第五章--隧道结构体系设计

隧道开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖隧道后引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，形成了新的应力场，称之为围岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其稳定，这就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的问题：围岩的初始应力状态，或称一次应力状态,这部分内容已在第四章中作了介绍；开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场；判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为：(5-1)式中的、是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。022u0,0,2212RuFRf、1R2R设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态和位移场，以及支护结构的内力和位移。判断支护结构安全度的准则，一般可写成：(5-2)式中的、是支护结构材料的物理力学参数。33uM0,0,2211KFKMf1K2K第二节围岩的二次应力场和位移场一、隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态计算围岩的二次应力场和位移场，首先推算隧道开挖前围岩的初始应力状态，以及与之相适应的位移场。隧道开挖后，因其周边上的径向应力和剪应力都为零，故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力。用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力和位移。而真实的围岩二次应力场及位移场为：000un11u12102uu模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表示。AB00(a)BA0x0{},{u}00n11{},{u}112{}={}+{}201{u}={u}21r2(b)(c)(d)zn图5-1隧道开挖所经历的力学过程模拟对于自重应力场中的深埋隧道，常常将它的围岩初始应力场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即式中为隧道中心点的埋深，以m计，是围岩的侧压力系数，无量纲。zxczHcH根据弹性力学原理，这个问题的求解还可以简化为不考虑体积力的形式，而用在有孔无限平面(无重的)无穷远边界上作用有垂直均布荷载和水平荷载的形式来代替，如图5-2所示。Zr0rAXCHHC图5-2力学模型由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时，其误差可以忽略不计。二、隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状态塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成的。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隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛，其物理力学性质也发生变化。三、无支护坑道的稳定性及其破坏坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中，在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式：由于破碎岩体的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而多在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌；由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强度破坏而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中，且在多数情况下，岩体破坏从坑道侧壁开始，同时岩体的破坏和位移也可能发生在顶部和底部；在塑性岩体中，稳定的丧失是由于塑性变形的结果，岩体产生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。第三节隧道围岩与支护结构的共同作用一、收敛和约束的概念开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种位移我们称之为收敛。若岩体强度高，整体性好、断面形状有利，岩体的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态。二、坑道支护后的围岩应力状态及位移状态隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的，隧道围岩除因爆破、地质状态、施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外，是稳定的，在这种情况下，坑道是稳定的，原则上无需支护，即使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土；另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应采用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响。三、围岩特性曲线(支护需求曲线)支护阻力与隧道洞壁位移的关系曲线如图5-12所示。aPau形变压力松散压力a弹塑性分界PPa,maxulimuaa,minPa,maxu图5-12围岩特性曲线这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩的承载能力就得不到充分的发挥。四、支护特性曲线(支护补给曲线)以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径向匀布的。因此，这还是一个轴对称问题。相对于围岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力是和它的径向位移成线性关系，即式中的定义为支护结构的刚度。aP0uua0uuKPasasKaPua锚喷联合支护喷混凝土支护锚杆支护图5-13支护特性曲线对于几种支护结构型式，其支护特性曲线如图5-13所示。五、围岩与支护结构准静力平衡状态的建立(三次应力场)如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡，这个交点都应在或之前。随着时间的推移，地下水位逐渐恢复，围岩物性指标恶化，锚杆锈蚀等等，这个平衡状态还将调整。limumaxua弹塑性分界Pua图5-14说明：1.不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的和是不同的。2.同样刚度的支护结构，由于架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的。aPau图5-14围岩和支护结构的相互作用第四节支护结构的设计原则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。因此，任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工的可能性。一、支护结构的基本要求1.必须能与围岩大面积地牢固接触，即保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作。根据不同的开挖和支护方法，两者的接触状态可作如下分类：的接触状态围岩与支护结构衬砌喷混凝土、泵送混凝土牢固的土质隧道有回填层松散的面接触钢支撑确定的撑模筑混凝土衬砌、木支任意的点接触2.重视早期支护的作用，并使早期支护与永久支护相互配合，协调一致地工作。3.要允许隧道围岩能产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少对支护结构的不利作用，使两者更加协调的工作。4.必须保证支护结构及时施作。5.作为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。二、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构造型支护承载型支护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。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。第五节围岩压力围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护结构变形或破坏的作用力。一、围岩压力分类围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：1.松动压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上压力称为松动压力。2.形变压力形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构(如锚喷支护等)的抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。3.膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。4.冲击压力冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于隧道的开挖，围岩约束被解除，能量突然释放所产生的压力。二、围岩松动压力的形成和确定的方法作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用”来解释。拿一个在水平成层的围岩中开挖隧道的例子，来说明隧道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个变化过程(图5-16)。(a)变形阶段；(b)松动阶段；(c)塌落阶段；(d)成拱阶段。图5-16围岩松动压力的形成将隧道所形成的相对稳定的拱称为“天然拱”或“塌落拱”。它如同一个承载环一样承受着上覆地层的全部重量，并且将荷载向两侧传递下去。这就是围岩的“成拱作用”。而天然拱范围内破坏了的岩体的重量，就是作用在支护结构上的围岩松动压力的来源。实践证明，天然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外。还取决于以下诸因素：隧道的形状和尺寸。隧道的埋深。施工因素(一)深埋隧道围岩松动压力的确定方法当隧道的埋置深度超过一定限值后，围岩的松动压力仅是隧道周边某一破坏范围（天然拱）内岩体的重量，而与埋深无直接关系。1、统计法—我国《隧规》所推荐的方法现在我国《隧规》中隧推荐的计算围岩竖向匀布松动压力的公式，就是根据357个铁路隧道的塌方资料统计分析而拟定的：whhqs6245.0式中的为围岩容重；s为围岩级别；为宽度影响系数，由w=1+i（B-5）计算，B为坑道宽度，i为B每增减1m时的围岩压力增减率，当B＜5m时，取i=0.2，当B＞5m时，取i=0.1。sssssws公式的适用条件为：H/B＜1.7，H为坑道的高度；深埋隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩；采用矿山法施工。围岩水平匀布的松动压力，按表5-3中的经验公式计算，其适用条件同上。围岩级别Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布压力0＜0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q表5-3围岩水平均布压力作用在支护结构上的荷载是很不均匀的，这是因为在Ⅰ级及Ⅱ级围岩中，局部塌方是主要的，而在其它类别的围岩中，岩体破坏范围的形状和大小，受岩体结构、施工方法等因素的控制，也是极不规则的。根据统计资料，围岩竖向松动压力的分布图形大致可以概括为以下六种，如图5-17所示。图5-17围岩竖向松动压力的分布图形2、普氏理论普洛托李雅克诺夫认为：所有的岩体都不同程度地被节理、裂隙所切割，因此可以视为散粒体。基于这些认识，普氏提出了岩体的坚固性系数(又叫似摩擦系数)的概念。0tantancf式中、—为岩体的似摩擦角和内摩擦角；、—为岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力—为岩体的粘结力。0c岩体的坚固性系数值，是一个说明岩体各种性质(如强度、抗钻性、抗爆性、构造、地下水等)的笼统的指标。在确定岩体的值时，除了考虑其强度指标外，还需根据岩体的构造特征等因素，并结合以往的工程实践经验加以修正。为了确定围岩的松动压力，普氏还提出了基于天然拱概念的计算理论，