1、第三部分第三部分 隧道設計基礎隧道設計基礎一、初始地應力場及其評價一、初始地應力場及其評價 正確掌握和了解地質環境對隧道工程力學行為的作用和影正確掌握和了解地質環境對隧道工程力學行為的作用和影響是合理地進行隧道工程設計的前提和基礎。響是合理地進行隧道工程設計的前提和基礎。 圍巖初始地應力場圍巖初始地應力場, ,一般受到兩類因素的影響一般受到兩類因素的影響: : 第一類：重力、溫度、圍巖物理力學性質、構造、地形等第一類：重力、溫度、圍巖物理力學性質、構造、地形等經常性的因素。經常性的因素。 第二類：地殼運動、地下水活動、人類的長期活動等暫時第二類：地殼運動、地下水活動、人類的長期活動等暫時性的或

2、局部性的因素。性的或局部性的因素。 初始地應力場由兩種力系構成初始地應力場由兩種力系構成: : = =y y+T T 式中式中 y y：自重應力分量：自重應力分量; ; T T：構造應力分量。：構造應力分量。1、重力應力場、重力應力場 設圍巖是線性變形介質，在設圍巖是線性變形介質，在xy平面內是均質的平面內是均質的,沿沿y軸方向軸方向是非均質的。設是非均質的。設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，因圍巖的變形性質為沿水平方向的彈性模量和泊松比，因圍巖的變形性質沿深度而變沿深度而變,故可定故可定:E=E(y)，=(y

3、)、E1=E1(y)、1=1(y)，單，單位體積重量也認為是沿深度而變，即位體積重量也認為是沿深度而變，即=(y)。 距表面距表面h深處一點的應力狀態可表示為：深處一點的應力狀態可表示為： y=0h(y)dy x=x(y) z=z(y) xy=xz=yz x=z=/1-y 當垂直應力已知時當垂直應力已知時, ,水平應力的大小決定于圍巖的泊松比。水平應力的大小決定于圍巖的泊松比。大多數圍巖的泊松比變化在大多數圍巖的泊松比變化在0.150.150.350.35左右。左右。 圍巖的初始地應力場是隨深度而變的圍巖的初始地應力場是隨深度而變的, ,其應力狀態可視圍其應力狀態可視圍巖的不同巖的不同, ,分

4、別處在彈性的、隱塑性的及流動的三種狀態。圍分別處在彈性的、隱塑性的及流動的三種狀態。圍巖的隱塑性狀態在堅硬圍巖中約在距地面巖的隱塑性狀態在堅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生在淺處產生, ,如在巖石臨界強度低如在巖石臨界強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在隧道所涉及的范圍內, ,都可視初應力場為彈性的都可視初應力場為彈性的, ,這這一點亦可由部分量測資科所證實。一點亦可由部分量測資科所證實。 由于地殼運動的結果由于地殼運動的結果, ,巖層會產生各種變態巖層會產生各種變態, ,如變成各種傾如變成各種傾斜狀的

5、、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, ,圍巖的初始地應力場也圍巖的初始地應力場也有所變化。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性質不同由于各層的物理力學性質不同, ,在同一水在同一水平面上的應力分布可能是不同的平面上的應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力巖層則受到較小的應力; ;在被斷層分割的楔形巖塊情況中在被斷層分割的楔形巖塊情況中, ,也可也可觀察到類似情況。下

6、窄上寬的楔形圍巖移動時觀察到類似情況。下窄上寬的楔形圍巖移動時, ,受到兩倒巖塊受到兩倒巖塊的夾制，因而使應力減小、反之的夾制，因而使應力減小、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。埋深較小時地表起伏較大情況影響也不能忽略。2 2、構造應力、構造應力 地質力學認為：地殼各處發生的一切構造變形與破裂都是地質力學認為：地殼各處發生的一切構造變形與破裂都是地應力作用的結果。因而地質力學就把構造體系和構造形式在地應力作用的結果。因而地質力學就把構造體系和構造形式在形成過程中的應力狀態稱之為構造應力場形成過程中的

7、應力狀態稱之為構造應力場, ,它是動態的。它是動態的。 由于構造應力場的不確定性由于構造應力場的不確定性, ,很難用函數形式表達。它在很難用函數形式表達。它在整個初始地應力場中的作用只能通過某些量測數據加以分析。整個初始地應力場中的作用只能通過某些量測數據加以分析。 （1 1）地質構造形態不僅改變了重力應力場地質構造形態不僅改變了重力應力場, ,而且除以各種而且除以各種構造形態獲得釋放外，還以各種形式積蓄在圍巖內構造形態獲得釋放外，還以各種形式積蓄在圍巖內, ,這種殘余這種殘余構造應力將對隧道工程產生重大影響。構造應力將對隧道工程產生重大影響。 （2 2）構造應力場在不深的地方已普遍存在構造應

8、力場在不深的地方已普遍存在, ,而且最大構造而且最大構造應力的方向應力的方向, ,多近似為水平多近似為水平, ,其值常常大于重力應力場中的水平其值常常大于重力應力場中的水平應力分量應力分量, ,甚至也大于垂直應力分量甚至也大于垂直應力分量, ,這與重力應力場有很大不這與重力應力場有很大不同。同。 陶恩隧道的初始地應力場陶恩隧道的初始地應力場 南非測定垂直應力與水平應力南非測定垂直應力與水平應力 比值隨深度的變化比值隨深度的變化 從我國現階段積累起來的淺層從我國現階段積累起來的淺層( (埋深小于埋深小于500m)500m)實測資料實測資料看看,小于小于0.80.8者約占者約占27.5%27.5%

9、。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） 構造應力場很不均勻構造應力場很不均勻, 它的參數無論在空間上、時間它的參數無論在空間上、時間上都有很大變化上都有很大變化, 特別是主應力軸的方向和絕對值變化很大。特別是主應力軸的方向和絕對值變化很大。3、初始地應力場的評價、初始地應力場的評價 圍巖強度比的定義是：圍巖內部的最大地應力值與圍巖強圍巖強度比的定義是：圍巖內部的最大地應力值與圍巖強度的比值。度的比值。 圍巖強度比：圍巖強度比：GnRb/max，式中，式中max：圍巖內最大地應力：圍巖內最

10、大地應力值；值；Rb：圍巖抗壓強度值。：圍巖抗壓強度值。 （1） 地應力場性質的判定指標地應力場性質的判定指標 初始地應力場究竟屬于一般地應力場，還是高地應力場，初始地應力場究竟屬于一般地應力場，還是高地應力場，可以用圍巖強度比加以初步判定。一定不要誤解，初始地應力可以用圍巖強度比加以初步判定。一定不要誤解，初始地應力大，就是高地應力場。因為，有時初始地應力場雖然大，其圍大，就是高地應力場。因為，有時初始地應力場雖然大，其圍巖強度比卻不一定高。巖強度比卻不一定高。 圍巖強度比圍巖強度比Gn分級標準分級標準極高地應力極高地應力高地應力高地應力一般地應力一般地應力法國隧協法國隧協4我國工程圍巖分級

11、標準我國工程圍巖分級標準7日本新奧法指南日本新奧法指南(1996年年)6 日本仲野分級日本仲野分級 4不同地應力場的圍巖在開挖中出現的主要現象不同地應力場的圍巖在開挖中出現的主要現象地應力場情況地應力場情況主要現象主要現象Rb/max極高地應力場極高地應力場硬質巖：硬質巖：開挖過程中時有巖爆發生，有巖塊彈出，洞壁開挖過程中時有巖爆發生，有巖塊彈出，洞壁圍巖發生剝離新主裂縫多成洞性差，基坑有剝離現圍巖發生剝離新主裂縫多成洞性差，基坑有剝離現象，成形性差。象，成形性差。軟質巖：軟質巖：巖芯常有餅化現象，開挖過程巖芯常有餅化現象，開挖過程中洞壁圍巖有剝離，位移極為顯著，甚至發生大位移，中洞壁圍巖有剝

12、離，位移極為顯著，甚至發生大位移，持續時間長，不易成洞；基坑發生顯著隆起或剝離不易持續時間長，不易成洞；基坑發生顯著隆起或剝離不易成形。成形。442 24 42200132.5中等地應力中等地應力20010130.661.0高地應力高地應力1050.660.330.52微弱的巖爆微弱的巖爆52.50.330.16510強烈巖爆強烈巖爆2.5GN2GN 2IS2GN1.52GN1.52GN1.5IL特特S1.5GN1.5GN1.5GN 表中說明，并不需要在所有的圍巖中考慮圍巖強度比。只是在中硬表中說明，并不需要在所有的圍巖中考慮圍巖強度比。只是在中硬巖，軟巖和土砂圍巖中考慮，也不是在所有的級別中

13、考慮，只是在很低巖，軟巖和土砂圍巖中考慮，也不是在所有的級別中考慮，只是在很低的級別中考慮。的級別中考慮。 我國初始地應力場的修正我國初始地應力場的修正圍巖基本分級圍巖基本分級極高地應力場極高地應力場或或高地應力場高地應力場或或二、毛洞的圍巖力學狀態二、毛洞的圍巖力學狀態（一）、坑道開挖后的二次應力狀態（一）、坑道開挖后的二次應力狀態 假定：假定： （1 1）圍巖為均質的、各向同性的連續介質；）圍巖為均質的、各向同性的連續介質； （2 2）只考慮自重造成的初始地應力場；）只考慮自重造成的初始地應力場； （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

14、度, ,簡化為無限體中的孔洞問題。簡化為無限體中的孔洞問題。1 1、坑道開挖后的彈性二次應力狀態、坑道開挖后的彈性二次應力狀態 為簡單計為簡單計, ,設初始地應力場以設初始地應力場以表示表示, ,即即x x/y y, ,則在則在圍巖中開挖半徑為圍巖中開挖半徑為a a的圓形坑道后的圓形坑道后, ,其二次應力狀態可近似用下其二次應力狀態可近似用下式表達。式表達。 ry/2(12)(1)(14234)(1)cos2 t=y/2(1+2)(1)-(134)(1)cos2 rt=y/2(1-)(1+22-34)sin2 式中式中 =a/r,當當r=a時，表示在坑道周邊上。時，表示在坑道周邊上。 （1）坑

15、道周邊應力狀態的規律：）坑道周邊應力狀態的規律： 當當r=a時，上式變成：時，上式變成： r=0 t=y(1-2cos)+(1+2cos2)圓形坑道周邊切向應力分布圓形坑道周邊切向應力分布 認識到以下幾點對設計隨極為重要：認識到以下幾點對設計隨極為重要： 1）=0，即只有初始垂直應力時，拱頂出現最大切向拉應，即只有初始垂直應力時，拱頂出現最大切向拉應力，并分布在拱頂一定范圍內。力，并分布在拱頂一定范圍內。 拱頂處的最大拉應力拱頂處的最大拉應力t等于等于t=y，相當于初始垂直應力，相當于初始垂直應力值。拱頂受拉范圍約出現在與垂直軸左右各值。拱頂受拉范圍約出現在與垂直軸左右各30的范圍內，這的范圍

16、內，這說明拱頂范圍可能產生掉塊。說明拱頂范圍可能產生掉塊。 2）隨著）隨著的增加的增加,拱頂切向拉應力值及其范圍逐漸減少。拱頂切向拉應力值及其范圍逐漸減少。 當當=1/3時時,拱頂切向拉應力等于拱頂切向拉應力等于0。大于。大于1/3后后,整個坑道周整個坑道周邊的切向應力皆為壓應力。這說明邊的切向應力皆為壓應力。這說明, 在在01/3之間時之間時,坑道拱頂坑道拱頂拱底拱底范圍是受拉的。由于巖石的抗拉強度較弱范圍是受拉的。由于巖石的抗拉強度較弱,當切向拉應當切向拉應力超過其抗拉強度時力超過其抗拉強度時,拱頂可能發生局部掉塊和落石拱頂可能發生局部掉塊和落石,但不會造但不會造成整個坑道的破壞。成整個坑

17、道的破壞。 3）在側壁范圍內）在側壁范圍內,值變化在值變化在01.0之間時之間時,周邊切向應力總周邊切向應力總是壓應力是壓應力,而且總比拱頂范圍的應力值大。這說明而且總比拱頂范圍的應力值大。這說明,側璧處在較側璧處在較大的應力狀態下。例如當大的應力狀態下。例如當=0時，側璧中點（時，側璧中點（=90）的最大）的最大壓力等于壓力等于3y 。隨著隨著值的增大，側壁中點的壓應力逐漸減小，值的增大，側壁中點的壓應力逐漸減小，當當=1時時,其值變成其值變成t =2y。側壁處在較大的壓應力作用下是造。側壁處在較大的壓應力作用下是造成側壁剪切破壞或巖爆（分離破壞）的主要原因之一。而且成側壁剪切破壞或巖爆（分

18、離破壞）的主要原因之一。而且,常常常是整個坑道喪失穩定的主要原因常是整個坑道喪失穩定的主要原因,應予以足夠重視。應予以足夠重視。 4）當）當=1（即初始垂直應力與初始水平應力相等）時（即初始垂直應力與初始水平應力相等）時,坑坑道周邊圍巖各點的應力皆相同。即為一常數值（道周邊圍巖各點的應力皆相同。即為一常數值（t=2y）。這）。這種應力狀態對圓形坑道穩定是很有利的。種應力狀態對圓形坑道穩定是很有利的。 5）通常圍巖的側壓力系數變動在）通常圍巖的側壓力系數變動在0.20.5之間。在這個范之間。在這個范圍內圍內,坑道周邊切向應力坑道周邊切向應力t都是壓應力。因此都是壓應力。因此,要十分注意切向應要十

19、分注意切向應力的變化力的變化,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）圍巖應力向深處變化的規律）圍巖應力向深處變化的規律沿圓形坑道水平、垂直軸上應力分布沿圓形坑道水平、垂直軸上應力分布a) =0a) =0的情況的情況 b) =1b) =1的情況的情況 1）側壁中點（）側壁中點（90）,在在=01.0時坑道周邊的切向應時坑道周邊的切向應力都為正值（壓應力）。最大值為力都為正值（壓應力）。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）。當=1/3時時

20、,t=0。隨著。隨著r的增加的增加,當當=0時時, t接近于接近于0，當，當=1時時,接近接近y，即都逐漸接近于初始的應力狀態。，即都逐漸接近于初始的應力狀態。r 值在值在=0和和=1時時,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值。由此可見值。由此可見,坑坑道開挖后的二次應力分布范圍是很有限的。視道開挖后的二次應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力狀態。這說明應力狀態。這說明:坑道開挖對圍巖的影響坑道開挖對圍巖的影響(擾動擾動)是有限的。是有限的。 3）在拱

21、頂處的拉應力深入圍巖內部的范圍約為）在拱頂處的拉應力深入圍巖內部的范圍約為0.58a（=0）,而后轉變為壓應力而后轉變為壓應力.這也說明這也說明,坑道圍巖內的拉應力區坑道圍巖內的拉應力區域是有限的域是有限的,而且只在而且只在小于小于1/3時的情況下出現。前已指出時的情況下出現。前已指出,拉應拉應力區的存在對造成圍巖的局部破壞（松弛、掉塊、落石）是有力區的存在對造成圍巖的局部破壞（松弛、掉塊、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) 坑道位移狀態坑道位移狀態 在平面問題中，坑道周邊的位移在平面問題中，坑道周邊的位移ua可由下式決定可由下式決定 u

22、a=1+/E.a.y 從上式可求出隧道周邊各點的位移，當從上式可求出隧道周邊各點的位移，當值不同時，圍巖值不同時，圍巖值及其分布狀態也不同。值及其分布狀態也不同。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,開挖后的斷面收斂狀態示。當開挖后的斷面收斂狀態示。當=1時時,隧道斷面是均勻縮小的隧道斷面是均勻縮小的,隨著隨著值的減小值的減小,隧道上、下頂點繼續向隧道上、下頂點繼續向隧道內擠入隧道內擠入,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。 坑道位移狀態說明，坑道開挖后圍巖基本上是向隧道內移坑道位移狀態說明

23、，坑道開挖后圍巖基本上是向隧道內移動的。只是在一定的動的。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擴張的趨勢。而且在多數情況下有向兩側擴張的趨勢。而且在多數情況下,拱頂位移拱頂位移(即拱頂下即拱頂下沉沉)均大于側壁均大于側壁(水平直徑處水平直徑處)位移。位移。2 2、坑道開挖后形成塑性區的二次應力狀態、坑道開挖后形成塑性區的二次應力狀態 在深埋隧道或埋深較淺但圍巖強度較低時，上述應力狀態在深埋隧道或埋深較淺但圍巖強度較低時，上述應力狀態可能超過圍巖的抗壓強度。此時坑道或發生脆性破壞，如巖爆、可能超過圍巖的抗壓強度。此時坑道或發生脆性破壞，如巖爆、

24、剝離等剝離等(堅硬、脆性、整體的圍巖中堅硬、脆性、整體的圍巖中)或在坑道附近圍巖內形成或在坑道附近圍巖內形成塑性應力區域塑性應力區域,發生塑性剪切滑移或塑性流動。發生塑性剪切滑移或塑性流動。 塑性應力區域是由于多數圍巖具有塑性這種性質而造成的。塑性應力區域是由于多數圍巖具有塑性這種性質而造成的。塑性就是指圍巖在應力超過一定值后產生塑性變形的性質。此塑性就是指圍巖在應力超過一定值后產生塑性變形的性質。此時，應力即使不增加時，應力即使不增加,變形仍將繼續。當圍巖內應力超過圍巖的變形仍將繼續。當圍巖內應力超過圍巖的抗壓強度后抗壓強度后,圍巖發生塑性變形并迫使塑性變形的圍巖向坑道內圍巖發生塑性變形并迫

25、使塑性變形的圍巖向坑道內滑移。塑性區的圍巖因而變得松弛滑移。塑性區的圍巖因而變得松弛,其物理力學性質其物理力學性質(c、E、等等)也發生變化。也發生變化。 對設計有實際意義的是：塑性區內的應力應變狀態和塑性對設計有實際意義的是：塑性區內的應力應變狀態和塑性區范圍的大小、形狀。塑性區應力狀態由下式確定區范圍的大小、形狀。塑性區應力狀態由下式確定: rpRb/(-1)(r/a)-1-1 tp= Rb/(-1)(r/a)-1-1 roa2/(+1) (y(-1)+Rb)/Rb1/-1 =(1+sin)/(1-sin)塑性區邊界及應力狀態塑性區邊界及應力狀態 式中指出式中指出, ,塑性區邊界塑性區邊界

26、r r0 0與圍巖的初應力狀態（與圍巖的初應力狀態（y y）, ,圍圍巖本身的物理力學性質（巖本身的物理力學性質（E E）及坑道開挖尺寸（）及坑道開挖尺寸（a a）等有關。）等有關。坑道半徑愈大坑道半徑愈大, ,圍巖愈差圍巖愈差, ,初始應力愈大初始應力愈大, ,塑性區域也愈大。塑性區域也愈大。顯然，當顯然，當1 1時，塑性區的形狀也是一個圓形。當時，塑性區的形狀也是一個圓形。當11時，時，塑性區的形狀和范圍有很大的變化。塑性區的形狀和范圍有很大的變化。 已知已知c=2.5MPa、=30、h=15MPa、y=15MPa,當當分別為分別為0、0.2、0.5、0.75和和1.0時，得到的塑性區邊界

27、于下圖。時，得到的塑性區邊界于下圖。不同不同值的圓形坑道圍巖塑性區的形狀和范圍值的圓形坑道圍巖塑性區的形狀和范圍 馬蹄形坑道塑性區的形狀和范圍馬蹄形坑道塑性區的形狀和范圍 埋深對塑性區形狀的影響埋深對塑性區形狀的影響 坑道形狀對塑性區的影響坑道形狀對塑性區的影響 不同形狀坑道的應力集中系數不同形狀坑道的應力集中系數 坑道開挖后如果不加支護，坑道圍巖將會經過應力集中坑道開挖后如果不加支護，坑道圍巖將會經過應力集中形成塑住區形成塑住區向坑道內位移向坑道內位移塑性區進一步擴大塑性區進一步擴大坑道圍巖松坑道圍巖松弛、崩塌、破壞等幾個過程。這個過程視圍巖的性質、坑道尺弛、崩塌、破壞等幾個過程。這個過程視

28、圍巖的性質、坑道尺寸和形狀寸和形狀, ,有長有短。也并不是所有坑道破壞都要經過上述幾有長有短。也并不是所有坑道破壞都要經過上述幾個階段。例如在整體、堅硬的脆性巖體中可能形成自穩坑道。個階段。例如在整體、堅硬的脆性巖體中可能形成自穩坑道。在松散巖體中在松散巖體中, ,坑道會迅速達到崩塌等。坑道會迅速達到崩塌等。 （二）、毛洞的穩定性及其破壞（二）、毛洞的穩定性及其破壞 無支護坑道巖體有三種喪失穩定的形式：無支護坑道巖體有三種喪失穩定的形式： (1)(1)局部崩塌：局部崩塌：主要是由地質構造上的原因造成的。由于主要是由地質構造上的原因造成的。由于圍巖松弛的自重作用圍巖松弛的自重作用, ,超過它們脫

29、離圍巖自身的阻力而在頂部超過它們脫離圍巖自身的阻力而在頂部, ,較少的在側壁造成局部崩塌。較少的在側壁造成局部崩塌。 (2)(2)拱形崩塌：拱形崩塌：由于自重應力場開挖后形成的二次應力場由于自重應力場開挖后形成的二次應力場即應力集中造成圍巖破壞而形成的崩塌。在這種情況下即應力集中造成圍巖破壞而形成的崩塌。在這種情況下, ,圍巖圍巖破壞一般從坑道側壁開始破壞一般從坑道側壁開始, ,同時圍巖的破壞和位移也可能發生同時圍巖的破壞和位移也可能發生在頂部和底部。屬于強度破壞之例。在頂部和底部。屬于強度破壞之例。 (3)(3)變形持續增大：變形持續增大：在塑性性質顯著的圍巖中在塑性性質顯著的圍巖中, ,穩

30、定的喪失穩定的喪失是由于塑性變形產生過度的位移是由于塑性變形產生過度的位移, ,但無明顯的破壞跡象。破壞但無明顯的破壞跡象。破壞通常是從底部開始的，而逐步影響到側部和頂部。主要在軟巖通常是從底部開始的，而逐步影響到側部和頂部。主要在軟巖及膨脹性或擠入性圍巖中發生。及膨脹性或擠入性圍巖中發生。 堅硬完整的巖體堅硬完整的巖體, ,應力分布與理想的彈性連續介質極為接應力分布與理想的彈性連續介質極為接近近, ,應力超過巖石強度就認為不穩定。如果巖石具有塑性性質應力超過巖石強度就認為不穩定。如果巖石具有塑性性質, ,則其穩定性分析基礎就應是彈塑性模式的應力則其穩定性分析基礎就應是彈塑性模式的應力應變狀態

31、。應變狀態。 對脆性巖體：對脆性巖體：目前主要是用統計方法研究坑道周邊巖體局目前主要是用統計方法研究坑道周邊巖體局部破壞并形成崩塌的過程。把崩塌的計算參數與標準值相比較部破壞并形成崩塌的過程。把崩塌的計算參數與標準值相比較, ,得出無支護坑道正常使用的可能性。參數有：崩塌尺寸和出現得出無支護坑道正常使用的可能性。參數有：崩塌尺寸和出現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，可用下式判斷無支護坑道的強度。斷無支護坑道的強度。PN(S容許容許)0 P容許容許 式中：式中： S S容許容許現行規范允許的無支護坑道崩塌尺寸現行規范允許的

32、無支護坑道崩塌尺寸; ; N N（S S容許容許）坑道周邊上尺寸）坑道周邊上尺寸SSSS容許容許的崩塌數量的崩塌數量; ; P PN(SN(S容許容許)0)0在坑道周邊出現在坑道周邊出現SSSS容許容許崩塌的概率崩塌的概率; ; P P容許容許規范允許出現這種崩塌的概率。規范允許出現這種崩塌的概率。 前蘇聯前蘇聯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輸及安放設備的運輸及安放設備的水工隧洞水工隧洞通風坑道通風坑道地下洞庫地下洞庫0.0010.0010.010.010.10.11.00.10.010.050.1 0.10.1 在脆性圍巖中

33、，圍巖強度條件產生的正常使用的破壞，在脆性圍巖中，圍巖強度條件產生的正常使用的破壞，比周邊位移達到的極限值要來得早一些。因此在脆性巖石中比周邊位移達到的極限值要來得早一些。因此在脆性巖石中通常都是以強度條件為破壞標準的。目前通常都是以強度條件為破壞標準的。目前,一般認為在脆性巖一般認為在脆性巖體中坑道穩定性多數是以側壁開始出現破壞體中坑道穩定性多數是以側壁開始出現破壞(壓裂、剪切破壞壓裂、剪切破壞)作為標準的。其值可由沿坑道周邊出現的最大切向應力和巖作為標準的。其值可由沿坑道周邊出現的最大切向應力和巖體強度的比值來決定：體強度的比值來決定： KHRb 或或 H/RbS坑道破壞形態坑道破壞形態壓

34、力顯現形式壓力顯現形式圍巖性態圍巖性態產生破壞的基產生破壞的基本原因本原因圍巖的力學動圍巖的力學動態態局部崩塌局部崩塌局部掉塊或無局部掉塊或無壓力顯現壓力顯現硬巖、完整、硬巖、完整、脆性的脆性的地質構造、節地質構造、節理、層理面發理、層理面發育育彈性的、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育的圍巖等發育的圍巖等強度破壞強度破壞彈性的、彈塑彈性的、彈塑性的性的變形的持續增變形的持續增大大塑性的、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

35、等變形過大，持變形過大，持續發展續發展彈塑性的、粘彈塑性的、粘彈性的等彈性的等項目項目無支護地段長度（無支護地段長度（m m）15158 85 52.52.51 1平均自穩時間平均自穩時間1010年年6 6個月個月7d7d10h10h30min30min圍巖的粘結力（圍巖的粘結力（MPaMPa）0.40.40.30.30.40.40.20.20.30.30.10.10.20.20.10.1圍巖的內摩擦角圍巖的內摩擦角45453535454525253535151525251515三、支護后圍巖的應力狀態三、支護后圍巖的應力狀態 坑道圍巖的三次應力狀態也就是支護參與工作后的圍巖應坑道圍巖的三次應

36、力狀態也就是支護參與工作后的圍巖應力狀態。它對支護結構設計具有直接而重要的影響。力狀態。它對支護結構設計具有直接而重要的影響。 坑道開挖后的應力狀態，前已指出有兩種情況：坑道開挖后的應力狀態，前已指出有兩種情況：一種是一種是開開挖后的二次應力狀態仍然是彈性的挖后的二次應力狀態仍然是彈性的, ,在這種情況下，原則上坑在這種情況下，原則上坑道是自穩的，是無需支護的，即使支護也是防護性的。道是自穩的，是無需支護的，即使支護也是防護性的。一種是一種是開挖后坑道圍巖產生塑性區，此時坑道都要采取相應的支護結開挖后坑道圍巖產生塑性區，此時坑道都要采取相應的支護結構，來提高圍巖的自支護能力。構，來提高圍巖的自

37、支護能力。 周邊作用有支護力時坑道的塑性區周邊作用有支護力時坑道的塑性區pa（MPa）025810.1ro（m）3.042.662.322.172.0=a/r0.660.750.860.951.0塑性區計算結果塑性區計算結果圓形坑道周邊的支護力與位移圓形坑道周邊的支護力與位移aKuyea21arryeaKu2max0)(210apKuayea)(21arryeaKu20)(210 圍巖為彈性狀態時的圍巖為彈性狀態時的p pu u曲線曲線aKuy21maxp pa a與與u ua a/a/a的關系的關系 開挖后圍巖特征曲線開挖后圍巖特征曲線四、開挖后的圍巖特性曲線四、開挖后的圍巖特性曲線 以單線

38、鐵路隧道為例，具體說明各類圍巖的特征曲線的特以單線鐵路隧道為例，具體說明各類圍巖的特征曲線的特征及其應用。設定坑道半徑征及其應用。設定坑道半徑a a3.0m3.0m，各級圍巖的計算指標列，各級圍巖的計算指標列于表中。于表中。 圍巖級別圍巖級別 計計算指標算指標Rb MPa c MPaE105 MPa6050110.30.1530505.460.20.220454.140.0750.2510402.330.030.35351.30.010.351300.2890.0080.4各級圍巖的計算指標各級圍巖的計算指標 II級級 III級級 IV級級 V級級 VI級級 從計算結果可以大致看出從計算結果可

39、以大致看出:級圍巖在埋深級圍巖在埋深1000m1000m以內以內, ,基基本上是自穩的本上是自穩的, ,可無須支護。其他各級圍巖可無須支護。其他各級圍巖, ,視埋深不同視埋深不同, ,坑道坑道穩定性是不同的穩定性是不同的, ,應分別采用不同類型的支護結構。應分別采用不同類型的支護結構。 圖中是根據上表數據圖中是根據上表數據,a=3m,a=3m時繪制的圍巖特征曲線。所有時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呈單調地減小。以呈單調地減小。以級圍巖為例，級圍巖為例，當埋深為當埋深為400m400m時，如容許位移時，如容許位移u ua a為為4cm

40、4cm，則所需支護阻力，則所需支護阻力p pa a為為3MPa3MPa左右。左右。五、圍巖的工程性質評價五、圍巖的工程性質評價 在預設計中，把類似的圍巖按其施工動態進行圍巖分級，在預設計中，把類似的圍巖按其施工動態進行圍巖分級，并與標準支護模式對應，以提高設計的效率和合理化程度。并與標準支護模式對應，以提高設計的效率和合理化程度。 我國鐵路隧道和公路隧道采用同樣的圍巖分級方法，把圍我國鐵路隧道和公路隧道采用同樣的圍巖分級方法，把圍巖基本上分為六級巖基本上分為六級 。 隧道圍巖分級是以坑道穩定性為前提進行分級的，即把穩隧道圍巖分級是以坑道穩定性為前提進行分級的，即把穩定性大致相同的地質條件歸屬于

41、同樣穩定性的一級。定性大致相同的地質條件歸屬于同樣穩定性的一級。 從根本上說，在坑道工程中，如何保證坑道的暫時穩定從根本上說，在坑道工程中，如何保證坑道的暫時穩定（施工期間）和長期穩定（運營期間）始終是一個基本的、關（施工期間）和長期穩定（運營期間）始終是一個基本的、關鍵性的問題。而要做到這一點，就要從理論上、實踐上解決坑鍵性的問題。而要做到這一點，就要從理論上、實踐上解決坑道穩定性的問題。道穩定性的問題。 所謂的坑道穩定性是指一定尺寸的坑道，在不加任何人所謂的坑道穩定性是指一定尺寸的坑道，在不加任何人工支護條件下的穩定狀態。工支護條件下的穩定狀態。 根據鐵路隧道施工實踐，隧道開挖后的穩定狀態

42、分為以根據鐵路隧道施工實踐，隧道開挖后的穩定狀態分為以下四類：下四類： 1 1）坑道充分穩定）坑道充分穩定 無需任何人工支護而能維持穩定，無坍塌、偶爾有掉塊。無需任何人工支護而能維持穩定，無坍塌、偶爾有掉塊。在特殊情況下會出現巖爆現象。在特殊情況下會出現巖爆現象。 2 2）坑道穩定）坑道穩定 在大塊狀構造的巖體及整體狀的中硬巖（在大塊狀構造的巖體及整體狀的中硬巖（Rb30MPaRb30MPa）中）中開挖坑道時，坑道會因爆破、巖塊結合松弛而產生局部掉塊，開挖坑道時，坑道會因爆破、巖塊結合松弛而產生局部掉塊，但不會引起坑道的坍塌，坑道是穩定的，圍巖具有一定的自但不會引起坑道的坍塌，坑道是穩定的，圍

43、巖具有一定的自支護能力。層間結合差的平緩巖層，頂板可能彎曲、斷裂。支護能力。層間結合差的平緩巖層，頂板可能彎曲、斷裂。此時應采取局部人工支護或輕型的全面人工支護。此時應采取局部人工支護或輕型的全面人工支護。 3 3）坑道暫時穩定）坑道暫時穩定 大多數坑道都屬于這個類型。在具有碎（石）塊（石）大多數坑道都屬于這個類型。在具有碎（石）塊（石）狀構造的圍巖中，坑道開挖后常常呈現出不同程度的坍塌現狀構造的圍巖中，坑道開挖后常常呈現出不同程度的坍塌現象，坍塌后的坑道常呈拱形處于暫時穩定狀態。暫時穩定的象，坍塌后的坑道常呈拱形處于暫時穩定狀態。暫時穩定的時間，有長有短。在外界（如爆破、支撐頂替、回填不及時

44、時間，有長有短。在外界（如爆破、支撐頂替、回填不及時等）和內部（如地下水等）條件影響下，坑道如不及時采取等）和內部（如地下水等）條件影響下，坑道如不及時采取人工支護會進一步喪失穩定。因此，在這種圍巖中，必須采人工支護會進一步喪失穩定。因此，在這種圍巖中，必須采取各種類型的人工支護措施。取各種類型的人工支護措施。 4 4）坑道不穩定）坑道不穩定 在塊石土、堆積土等圍巖中，坑道在不支護條件下是難在塊石土、堆積土等圍巖中，坑道在不支護條件下是難于開挖的，隨挖隨塌，常常要先支后挖，圍巖無自支護能力，于開挖的，隨挖隨塌，常常要先支后挖，圍巖無自支護能力，或自支護時間極短，即需要采取穩定掌子面的輔助施工方

45、法，或自支護時間極短，即需要采取穩定掌子面的輔助施工方法，如管棚、小導管等超前支護。坑道的坍塌發生迅速、影響范如管棚、小導管等超前支護。坑道的坍塌發生迅速、影響范圍大，在淺埋條件下，有時可塌到地表面或在地面形成沉陷圍大，在淺埋條件下，有時可塌到地表面或在地面形成沉陷盆地。在有水的情況下，土體流動造成極大荷載。在這種情盆地。在有水的情況下，土體流動造成極大荷載。在這種情況下，需要采取專門的人工支護措施和特殊的施工方法來保況下，需要采取專門的人工支護措施和特殊的施工方法來保證坑道的穩定。證坑道的穩定。圍巖級別圍巖級別I IIIIIIIIIIIIVIV V VVIVI穩定性級別穩定性級別充分穩定充分

46、穩定穩定穩定暫時穩定暫時穩定不穩定不穩定支護級別支護級別飾面飾面構造構造承載承載特殊承載特殊承載 圍巖分級、坑道穩定性和支護級別間的大致關系圍巖分級、坑道穩定性和支護級別間的大致關系六、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 隧道開挖后周邊產生應力再分配，通常把周邊圍巖視為均隧道開挖后周邊產生應力再分配，通常把周邊圍巖視為均勻的連續介質進行研究，但實際的圍巖是包含有節理等力學上勻的連續介質進行研究，但實際的圍巖是包含有節理等力學上不連續面，面的強度對特定的方向是很低的，如在強度低的方不連續面，面的強度對特定的方向是很低的，如在強度低的方向作用一個力，就容易產

47、生面的分離和相對移動，就不能保持向作用一個力，就容易產生面的分離和相對移動，就不能保持作為連續體的動態。也就是說，圍巖會產生松弛。這部分的巖作為連續體的動態。也就是說，圍巖會產生松弛。這部分的巖塊如果沒有支持，就會以重力的形式掉落。設置支持這種巖塊塊如果沒有支持，就會以重力的形式掉落。設置支持這種巖塊的支護結構時，這種松弛的巖塊作用在支護結構上的壓力就稱的支護結構時，這種松弛的巖塊作用在支護結構上的壓力就稱為松弛壓力。為松弛壓力。 圖圖1 1 不同圍巖的崩塌高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

48、護即作用在支護結構上的荷載變小。此外，圍巖強結構上的荷載變小。此外，圍巖強度比變小后，變形將急劇增大。圖度比變小后，變形將急劇增大。圖中沒有包括松弛荷載的影響，但變中沒有包括松弛荷載的影響，但變形發展到一定程度以后，需要支持形發展到一定程度以后，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，如不加控制，或控制從理論上說，如不加控制，或控制措施不力，就合產生松弛壓力。圖中實措施不力，就合產生松弛壓力。圖中實線是形變壓力，虛線是松弛壓力。實線線是形變壓力，虛線是松弛壓力。實線和虛線配合起稱為特性曲線。對隧道支和虛線配合起稱為特性曲線。對隧道支護結構來說，最經濟的情況是按特性曲護

49、結構來說，最經濟的情況是按特性曲線的最小值設計的支護結構。但是求出線的最小值設計的支護結構。但是求出這個點是不容易的，但作為這個點是不容易的，但作為個概念是個概念是必要的。必要的。裂隙圍巖中塌方輪廓裂隙圍巖中塌方輪廓圍巖級別圍巖級別總計總計次數次數12124848186186777729295 5357357頻率（）頻率（）3.363.3614.514.554.1054.1020.620.66.806.801.401.40100100圍巖級別與塌方頻率表圍巖級別與塌方頻率表圍巖級別與塌方頻率圖圍巖級別與塌方頻率圖塌方基本形態圖塌方基本形態圖圍巖級別圍巖級別局部塌方局部塌方9 925255050

50、6 6- - -拱部塌方拱部塌方3 3232312912946461212- -擴大拱形塌方擴大拱形塌方- - -7 7252517175 5總計總計12124848186186777729295 5各級圍巖塌方出現的頻率表各級圍巖塌方出現的頻率表由表可見由表可見, ,局部塌方一般發生在局部塌方一般發生在級圍巖中級圍巖中, ,圍巖級別愈圍巖級別愈大大, ,局部塌方的概率愈大。擴大的拱形塌方較多出現在圍巖局部塌方的概率愈大。擴大的拱形塌方較多出現在圍巖級別小于級別小于的圍巖中。的圍巖中。 圍巖級別圍巖級別塌方類型塌方類型、局部塌方為主局部塌方為主、拱形塌方為主拱形塌方為主、擴大拱形塌方為主擴大拱

51、形塌方為主塌方類型與圍巖級別表塌方類型與圍巖級別表 還應該指出還應該指出, ,局部塌方的范圍局部塌方的范圍, ,從統計資料分析從統計資料分析,級級圍巖時圍巖時, ,約為約為0.4B, 0.4B, 級圍巖時級圍巖時, ,約為約為0.6B0.6B。這個數值可以。這個數值可以作為決定荷裁值時的參考（作為決定荷裁值時的參考（B B為開挖寬度）。為開挖寬度）。 圍巖級別圍巖級別h(m)h(m)0.650.651.291.292.42.44.324.329.69.619.219.2 支護結構的設計荷載可由下式決定支護結構的設計荷載可由下式決定 n=0.043e0.64(s-1) q=.n(B+H) r r與與 L L的散點圖的散點圖 崩塌圍巖中崩塌圍巖中r r 穩定在同穩定在同