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1、隧道工程力学原理,第四章 坑道稳定性态与支护结构概论 第一节 概 述 地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部，如人群、车载、水力、风力等等。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同并相互作用的结构体系，即地下结构支护结构周边围岩；其中以地层为主，各种围岩都是具有一定程度的自支承能力的介质，也就是说，周边围岩在很大程度上是地下结构承载的主体，支护仅用来约束地层，不使它产生过大的变形而破坏、坍塌。在地层稳固的情况下，体系中甚至可以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土窑洞。地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身地层，故称为地层压力
2、或围岩压力。所以说，在地下结构,隧道工程力学原理,体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。在隧道工程这样的地下结构中，地层起主导作用。隧道工程的一切活动(包括：能否顺利地建成，使用中是否会出现问题，以及工期长短，投资多少等等)无一不与隧道所在区域的地层条件，也就是它所赋存的地质环境息息相关。了解和认识地质环境，研究它在工程建设活动中的变化，制定有力的工程措施，使这种变化不危及隧道的安全，乃是隧道工程勘测、设计和施工中的头等大事，应当受到充分重视。隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、地层中的原始地应力
3、状态以及地温梯度等。对隧道工程来说，最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。,隧道工程力学原理,地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。所以说，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题，它包括隧道围岩破坏或稳定的规律、影响围岩稳定的主要因素、标志围岩稳定性的指标和判断准则、分析围岩稳定性的方法以及为维护围岩稳定而必须采取的工程措施(如施工程序和方法、支护结构的类型、数量和架设时间等)。对隧道工程地质环境的认识和处理，科学的方法应该从围岩变形与破坏的根本作用力围岩的原始地应力出发，结合围岩的工程性质，施工对地层原始状态干扰和破坏的
4、程度等进行综合研究，并根据围岩与支护结构共同作用，用围岩为主的观点来制定施工程序和进行支护结构设计。,隧道工程力学原理,第二节 围岩失稳破坏性态与稳定程度 隧道围岩失稳破坏大致有以下五种情况：1脆性破裂 整体状和块状结构岩体，仅产生局部掉块或岩爆。2块状运动 块状或层状岩体，向临空面运动，逐渐形成块体塌落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。3弯曲折断破坏 层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，易产生下沉弯曲鼓出，进而张裂、折断形成塌落体。4松动解脱 碎裂结构岩体，容易松动、溃散(解脱)而成碎块脱落、坍塌。,隧道工程力学原理,5塑性变形和剪切破坏 散体结构岩体或碎裂结构岩体，表现为坍方、
5、边墙挤入、底鼓以及洞径缩小等等，而且变形的时间效应比较明显。根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：1)充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。,隧道工程力学原理,3)暂时稳定的。大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。在外界（如爆破、重新更换支撑等）和内部（如地下水等）条件的影响下，坑道如不及时
6、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支护措施。4)不稳定的。坑道在不支护条件下是难以开挖的，随挖随坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，有时可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。,隧道工程力学原理,第三节 支护结构的基本要求 支护结构的基本作用在于：与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系，能承受可能出现的各种荷载；保持隧道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；提供空气流通的光滑表面。支护结构的基本要求如下：1.与围岩牢固地面接触，即保证支护结构与
7、围岩作为一个整体进行工作。,隧道工程力学原理,2.尽可能设初期支护，并使早期支护与永久支护相互配合，协调一致地工作。尽量不设临时支护。3.使围岩产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力。采用柔性支护，使得接触压力分布均匀，支护结构中的弯矩较小。4.及时施作支护结构，即支护结构应在坑道围岩达到极限平衡之前发挥其承载作用。支护过晚会使围岩暴露、产生过度的位移而濒临破坏(极限平衡)。原则：控制变形的增长速度。5.围岩变则支护变。支护结构要能根据隧道围岩的动态(位移、应力等)，及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。办法：可采取分期喷射砼、增设锚杆或调整其参数(间距、锚杆直径和长度)等方法来
8、实现。,隧道工程力学原理,最后，支护结构还要满足易于架设、构件可以互换、断面类型单一、便于改变刚性等施工要求。第四节 支护结构类型的选择和设计 根据其使用目的，支护结构可分为：防护型支护。适用于充分稳定的岩体。通常是采用喷浆、喷混疑土或单独锚杆来完成的。作用是封闭岩面，防止风化。构造型支护。适用于基本稳定的岩体。通常采用喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土等支护构件。坑道开挖后可能出现局部掉块或崩塌。支护结构的参数只要满足施工及构造上的要求即可。承载型支护。适用于暂时稳定或不稳定的岩体。承载型支护是隧道支护的主要类型。视隧道围岩的力学动态，它可分为轻型、中型及重型等。可采用喷混凝土、锚杆、金属网
9、及钢拱架等作为初期支护，模筑混凝土作为二次支护。支护要通过计算确定。,隧道工程力学原理,按照支护的方式分有：外部支护，即从外部支撑着坑道的围岩（如模筑混凝土整体式衬砌、砖石衬砌、装配式衬砌、喷射混凝土支护等）；内部支护，即对围岩进行加固以提高其稳定性（如锚杆支护、压入浆液等）；混合支护，即内部与外部支护混合一起的衬砌（如喷锚支护）。,隧道工程力学原理,从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的型式分为以下四类：整体式模筑混凝土衬砌 装配式衬砌 喷锚支护 复合式衬砌 根据采用的材料和系统可分为：（1）木支撑（2）钢支撑（3）锚杆和金属网支护（4）混凝土和喷射混凝土 混凝土支护，包括混凝土预制块支护 喷射混凝
10、土支护（5）组合支护 钢支撑加背板 喷射混凝土与锚杆 喷射混凝土、钢支撑和锚杆等。,隧道工程力学原理,支护类型的选择主要根据下述条件决定：（1）对预计的主要岩体类型的评价（2）对岩体类别变化的适应性（3）对很大的或特殊地压的适应性（4）对地下水性质的适应性（5）经济（6）作业时间消耗,隧道工程力学原理,在设计支护结构时应注意：支护结构最好设计成封闭式的，一般都应有仰拱，封闭式结构具有最佳的抵抗变形的能力，即使在厚度较小时，亦能提供较大的支护阻力。对于抗拉性能较差的混凝土类支护结构，应尽量避免受弯矩作用。首先，支护结构应尽量设计得薄一些，如果需要加强的话，亦不应增加其厚度，而应通过配筋来解决；其次，支护结构应设计成圆顺的，尽量接近圆形的断面，岩体愈差，围岩压力愈大就愈要这样做；再次，可以在支护结构中设置铰或纵向伸缩缝，增加支护结构的柔性，减少弯矩，但必须结合隧道的防水要求一并考虑。,
