隧道力学第15讲

•围岩变形机理与失稳模式•隧道稳定性判别及施工位移管理•软弱围岩稳定性判别技术•基于屈曲原理的支护结构稳定性判别技术•软弱围岩稳定性位移管理基准第八章隧道稳定性分析第四节软弱围岩稳定性位移判别技术一、围岩稳定极限状态的判别原理•岩土材料从受力到破坏经历的3个阶段弹性、塑性与破坏岩土结构破坏的宏观表现•结构整体不能继续承受荷载，外加荷载不能继续提高；•破坏点连通形成整体的破坏面，沿破坏面两侧发生显著的、较大规模的相对移动，因而破坏面上会有应变和位移的突变，此时结构体变成流动、松散体。•隧道围岩稳定极限状态判别原理可将隧道开挖后，周边围岩的位移或塑性应变发生突变时的状态定义为未支护隧道围岩的极限状态，相应隧道位移为围岩极限位移。二、极限状态的宏观特征解译-0.4-0.200.20.40.60.80%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%地应力释放系数洞周变形/m拱顶拱脚墙腰弹性阶段塑性发展阶段塑性流动阶段-0.4-0.200.20.40.60.80%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%地应力释放系数洞周变形/m拱顶拱脚墙腰弹性阶段塑性发展阶段塑性流动阶段图8-12洞周变形随地应力释放系数的变化规律01234560%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%地应力释放系数变形增长速率(m/%)拱顶下沉速率拱脚收敛速率墙腰收敛速率弹性阶段塑性发展阶段塑性流动阶段01234560%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%地应力释放系数变形增长速率(m/%)拱顶下沉速率拱脚收敛速率墙腰收敛速率弹性阶段塑性发展阶段塑性流动阶段图8-13洞周变形增量随地应力释放率的变化规律00.511.522.530%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%地应力释放率变形协调系数弹性阶段塑性发展阶段塑性流动阶段00.511.522.530%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%地应力释放率变形协调系数弹性阶段塑性发展阶段塑性流动阶段图8-14围岩变形协调系数随地应力释放率的变化规律三、极限位移结果表8-10不同工况单线隧道极限位移(mm)围岩级别变形性质埋深/m100200300400500Ⅳ拱顶下沉6.27.618.124.931.4水平收敛4.46.615.021.828.1Ⅴ拱顶下沉22.547.779.392.5118.2水平收敛31.369.5122.8136.3178.1Ⅵ拱顶下沉75.1162.0240.5273.5340.8水平收敛123.9308.8436.8473.4593.7注：表中下划线部分表示无塑性流动变形发生，其值为稳定后最终计算结果。表8-11不同工况双线隧道极限位移(mm)围岩级别变形性质埋深/m100200300400500Ⅳ拱顶下沉10.018.126.835.945.1水平收敛4.18.413.820.626.9Ⅴ拱顶下沉35.580.4109.7129.9165.1水平收敛37.0101.6134.1149.3196.4Ⅵ拱顶下沉114.8255.6328.8374.3463.0水平收敛155.5402.9489.0498.9616.7注：表中下划线部分表示无塑性流动变形发生，其值为稳定后最终计算结果。第五节软弱围岩隧道支护结构稳定性判别技术(1)结构刚度大，存在自身承载特性，不宜简单视为承载薄膜。(2)拱形偏压构件、多次超静定。(3)允许带裂缝工作。(4)深埋或地应力较高时存在整体失稳的可能。一、软弱围岩隧道支护结构特点二、拱形结构屈曲模型Rφ00dvN0N0dSqS图8-17圆拱屈曲模型)dd(-222vvREIxEIMxxxspvRvRvEIrxdd)12(42三、隧道支护结构屈曲模型的概化•支护结构构成(1)混凝土喷层；(2)钢架；(3)锚杆。计算模型——结构荷载模型(1)混凝土喷层采用壳单元模拟(2)钢架采用梁单元模拟(3)围岩抗力和锚杆约束均采用弹簧单元模拟。四、隧道初期支护结构失稳模态(a)第一种模态(b)第二种模态(c)第三种模态图8-21特征值屈曲模态图8-22隧道支护结构极限状态塑性区分布五、支护结构极限承载力表8-12单线隧道锚杆抗力为100MPa/m条件下结构临界荷载（MPa）侧压力系数素混凝土模态形式工20型钢混凝土初支模态形式H175型钢混凝土初支模态形式模态1模态2模态3模态1模态2模态3模态1模态2模态30.30.320.350.33------0.50.370.460.390.420.480.44---0.60.520.560.520.740.90.771.011.051.020.70.540.590.551.131.241.13---表8-13单线隧道工字钢混凝土初支不同锚杆抗力条件下临界荷载（MPa）侧压力系数R=50MPa/mR=100MPa/mR=150MPa/mR=200MPa/m模态1模态2模态1模态2模态1模态2模态1模态20.60.430.490.740.90.971.281.281.34表8-14双线隧道工字钢架初支不同锚杆抗力条件下临界荷载（MPa）侧压力系数R=50MPa/mR=100MPa/m模态1模态2模态1模态20.50.830.900.900.910.750.880.921.071.12表8-15双线隧道工字钢架初支与H型钢初支承载力对比（MPa）侧压力系数R=50MPa/mR=100MPa/m工20H175工20H1750.50.830.910.900.99第六节软弱围岩隧道稳定位移管理基准表8-19隧道施工变形及变形速率控制基准判别指标隧道类型围岩级别分项指标埋深/m100100-300＞300变形量/mm单线隧道Ⅴ墙腰水平收敛100120170拱顶下沉7080110Ⅵ墙腰水平收敛150300450拱顶下沉100200300双线隧道Ⅴ墙腰水平收敛100120170拱顶下沉90100160Ⅵ墙腰水平收敛150350450拱顶下沉120270400变形速率/mm.d-1单线隧道Ⅴ墙腰水平收敛101520拱顶下沉101520Ⅵ墙腰水平收敛152025拱顶下沉152025双线隧道Ⅴ墙腰水平收敛152025拱顶下沉152025Ⅵ墙腰水平收敛202530拱顶下沉202530变形速率变化率/mm.d-2＜0拱脚下沉单双线＜对应拱顶下沉的90%表8-20软弱围岩隧道施工变形应对措施隧道类型围岩级别技术措施台阶长度上台阶扁平率支护闭合距离双层支护大拱脚支护临时仰拱预留核心土掌子面超前加固长锚杆补强加强钢架超前支护早高强喷混凝土单线隧道Ⅳ------------Ⅴ0.7D0.54D--*Ⅵ0.5D0.42-2.5D*****双线隧道Ⅳ------------Ⅴ0.6D0.352.5D-**Ⅵ0.4D0.31.5-2D*****注：表中“-”为不需采取措施；“△”为可选措施；“*”为应选措施。