第3部分 隧道设计基础

1、 第三部分第三部分 隧道设计基础隧道设计基础 一、初始地应力场及其评价一、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。响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。 围岩初始地应力场围岩初始地应力场, ,一般受到两类因素的影响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。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第二类：地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂

2、时 性的或局部性的因素。性的或局部性的因素。 初始地应力场由两种力系构成初始地应力场由两种力系构成: : = =y y+T T 式中式中 y y：自重应力分量：自重应力分量; ; T T：构造应力分量。：构造应力分量。 1、重力应力场、重力应力场 设围岩是线性变形介质，在设围岩是线性变形介质，在xy平面内是均质的平面内是均质的,沿沿y轴方向轴方向 是非均质的。设是非均质的。设E、分别为沿垂直方向的弹性模量和泊松比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 沿深度而变沿深度而变,故可定故可定:E=

3、E(y)，=(y)、E1=E1(y)、1=1(y)，单，单 位体积重量也认为是沿深度而变，即位体积重量也认为是沿深度而变，即=(y)。 距表面距表面h深处一点的应力状态可表示为：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 当垂直应力已知时当垂直应力已知时, ,水平应力的大小决定于围岩的泊松比。水平应力的大小决定于围岩的泊松比。 大多数围岩的泊松比变化在大多数围岩的泊松比变化在0.150.150.350.35左右。左右。 围岩的初始地应力场是随深度而变的围岩的初始地应力场是随深度而变的, ,其应力状态可视围其应力状态可视围 岩

4、的不同岩的不同, ,分别处在弹性的、隐塑性的及流动的三种状态。围分别处在弹性的、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岩的隐塑性状态在坚硬围岩中约在距地面10km10km以下以下, ,也有可能也有可能 在浅处产生在浅处产生, ,如在岩石临界强度低如在岩石临界强度低如泥岩等如泥岩等的地段。通常的地段。通常 情况下情况下, ,在隧道所涉及的范围内在隧道所涉及的范围内, ,都可视初应力场为弹性的都可视初应力场为弹性的, ,这这 一点亦可由部分量测资科所证实。一点亦可由部分量测资科所证实。 由于地壳运动的结果由于地壳运动的结果, ,岩层会产生各种变态岩层会产生各种变态, ,

5、如变成各种倾如变成各种倾 斜状的、弯曲的等等。在这种情况下斜状的、弯曲的等等。在这种情况下, ,围岩的初始地应力场也围岩的初始地应力场也 有所变化。有所变化。 如垂直成层岩石如垂直成层岩石, ,由于各层的物理力学性质不同由于各层的物理力学性质不同, ,在同一水在同一水 平面上的应力分布可能是不同的平面上的应力分布可能是不同的; ;又如背斜情况又如背斜情况, ,由于岩层成拱由于岩层成拱 状分布状分布, ,使上覆岩层重量向两翼传递使上覆岩层重量向两翼传递, ,而直接处在背斜轴下面的而直接处在背斜轴下面的 岩层则受到较小的应力岩层则受到较小的应力; ;在被断层分割的楔形岩块情况中在被断层分割的楔形岩

6、块情况中, ,也可也可 观察到类似情况。下窄上宽的楔形围岩移动时观察到类似情况。下窄上宽的楔形围岩移动时, ,受到两倒岩块受到两倒岩块 的夹制，因而使应力减小、反之的夹制，因而使应力减小、反之, ,下宽上窄的岩块下宽上窄的岩块, ,则受到附加则受到附加 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。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。 2 2、构造应力、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

7、在 形成过程中的应力状态称之为构造应力场形成过程中的应力状态称之为构造应力场, ,它是动态的。它是动态的。 由于构造应力场的不确定性由于构造应力场的不确定性, ,很难用函数形式表达。它在很难用函数形式表达。它在 整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。 （1 1）地质构造形态不仅改变了重力应力场地质构造形态不仅改变了重力应力场, ,而且除以各种而且除以各种 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, ,这种残余这种残余 构造应力将对隧道工程产生重大影响。构造应力将对隧道工程产生重

8、大影响。 （2 2）构造应力场在不深的地方已普遍存在构造应力场在不深的地方已普遍存在, ,而且最大构造而且最大构造 应力的方向应力的方向, ,多近似为水平多近似为水平, ,其值常常大于重力应力场中的水平其值常常大于重力应力场中的水平 应力分量应力分量, ,甚至也大于垂直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这与重力应力场有很大不 同。同。 陶恩隧道的初始地应力场陶恩隧道的初始地应力场 南非测定垂直应力与水平应力南非测定垂直应力与水平应力 比值随深度的变化比值随深度的变化 从我国现阶段积累起来的浅层从我国现阶段积累起来的浅层( (埋深小于埋深小于500m)500m)实测资料实

9、测资料 看看,小于小于0.80.8者约占者约占27.5%27.5%。在。在0.80.81.251.25之间者约占之间者约占42.3%,42.3%,大大 于于1.251.25者约占者约占30.2%30.2%。 （3） 构造应力场很不均匀构造应力场很不均匀, 它的参数无论在空间上、时间它的参数无论在空间上、时间 上都有很大变化上都有很大变化, 特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。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、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。度的比值。 围岩强度比：

10、围岩强度比：GnRb/max，式中，式中max：围岩内最大地应力：围岩内最大地应力 值；值；Rb：围岩抗压强度值。：围岩抗压强度值。 （1） 地应力场性质的判定指标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，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。岩强度比却不一定高。 围岩强度比围岩强度比Gn分级标准分级标准 极高地

11、应力极高地应力高地应力高地应力一般地应力一般地应力 法国隧协法国隧协4 我国工程围岩分级标准我国工程围岩分级标准7 日本新奥法指南日本新奥法指南(1996年年)6 日本仲野分级日本仲野分级 4 不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象 地应力场情况地应力场情况主要现象主要现象Rb/max 极高地应力场极高地应力场 硬质岩：硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁 围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差，基坑有剥离现围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差，基坑有剥离现 象，成形性差。象，成形性差。软质岩：软质岩：岩芯常有饼化

12、现象，开挖过程岩芯常有饼化现象，开挖过程 中洞壁围岩有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，中洞壁围岩有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移， 持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离不易持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离不易 成形。成形。 442 24 42200132.5 中等地应力中等地应力20010130.661.0 高地应力高地应力1050.660.330.52 微弱的岩爆微弱的岩爆52.50.330.16510 强烈岩爆强烈岩爆2.5GN2GN 2 IS 2GN1.52GN1.5 2GN1.5 IL 特特S1.5GN1.5GN1.5GN 表中说明，并不需要在所有的围岩中考

13、虑围岩强度比。只是在中硬表中说明，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。的级别中考虑。 我国初始地应力场的修正我国初始地应力场的修正 围岩基本分级围岩基本分级 极高地应力场极高地应力场或或 高地应力场高地应力场或或 二、毛洞的围岩力学状态二、毛洞的围岩力学状态 （一）、坑道开挖后的二次应力状态（一）、坑道开挖后的二次应力状态 假定：假定： （1 1）围岩为均质的、各向同性的连续介质；）围岩为均质的、各向同性的连续介质； （2 2）只考虑自重造成

14、的初始地应力场；）只考虑自重造成的初始地应力场； （3 3）坑道形状是圆形的；）坑道形状是圆形的； （4 4）坑道位于一定深度）坑道位于一定深度, ,简化为无限体中的孔洞问题。简化为无限体中的孔洞问题。 1 1、坑道开挖后的弹性二次应力状态、坑道开挖后的弹性二次应力状态 为简单计为简单计, ,设初始地应力场以设初始地应力场以表示表示, ,即即x x/y y, ,则在则在 围岩中开挖半径为围岩中开挖半径为a a的圆形坑道后的圆形坑道后, ,其二次应力状态可近似用下其二次应力状态可近似用下 式表达。式表达。 ry/2(12)(1)(14234)(1)cos2 t=y/2(1+2)(1)-(134)

15、(1)cos2 rt=y/2(1-)(1+22-34)sin2 式中式中 =a/r,当当r=a时，表示在坑道周边上。时，表示在坑道周边上。 （1）坑道周边应力状态的规律：）坑道周边应力状态的规律： 当当r=a时，上式变成：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圆形坑道周边切向应力分布 认识到以下几点对设计随极为重要：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，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。力，并分布在拱顶一定范围内。 拱顶处的最大拉应力拱顶处的最大拉应力t

16、等于等于t=y，相当于初始垂直应力，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值。拱顶受拉范围约出现在与垂直轴左右各30的范围内，这的范围内，这 说明拱顶范围可能产生掉块。说明拱顶范围可能产生掉块。 2）随着）随着的增加的增加,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。 当当=1/3时时,拱顶切向拉应力等于拱顶切向拉应力等于0。大于。大于1/3后后,整个坑道周整个坑道周 边的切向应力皆为压应力。这说明边的切向应力皆为压应力。这说明, 在在01/3之间时之间时,坑道拱顶坑道拱顶 拱底拱底范围是受拉的。由于岩石的抗拉强度较弱范围是受拉的。由于岩石的抗拉强度

17、较弱,当切向拉应当切向拉应 力超过其抗拉强度时力超过其抗拉强度时,拱顶可能发生局部掉块和落石拱顶可能发生局部掉块和落石,但不会造但不会造 成整个坑道的破坏。成整个坑道的破坏。 3）在侧壁范围内）在侧壁范围内,值变化在值变化在01.0之间时之间时,周边切向应力总周边切向应力总 是压应力是压应力,而且总比拱顶范围的应力值大。这说明而且总比拱顶范围的应力值大。这说明,侧璧处在较侧璧处在较 大的应力状态下。例如当大的应力状态下。例如当=0时，侧璧中点（时，侧璧中点（=90）的最大）的最大 压力等于压力等于3y 。随着随着值的增大，侧壁中点的压应力逐渐减小，值的增大，侧壁中点的压应力逐渐减小， 当当=1

18、时时,其值变成其值变成t =2y。侧壁处在较大的压应力作用下是造。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 常是整个坑道丧失稳定的主要原因常是整个坑道丧失稳定的主要原因,应予以足够重视。应予以足够重视。 4）当）当=1（即初始垂直应力与初始水平应力相等）时（即初始垂直应力与初始水平应力相等）时,坑坑 道周边围岩各点的应力皆相同。即为一常数值（道周边围岩各点的应力皆相同。即为一常数值（t=2y）。这）。这 种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。 5）通常围岩的侧

19、压力系数变动在）通常围岩的侧压力系数变动在0.20.5之间。在这个范之间。在这个范 围内围内,坑道周边切向应力坑道周边切向应力t都是压应力。因此都是压应力。因此,要十分注意切向应要十分注意切向应 力的变化力的变化,它是造成坑道破坏的主要原因之一。它是造成坑道破坏的主要原因之一。 （2 2）围岩应力向深处变化的规律）围岩应力向深处变化的规律 沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布 a) =0a) =0的情况的情况 b) =1b) =1的情况的情况 1）侧壁中点（）侧壁中点（90）,在在=01.0时坑道周边的切向应时坑道周边的切向应 力都为正值（压应力）。最大值为力都为正

20、值（压应力）。最大值为t=3y(=0),最小值为最小值为 2y(=l)。 2）拱顶处（）拱顶处（=0）,在周边上的在周边上的t值由值由-y （=0）变到）变到 2y（=1）。当）。当=1/3时时,t=0。随着。随着r的增加的增加,当当=0时时, t接近于接近于 0，当，当=1时时,接近接近y，即都逐渐接近于初始的应力状态。，即都逐渐接近于初始的应力状态。r 值在值在 =0和和=1时时,变化大致相同变化大致相同,即由即由0逐渐增加到逐渐增加到y值。由此可见值。由此可见,坑坑 道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视值其范围大致值其范围大致 在（在（57）a

21、左右。左右。愈大，范围愈大。在此之后愈大，范围愈大。在此之后,围岩仍处在初围岩仍处在初 应力状态。这说明应力状态。这说明:坑道开挖对围岩的影响坑道开挖对围岩的影响(扰动扰动)是有限的。是有限的。 3）在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为）在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a （=0）,而后转变为压应力而后转变为压应力.这也说明这也说明,坑道围岩内的拉应力区坑道围岩内的拉应力区 域是有限的域是有限的,而且只在而且只在小于小于1/3时的情况下出现。前已指出时的情况下出现。前已指出,拉应拉应 力区的存在对造成围岩的局部破坏（松弛、掉块、落石）是有力区的存在对造成围岩的局部破坏（松弛、掉

22、块、落石）是有 影响的。尤其是在大跨度洞室的情况下。影响的。尤其是在大跨度洞室的情况下。 (3) 坑道位移状态坑道位移状态 在平面问题中，坑道周边的位移在平面问题中，坑道周边的位移ua可由下式决定可由下式决定 ua=1+/E.a.y 从上式可求出隧道周边各点的位移，当从上式可求出隧道周边各点的位移，当值不同时，围岩值不同时，围岩 值及其分布状态也不同。值及其分布状态也不同。 不同不同值条件下圆形坑道周边位移分布值条件下圆形坑道周边位移分布 在不同的在不同的值条件下值条件下,开挖后的断面收敛状态示。当开挖后的断面收敛状态示。当=1时时, 隧道断面是均匀缩小的隧道断面是均匀缩小的,随着随着值的减小

23、值的减小,隧道上、下顶点继续向隧道上、下顶点继续向 隧道内挤入隧道内挤入,水平直径处则减小水平直径处则减小,而变成扁平的断面形状。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。只是在一定的动的。只是在一定的值条件下（值条件下（0.25），在水平直径处围岩），在水平直径处围岩 有向两侧扩张的趋势。而且在多数情况下有向两侧扩张的趋势。而且在多数情况下,拱顶位移拱顶位移(即拱顶下即拱顶下 沉沉)均大于侧壁均大于侧壁(水平直径处水平直径处)位移。位移。 2 2、坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态、坑道开挖后形成塑性区

24、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、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、 剥离等剥离等(坚硬、脆性、整体的围岩中坚硬、脆性、整体的围岩中)或在坑道附近围岩内形成或在坑道附近围岩内形成 塑性应力区域塑性应力区域,发生塑性剪切滑移或塑性流动。发生塑性剪切滑移或塑性流动。 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。此塑性就是指围岩

25、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变形仍将继续。当围岩内应力超过围岩的 抗压强度后抗压强度后,围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向坑道内围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向坑道内 滑移。塑性区的围岩因而变得松弛滑移。塑性区的围岩因而变得松弛,其物理力学性质其物理力学性质(c、E、 等等)也发生变化。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区范围的大小、形状。塑性区应力状态由下式确定: rpR

26、b/(-1)(r/a)-1-1 tp= Rb/(-1)(r/a)-1-1 roa2/(+1) (y(-1)+Rb)/Rb1/-1 =(1+sin)/(1-sin) 塑性区边界及应力状态塑性区边界及应力状态 式中指出式中指出, ,塑性区边界塑性区边界r r0 0与围岩的初应力状态（与围岩的初应力状态（y y）, ,围围 岩本身的物理力学性质（岩本身的物理力学性质（E E）及坑道开挖尺寸（）及坑道开挖尺寸（a a）等有关。）等有关。 坑道半径愈大坑道半径愈大, ,围岩愈差围岩愈差, ,初始应力愈大初始应力愈大, ,塑性区域也愈大。塑性区域也愈大。 显然，当显然，当1 1时，塑性区的形状也是一个圆形

27、。当时，塑性区的形状也是一个圆形。当11时，时， 塑性区的形状和范围有很大的变化。塑性区的形状和范围有很大的变化。 已知已知c=2.5MPa、=30、h=15MPa、y=15MPa,当当分别为分别为0、 0.2、0.5、0.75和和1.0时，得到的塑性区边界于下图。时，得到的塑性区边界于下图。 不同不同值的圆形坑道围岩塑性区的形状和范围值的圆形坑道围岩塑性区的形状和范围 马蹄形坑道塑性区的形状和范围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埋深对塑性区形状的影响 坑道形状对塑性区的影响坑道形状对塑性区的影响 不同形状坑道的应力集中系数不同形状坑道的应力集中系数 坑道开挖后如果不加支护

28、，坑道围岩将会经过应力集中坑道开挖后如果不加支护，坑道围岩将会经过应力集中 形成塑住区形成塑住区向坑道内位移向坑道内位移塑性区进一步扩大塑性区进一步扩大坑道围岩松坑道围岩松 弛、崩塌、破坏等几个过程。这个过程视围岩的性质、坑道尺弛、崩塌、破坏等几个过程。这个过程视围岩的性质、坑道尺 寸和形状寸和形状, ,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。个阶段。例如在整体、坚硬的脆性岩体中可能形成自稳坑道。 在松散岩体中在松散岩体中, ,坑道会迅速达到崩塌等。坑道会迅速达到崩塌等。 （二）、毛洞的稳定

29、性及其破坏（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：无支护坑道岩体有三种丧失稳定的形式： (1)(1)局部崩塌：局部崩塌：主要是由地质构造上的原因造成的。由于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。较少的在侧壁造成局部崩塌。 (2)(2)拱形崩塌：拱形崩塌：由于自重应力场开挖后形成的二次应力场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。在这种情况下即应力集中造成围岩破坏而形成的崩塌。在这种情况下, ,

30、围岩围岩 破坏一般从坑道侧壁开始破坏一般从坑道侧壁开始, ,同时围岩的破坏和位移也可能发生同时围岩的破坏和位移也可能发生 在顶部和底部。属于强度破坏之例。在顶部和底部。属于强度破坏之例。 (3)(3)变形持续增大：变形持续增大：在塑性性质显著的围岩中在塑性性质显著的围岩中, ,稳定的丧失稳定的丧失 是由于塑性变形产生过度的位移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。及膨胀性或挤入性围岩中发生。 坚硬完整的岩体坚硬完

31、整的岩体, ,应力分布与理想的弹性连续介质极为接应力分布与理想的弹性连续介质极为接 近近, ,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则其稳定性分析基础就应是弹塑性模式的应力应变状态。应变状态。 对脆性岩体：对脆性岩体：目前主要是用统计方法研究坑道周边岩体局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：崩塌尺寸和出现得出无支护坑道正常使用的

32、可能性。参数有：崩塌尺寸和出现 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, ,在这种情况下，可用下式判在这种情况下，可用下式判 断无支护坑道的强度。断无支护坑道的强度。 PN(S容许 容许)0 P容许容许 式中：式中： S S容许 容许 现行规范允许的无支护坑道崩塌尺寸现行规范允许的无支护坑道崩塌尺寸; ; N N（S S容许 容许）坑道周边上尺寸 ）坑道周边上尺寸SSSS容许 容许的崩塌数量 的崩塌数量; ; P PN(SN(S容许 容许)0 )0在坑道周边出现在坑道周边出现SSSS容许 容许崩塌的概率 崩塌的概率; ; P P容许 容许 规范允许出现这种崩塌的概率。规

33、范允许出现这种崩塌的概率。 前苏联前苏联S容许 容许及 及P容许 容许的建议值 的建议值 坑道用途坑道用途S容许 容许 P容许 容许 人员通行的人员通行的 运输及安放设备的运输及安放设备的 水工隧洞水工隧洞 通风坑道通风坑道 地下洞库地下洞库 0.001 0.0010.01 0.010.1 0.11.0 0.1 0.01 0.05 0.1 0.1 0.1 在脆性围岩中，围岩强度条件产生的正常使用的破坏，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。目前通

34、常都是以强度条件为破坏标准的。目前,一般认为在脆性岩一般认为在脆性岩 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、剪切破坏压裂、剪切破坏) 作为标准的。其值可由沿坑道周边出现的最大切向应力和岩作为标准的。其值可由沿坑道周边出现的最大切向应力和岩 体强度的比值来决定：体强度的比值来决定： KHRb 或或 H/RbS 坑道破坏形态坑道破坏形态压力显现形式压力显现形式围岩性态围岩性态产生破坏的基产生破坏的基 本原因本原因 围岩的力学动围岩的力学动 态态 局部崩塌局部崩塌局部掉块或无局部掉块或无 压力显现压力显现 硬岩、完整、硬岩、完整、 脆性的脆性的 地质构造

35、、节地质构造、节 理、层理面发理、层理面发 育育 弹性的、或刚弹性的、或刚 体平衡体平衡 拱形崩塌拱形崩塌松弛压力为主松弛压力为主硬岩、中硬岩硬岩、中硬岩 有裂隙及裂隙有裂隙及裂隙 发育的围岩等发育的围岩等 强度破坏强度破坏弹性的、弹塑弹性的、弹塑 性的性的 变形的持续增变形的持续增 大大 塑性的、膨胀塑性的、膨胀 性的、挤压性性的、挤压性 的压力为主的压力为主 软岩、粘性土、软岩、粘性土、 膨胀岩、挤入膨胀岩、挤入 性岩等性岩等 变形过大，持变形过大，持 续发展续发展 弹塑性的、粘弹塑性的、粘 弹性的等弹性的等 项目项目 无支护地段长度（无支护地段长度（m m）15158 85 52.52.

36、51 1 平均自稳时间平均自稳时间1010年年6 6个月个月7d7d10h10h30min30min 围岩的粘结力（围岩的粘结力（MPaMPa）0.40.40.30.30.40.40.20.20.30.30.10.10.20.20.10.1 围岩的内摩擦角围岩的内摩擦角45453535454525253535151525251515 三、支护后围岩的应力状态三、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。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

37、态，前已指出有两种情况：坑道开挖后的应力状态，前已指出有两种情况：一种是一种是开开 挖后的二次应力状态仍然是弹性的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，即使支护也是防护性的。道是自稳的，是无需支护的，即使支护也是防护性的。一种是一种是 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。构，来提高围岩的自支护能力。 周边作用有支护力时坑道的塑性区周边作用有支护力时坑道的塑性区 pa（MPa）025810.1 ro（m）3.042.662.3

38、22.172.0 =a/r0.660.750.860.951.0 塑性区计算结果塑性区计算结果 圆形坑道周边的支护力与位移圆形坑道周边的支护力与位移 a K u y e a 2 1 a r ry e a K u 2 max0 )( 2 1 0 ap K u ay e a )( 2 1 a r ry e a K u 2 0 )( 2 1 0 围岩为弹性状态时的围岩为弹性状态时的p pu u曲线曲线 a K u y 2 1 max p pa a与与u ua a/a/a的关系的关系 开挖后围岩特征曲线开挖后围岩特征曲线 四、开挖后的围岩特性曲线四、开挖后的围岩特性曲线 以单线铁路隧道为例，具体说明各

39、类围岩的特征曲线的特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。设定坑道半径征及其应用。设定坑道半径a a3.0m3.0m，各级围岩的计算指标列，各级围岩的计算指标列 于表中。于表中。 围岩级别围岩级别 计计 算指标算指标 Rb MPa c MPa E105 MPa 60 50 11 0.3 0.15 30 50 5.46 0.2 0.2 20 45 4.14 0.075 0.25 10 40 2.33 0.03 0.3 5 35 1.3 0.01 0.35 1 30 0.289 0.008 0.4 各级围岩的计算指标各级围岩的计算指标 II级级 III级级 IV级级 V级

40、级 VI级级 从计算结果可以大致看出从计算结果可以大致看出:级围岩在埋深级围岩在埋深1000m1000m以内以内, ,基基 本上是自稳的本上是自稳的, ,可无须支护。其他各级围岩可无须支护。其他各级围岩, ,视埋深不同视埋深不同, ,坑道坑道 稳定性是不同的稳定性是不同的, ,应分别采用不同类型的支护结构。应分别采用不同类型的支护结构。 图中是根据上表数据图中是根据上表数据,a=3m,a=3m时绘制的围岩特征曲线。所有时绘制的围岩特征曲线。所有 的曲线都是随着的曲线都是随着u ua a的增加的增加,p,pa a呈单调地减小。以呈单调地减小。以级围岩为例，级围岩为例， 当埋深为当埋深为400m4

41、00m时，如容许位移时，如容许位移u ua a为为4cm4cm，则所需支护阻力，则所需支护阻力p pa a为为 3MPa3MPa左右。左右。 五、围岩的工程性质评价五、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，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。并与标准支护模式对应，以提高设计的效率和合理化程度。 我国铁路隧道和公路隧道采用同样的围岩分级方法，把围我国铁路隧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，即把稳隧道围岩分级是

42、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。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（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。道稳定性的问题。 所谓的坑道稳定性是指一定尺寸的坑道，在不加任何人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

43、状态。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：下四类： 1 1）坑道充分稳定）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。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现象。在特殊情况下会出现岩爆现象。 2 2）坑道稳定）坑道稳定 在大块状构造的岩体及整体状的中硬岩（在大块状构造的岩体及整体状的中硬岩（Rb30MPaRb30MPa）中）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，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

44、起坑道的坍塌，坑道是稳定的，围岩具有一定的自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。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。此时应采取局部人工支护或轻型的全面人工支护。 3 3）坑道暂时稳定）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）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。暂时稳定的象，坍塌后的坑

45、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，坑道如不及时采取等）和内部（如地下水等）条件影响下，坑道如不及时采取 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。取各种类型的人工支护措施。 4 4）坑道不稳定）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，于开

46、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，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。

47、证坑道的稳定。 围岩级别围岩级别I IIIIIIIIIIIIVIV V VVIVI 稳定性级别稳定性级别充分稳定充分稳定稳定稳定暂时稳定暂时稳定不稳定不稳定 支护级别支护级别饰面饰面构造构造承载承载特殊承载特殊承载 围岩分级、坑道稳定性和支护级别间的大致关系围岩分级、坑道稳定性和支护级别间的大致关系 六、围岩压力（荷载）的确定方法六、围岩压力（荷载）的确定方法 1松弛压力松弛压力 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学上匀的连续介质进行研究，但实际的围岩是包含有节理等力学上 不连

48、续面，面的强度对特定的方向是很低的，如在强度低的方不连续面，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。为松弛压力。 图图1 1 不同围岩的崩塌高

49、度与频率不同围岩的崩塌高度与频率 图图2 2 弹性波速度与松弛高度弹性波速度与松弛高度 变形变大后变形变大后p pi ip p即作用在支护即作用在支护 结构上的荷载变小。此外，围岩强结构上的荷载变小。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，需要支持形发展到一定程度以后，需要支持 松弛荷载的力也要变大。松弛荷载的力也要变大。 从理论上说，如不加控制，或控制从理论上说，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

50、弛压力。实线线是形变压力，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，但作为这个点是不容易的，但作为个概念是个概念是 必要的。必要的。 裂隙围岩中塌方轮廓裂隙围岩中塌方轮廓 围岩级别围岩级别总计总计 次数次数12124848186186777729295 5357357 频率（）频率（）3.363.3614.514.554.1054.1020.620.66.806.801.401.40100

51、100 围岩级别与塌方频率表围岩级别与塌方频率表 围岩级别与塌方频率图围岩级别与塌方频率图 塌方基本形态图塌方基本形态图 围岩级别围岩级别 局部塌方局部塌方9 9252550506 6- - - 拱部塌方拱部塌方3 3232312912946461212- - 扩大拱形塌方扩大拱形塌方- - -7 7252517175 5 总计总计12124848186186777729295 5 各级围岩塌方出现的频率表各级围岩塌方出现的频率表 由表可见由表可见, ,局部塌方一般发生在局部塌方一般发生在级围岩中级围岩中, ,围岩级别愈围岩级别愈 大大, ,局部塌方的概率愈大。扩大的拱形塌方较多出现在围岩局部

52、塌方的概率愈大。扩大的拱形塌方较多出现在围岩 级别小于级别小于的围岩中。的围岩中。 围岩级别围岩级别塌方类型塌方类型 、局部塌方为主局部塌方为主 、拱形塌方为主拱形塌方为主 、扩大拱形塌方为主扩大拱形塌方为主 塌方类型与围岩级别表塌方类型与围岩级别表 还应该指出还应该指出, ,局部塌方的范围局部塌方的范围, ,从统计资料分析从统计资料分析,级级 围岩时围岩时, ,约为约为0.4B, 0.4B, 级围岩时级围岩时, ,约为约为0.6B0.6B。这个数值可以。这个数值可以 作为决定荷裁值时的参考（作为决定荷裁值时的参考（B B为开挖宽度）。为开挖宽度）。 围岩级别围岩级别 h(m)h(m)0.650.651.291.292.42.44.324.329.69.619.219.2 支护结构的设计荷载可由下式决定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) r r与与 L L的散点图的散点图 崩塌围岩中崩塌围岩中r r 稳定在同 稳定在同 一水平的状态图一水平的状态图 接触压