩中发生的频率。图2表示根据地中位移计推定的松弛高度与调查时的弹性波速度的关系。对三车道隧道那种扁平的断面，不仅断面的形状不稳定，越宽可能崩塌岩块的范围也越大，比双车道有不稳定增加的趋势

38、。因此，断面大，松弛范围也会增加。,图1 不同围岩的崩塌高度与频率,图2 弹性波速度与松弛高度,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,2形变压力 与初始地应力比，围岩强度小的场合，围岩的动态是受围岩强度比支配的。形变压力是因开挖中的应力重分配和围岩位移与支护结构的相互作用产生的压力。应该说，在喷混凝土或钢支撑上作用的压力，基本上属于形变压力。采用FEM解析方法求的支护结构上的接触应力，实质上也就是这里所谓的形变压力。,变形变大后pip即作用在支护结构上的荷载变小。此外，围岩强度比变小后，变形将急剧增大。图中没有包括松弛荷载的影响，但变形发展到一定程度以后，需要支持松弛荷载的力也

39、要变大。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,从理论上说，如不加控制，或控制措施不力，就合产生松弛压力。图中实线是形变压力，虚线是松弛压力。实线和虚线配合起称为特性曲线。对隧道支护结构来说，最经济的情况是按特性曲线的最小值设计的支护结构。但是求出这个点是不容易的，但作为个概念是必要的。,（二）、围岩压力的确定方法1松弛压力的确定 通过对一定数量的施工塌方“事件”的统计分析,能够反映裂隙围岩中的围岩压力，即铁路隧道支护结构的设计荷载的基本特征。这种方法构成了以铁路隧道围岩分级为基础的确定围岩压力的基本方法。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,在裂隙围岩中开挖

40、坑道后视围岩结构面的性质而发生岩块滑动、掉落、松弛等现象,这是产生围岩压力的基本原因。支护结构为了阻止岩块的滑移、松弛而承载。坑道施工塌方常常是这类围岩破坏的最直接的表现形式,下图是铁路隧道在这类围岩中施工塌方的部分轮廊图,具有一定的典型意义。可以看出,裂隙围岩围岩压力的基本形态多是局部的,不对称的,具有很大不均匀性,尤其在大块状围岩中。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,裂隙围岩中塌方轮廓,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,围岩级别与塌方频率：在各类围岩中塌方发生频率如表及图所示。,围岩级别与塌方频率表,围岩级别与塌方频率图,由表及图可见,多数塌方发生

41、在围岩级别在的围岩内。这是典型的裂隙围岩的一个基本特征,即易于崩塌。严格地说围岩级别小于以后并不属于裂隙围岩的范畴。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,塌方类型：（1）局部塌方。多数是在拱部,有时也出现在侧壁,主要在大块状围岩中（2）拱形塌方。一般发生在层状围岩或碎块状围岩中（3）异形塌方。是由于特殊的地质条件（溶洞、陷穴等）及地形条件（浅埋、偏压等）等造成的,已将其从统计资料中删除。,塌方基本形态图,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,各级围岩塌方出现的频率表,由表可见,局部塌方一般发生在级围岩中,围岩级别愈大,局部塌方的概率愈大。扩大的拱形塌方较多出现

42、在围岩级别小于的围岩中。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,依上所述,围岩级别与塌方类型的关系列于表。,塌方类型与围岩级别表,还应该指出,局部塌方的范围,从统计资料分析,级围岩时,约为0.4B,级围岩时,约为0.6B。这个数值可以作为决定荷裁值时的参考（B为开挖宽度）。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,塌方高度：在357个调查数据中，以其算术平均值作为数学期望值，各类围岩的算术平均值列于表。,各类围岩的塌方统计高度（m）表,支护结构的设计荷载可由下式决定 n=0.043e0.64(s-1)q=.n(B+H),北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道

43、设计基础,在裂隙围岩中支护结构上的设计荷载,基本上可以由上式确定,但在具体应用中还应考虑下述各点:（1）荷载分布的不均匀性:前已说明在类及V类围岩中,局部塌方是主要的,因此荷载作用是局部的,在其他各类围岩中,塌方轮廓也多是不规则的,因此荷载分布状态也应有所不同,故在地下结构设计中,应该充分满足多种荷载图形的要求,这虽然加大了计算的工作量,但使结构设计更趋于接近实际。（2）把q视为（B+H）的函数,但是B和H对q值的影响是不等价的。也就是说,跨度的增加与高度的增加对荷载值的影响是不同的,前者显著,后者不显著。（3）在下列情况下亦不宜采用上式：有明显偏压或膨胀性的围岩;非矿山法施工,如采用时,应适

44、当降低荷载值;喷锚支护,因荷载性质有很大不同,亦不宜采用;浅埋隧道。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,2形变压力的确定 形变压力主要体现在喷混凝土或锚喷支护的接触压力上。国内外在喷混凝土或喷锚支护结构上进行的接触应力的实地量测成果作为分析形变压力的依据。（1）接触应力由两个分量,即切向应力分量和径向应力分量组成,而且切向应力远较径向应力大。t的实际存在并远远大于r说明：喷混凝土支护与围岩有较高的粘结力,它不仅能承受径向应力,也能承受切向应力。切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度以及大大减少支护结构中的弯矩值,从而

45、极大地改善围岩的受力状态及支护结构的内力状态,这与模筑混凝土衬砌和周围围岩的相互作用有很大不同。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（2）径向接触应力的统计平均值约在297kPa,其值与地质条件、坑道跨度、埋以及喷层厚度等因素有关,这些变量对t的影响,虽然没有明显的规律性,但根据线性回归分析可以大体判明,坑道跨度的影响显著,埋深次之,因此下面我们着重分析坑道跨度与r的关系。现在就r和L之间进行回归分析,得出下式：r=0.158L1.372,r与 L的散点图 崩塌围岩中r 稳定在同 一水平的状态图,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（3）埋深h的影响。埋深

46、对接触应力r值也表现了一定的影响，一般说随着h的增加r也有所增长，但不显著。从量测值看r的平均值为297kPa。在理深较小时，例如20m以内的几座隧道，r均小于此值，约在100150kPa。在中等埋深时，大体在平均值左右，即300kPa左右。当埋深较大时，约增至400kPa左右。为了计及埋深的影响可采用下式：r=0r K 式中：0r 为初始地层压力值；K为埋深影响系数，当H20m时，K=0.85，50Hl00m时，K=1.0，H500m时，K=1.25。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（4）喷层厚度的影响。一般说，喷层较薄（d20cm后，有急剧增加的趋势。如果以d/L作

47、为衬砌相对刚度的指标，亦可得出相应的回归方程 r=17.05(d/L)0.47 式中d:喷层厚度（m）；L:坑道跨度（m）。随d/L 的增大，即随衬砌刚度的增大而呈非线性的增长。由此可见，为了充分发挥围岩的承载能力，保证喷层柔性的力学特性是很重要的，即喷层厚度不宜过厚，以20cm为宜，同时为保证喷层的结构作用，其厚度亦不宜过薄，至少在8cm以上。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（5）关于接触应力的分布状态。下图为一些隧道量测的接触应力分布实态。其中除了明显受到地质结构的强烈影响外，在一般情况下径向接触应力分布的不均匀系数如下:普济隧道：0.524 陶恩隧道：0.910.

48、93 列宁格勒地铁：0.38 法兰克福地铁：0.22 纽伦堡隧道：0.086 其中除陶恩隧道外，均在0.5或小于0.5。这说明荷载分布还是比较均匀的。一般说侧壁范围的荷载通常较拱部范围大些。因此，在薄壁衬砌的初步设计中，荷载图形最好采用径向均布。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,接触压力实测值（kPa）,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,七、围岩的物理力学参数,在标准设计或解析设计中，合理地选择围岩的物理力学参数的异常重要的。（一）、输入物性值 采用有限元法进行设计时，要充分考虑计算手法、计算上的假定，采用适合的物性值。特别是，要充分考虑围岩物性值对解

49、析结果的巨大影响慎重地设定。在有限元解析中，根据解析程序，需下列的输入物性值。初始地压；围岩的变形特性；围岩的流变特性；掌子面进展的参数。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,对应围岩级别的标准值,关于围岩的输入物性值，原则上，要通过物性试验决定，但在一般围岩中，不进行试验的情况下，可采用下表的标准值作为输入物性值。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,其他输入物性值的标准值,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,（二）、围岩输入物性值的统计分析1.概述 围岩物性值是反映围岩基本性质的指标。通常，围岩的物性值是由岩石或土体的试验值，通过一定的

50、人为的、经验的处理决定的。并不是所有的工程都具备这种条件，因此，就不得不寻求经验的解决方法。目前的解决方法，就是根据某些围岩分级方法给定的围岩物性值，进行解析，并通过施工过程的检验、反馈和修正。,北京交通大学_隧道设计与施工_第3部分_隧道设计基础,2.围岩物性值的统计分析 1）围岩物性值的汇集 国内外围岩分级中大都给出了各级围岩的物性值。这些物性值反映了各自国家的技术水平和对围岩性质的认识，是有一定代表性的。可以作为分析问题的基础。从统计得到的围岩物性值可以看出，在围岩级别相同的条件下，各物性值的差异不大，并具有统计上的规律。因此，采用统计方法进行物性值的分析，是可行的。,北京交通大学_隧道