隧道施工的力学过程与计算模型

中南大学土木工程学院

隧道工程系隧道施工的力学过程与计算模型土木工程学院隧道工程系施成华讨论题：

（1）隧道结构施工及运营阶段安全性的主要影响因素及其在力学计算中如何进行考虑？第1讲隧道力学的基本概念与计算模型—讨论题第2讲隧道开挖后的力学行为本讲主要内容：1、隧道开挖后的应力状态2、隧道支护后的应力状态3、新奥法施工的力学解析4、隧道施工力学相关问题讨论土木工程学院隧道工程系施成华（1）隧道的施工过程原始岩体毛洞支护体系稳定洞室开挖支护时间第2讲隧道开挖后的力学行为土木工程学院隧道工程系施成华初始应力状态（原岩）隧道开挖后应力状态（二次应力状态）隧道的开挖施工实际上是一个应力状态的调整，重新达到应力平衡的过程。（2）隧道施工的力学过程开挖支护体系应力状态（三次应力状态）终极应力状态（四次应力状态）支护时间第2讲隧道开挖后的力学行为土木工程学院隧道工程系施成华

（1)基本假设影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的，如围岩的初始应力状态，岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力学分析多以下述假定为前提：

1）视围岩为均质的，各向同性的连续介质

2）只考虑自重产生的初始应力场

3）隧道形状以规则的圆形为主

4）隧道位于地表下一定的深度处，可简化为无限体中的孔洞问题第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态1、隧道开挖后的应力状态土木工程学院隧道工程系施成华隧道开挖后，围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现两种情况：一种是围岩仍处于弹性状态；另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，使部分围岩处于塑性状态，隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态1、隧道开挖后的应力状态土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态1）围岩中的应力场和位移场：第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态一部分是初始应力初始的(以“－”标出)，另一部分是有洞周开挖卸载引起的土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态2）洞周应力和位移

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态2）洞周应力和位移

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态

沿隧道周边只存在切向应力，径向应力为0。这说明隧道的开挖使隧道周边围岩从二维（或三维）应力状态变成一维（或二维）应力状态，沿隧道周边的应力值及其分布主要取决于值。土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态2）洞周应力和位移

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态分别以不同的值代入前式，则切向应力沿隧道的分布如图。土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态2）洞周应力和位移

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态a）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（左右30°范围内）。

b）随着的增大，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小，当时，拱顶切向拉应力等于0，大于1/3后，整个隧道周边的切向应力皆为压应力。c）隧道侧壁周边切向应力总是压应力，且总比拱顶范围的应力值大，侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破坏或岩爆，并有可能导致整个隧道失稳。土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态2）洞周应力和位移

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态d）当初始垂直应力和水平应力相等（）时，隧道周边围岩的应力状态是轴对称的，这种应力状态对圆形隧道的稳定是非常有利的。

e）通常围岩的水平侧压力系数在0.2~0.5之间，此时，隧道周边的切向应力都是压应力。

土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态2）洞周应力和位移

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态

当时，隧道断面是均匀缩小的，随着值的减小，隧道上下顶点继续向隧道内挤入，水平直径处则减小而变成扁平的断面形状。在多数情况下，隧道开挖后围岩是向隧道内移动的，只在一定的值条件下，在水平直径处有向两侧扩展的趋势，多数情况下，拱顶位移均大于侧壁位移。土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态3）轴对称情况

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态在洞室周边上，主应力和的差值最大(2)，由此衍生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实践也证明，洞室的破坏总是从周边开始，并逐步向深处发展的。3）轴对称情况土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态4）围岩应力向深处的变化规律

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态和两种情况围岩应力分布情况。土木工程学院隧道工程系施成华

（2)隧道开挖后的弹性应力状态4）围岩应力向深处的变化规律

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态a)隧道侧壁中点的切向应力都是正值（压应力），最大为最小为随着离隧道周边距离的增大，切向应力趋于初始应力状态。b）拱顶处在隧道周边上的切向应力由变到，随着离隧道周边距离的增大，切向应力同样趋于初始应力状态。c）在拱顶处拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a，而后周边为压应力，这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。对于实际开挖的隧道，由于爆破超欠挖的影响，隧道周边极不平整，会产生高度的应力集中，欠挖处的应力会达到初始应力值的十几倍，造成隧道的局部破坏。土木工程学院隧道工程系施成华5）其它情况

对于非圆形隧道的围岩二次应力场和位移场的确定，要用到复变函数的映射理论，公式比较繁杂，这里不详述。对于浅埋圆形隧道，围岩的二次应力场和位移场就不能按以上各式确定了，应采用弹性力学中的公式进行计算。

（2)隧道开挖后的弹性应力状态第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态土木工程学院隧道工程系施成华

（3)隧道开挖后的弹塑性应力状态1）塑性区的应力场

围岩塑性区的应力值与围岩的初始应力状态无关，仅取决于围岩本身的强度参数值，同时随r的增大而增大，超过塑性区范围后，又恢复为弹性状态。

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态土木比工程掏学院抖隧道梨工程未系施成仿华（3)隧道托开挖博后的页弹塑径性应使力状膀态1）塑性热区的应球力场第2讲片隧道浩开挖耗后的味力学蝴行为—二次应洪力状态当时，塑性区的形状也是一个圆形，当时，塑性区的形状和范围有很大的变化。土木赢工程馆学院屯隧道言工程浩系施成华（3)隧道开鸽挖后的渐弹塑性储应力状秆态2）塑窑性区扩的范洽围塑性云区范伞围不负仅与搭围岩袋强度讯参数缝有关双，而眯且还澡取决箭与围臂岩的梯初始湿应力可状态鬼。在响自重车应力版场中籍，隧组道埋过深越归大、庸塑性副区范堤围越酸大。在塑聋性区孙与弹读性区宪的交酱界面抱上，节塑性泡区的竟应力榜与弹迟性区故的应浴力一扰定保失持平贯衡，扁由此足得绪时列的塑叛性区坚半径幼为第2讲宜隧道潮开挖拨后的警力学良行为—二次应树力状态土木箩工程熟学院瓣隧道依工程辞系施成搂华（3)隧道例开挖影后的机弹塑披性应勉力状下态2）塑雨性区乞的范距围第2讲隧殖道开挖孔后的力禁学行为—二次啦应力斯状态时，塑性区主要出现在侧壁，呈月牙形，时，则变成耳状，也集中在侧壁范围，时，又变成向围岩深处扩展的X形，在各种情况下，隧道侧壁塑性区域显著集中。a）值的影响土木工等程学院谈隧道工股程系施成制华（3)隧道份开挖胁后的分弹塑汉性应袍力状倾态2）塑性须区的范苗围对于文马蹄慢形隧罗道，均也有姻同样起的结眼论。第2讲隧店道开挖荣后的力鱼学行为—二次耽应力幼状态a）值的影响土木工灿程学院耀隧道工贪程系施成华（3)隧道开肝挖后的宁弹塑性奔应力状络态2）塑肤性区爽的范任围随着埋吵深的增饼加，（贿实际上肚意味着能围岩条党件的恶议化，其齿塑性区帮扩大并购呈不同流的形状偿。第2讲隧苦道开挖荣后的力迅学行为—二次应浇力状态b）埋深妄的影响土木辰工程稠学院支隧道晶工程换系施成秩华（3)隧道管开挖蛮后的场弹塑佩性应堪力状荐态2）塑性秩区的范默围隧道胀形状虫对塑骑性区模范围钓、形字状也牛有很梁大的槽影响稠。第2讲隧言道开挖身后的力妹学行为—二次应稼力状态c）隧智道形糕状的婶影响土木工慰程学院思隧道工庄程系施成逃华3）塑用性区摘的位朗移事实上幸，围岩顽在进入巴塑性状纺态后，奔体积要鱼发生剪床涨现象跑，故上馋式只能绒是近似尚公式。假定果在小洒变形呀的情丧况下动，塑黎性区啄体积蠢不变返，则藏有：（3)隧道番开挖川后的横弹塑淡性应飘力状谷态第2讲隧格道开挖鼻后的力暑学行为—二次应识力状态土木工款程学院痰隧道工窗程系施成蜂华（1)支护阻占力对隧愧道周边袄应力分隙布的影带响1）弹呆性应激力状原态下支护盘阻力骄的存航在，涌使周兼边的涂径向第应力罢增大战，而惰使切滑向应惧力减租小，灵实质病上是渐使直匠接靠嗽近洞腔室周浊边的绢岩体见应力扣状态您，从单向(或双向剪的)变为双冬向的(或三向枕的)的受鼻力状轮态，因而拾提高耕了岩蒸石的权承载须力。假定支昂护阻力pa是径向文的(实际上巩还有切伤向的)，且迁沿洞懒室周吹边是碌均匀事分布红的，剧则有苗：第2讲隧御道开挖欲后的力某学行为—三次应趴力状态2、支护同施作后僻的应力珠状态土木叹工程诸学院廉隧道字工程侧系施成但华（1)支护阻火力对隧滨道周边既应力分邮布的影匙响2）塑厅性应茫力状娃态下塑性区鞠半径是裁随着支谷护阻力秆的加大堪而减小醒，说明惧了径向磨阻力侨对限李制围抖岩塑切性区网的发牌展能卧起重芽要作厕用。这领是因扒为支印护阻醉力的饭存在,使围岩礼的应力仍状态有介二维的镇变为三润维的,从而提鉴高了围燃岩的抗拌屈服能努力。第2讲吵隧道哲开挖友后的放力学共行为—三次应哥力状态土木爬工程耍学院股隧道愉工程朝系施成像华（2)支护阻谨力对隧胳道周边扬位移分包布的影侄响在形成爱塑性区术后，隧铃道壁径翅向位移垮不仅与浮岩体的沉物理参减数、坑炮道尺寸桐和隧道稻埋深有泽关，而刮且还取站决于支常护阻力剪的大小敏。支护蒸阻力侨的存琴在控福制了敌隧道吐周边染围岩末的变逃形，并从而查控制芝了岩糟体内叙塑性根区的柜发展阁和应爬力的茄变化够，这林就是按支护犹结构榨的支论护实苏质。嘉同时公由于朵支护慰阻力净的存太在也手改变晨了隧沈道周拨边岩皱体的饥承载烈条件炭，从吗而相薯应提基供了吩岩体牧的承闸载能付力。第2讲炕隧道访开挖俭后的阵力学梁行为—三次近应力狭状态土木工戚程学院娘隧道工黎程系施成方华（2)支护阻迷力对隧踪蝶道周边手位移分垫布的影劈燕响第2讲隧甚道开挖叫后的力范学行为—三次应毛力状态土木寄工程梢学院亏隧道科工程著系施成华对于阅非理常想状卵态下辉的非圆秋形隧模道，其围齿岩特征按曲线的雾基本形妨状是类镰似的。考虑实科际情况怕，支护膝阻力足绿够大时箱可使围暖岩的径向蜻位移朴为零，且科隧道赔洞壁跑位移乱超过叹一定均限度堡后，织就会失稳坍双塌，因此模需对围塘岩特征车曲线进惜行修正菜。（2)支护阻裳力对隧饼道周边灶位移分枝布的影衰响第2讲氏隧道酷开挖众后的配力学禁行为—三次险应力袍状态土木工闪程学院占隧道工荣程系施成华

仍以圆形隧道为研究对象，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的，则有：(3隆)支护越特征纸曲线第2讲隧龟道开挖眼后的力械学行为—三次悬应力也状态土木工培程学院奸隧道工悦程系施成华(4)围岩与输支护结骗构平衡远状态的水建立当支煤护特副征曲帆线与爸围岩街特征做曲线关在D点之前务的任意录位置达司到平衡倍，隧道慢结构体高系均是稳定的（江形变顷压力低）当支护搁特征仙曲线哄与围者岩特克征曲值线在D点之前冲没有达装到平衡芬，就会泰导致围企岩的松动演、坍术塌（松娃动压歇力）第2讲隧划道开挖像后的力详学行为—三次应究力状态土木工轰程学院愿隧道工效程系施成监华（1）核心——充分榨利用夸围岩蔬的自桃承载免能力3、新愿奥法殖施工顶的力骨学解吹析原岩应力一部分通过变形自己承担了，另一部分由支护结构承担围岩与支护结构在不同位置达到平衡，作用在支护结构上的荷载是完全不同的，刚度大的支护不合理围岩松动、坍塌后，作用在支护结构上的荷载会急剧增大较佳的支护工作点应当在D点以左，邻近D点处第2讲愿隧道恳开挖屠后的离力学兴行为—新奥法串力学解勒析土木售工程壁学院旋隧道要工程香系施成萌华第2讲隧翼道开挖籍后的力挨学行为—新奥惨法力丸学解维析土木供工程讲学院拌隧道聋工程施系施成华（2）控舱制爆每破——保护黑围岩伶的自纷承载霸能力不同爆勿破效果拥条件下罢，围岩魔的特征棕曲线是山完全不第同的采用妇控制悟爆破暂时，吗对围盼岩的赛扰动杏小，戒开挖烤轮廓瓶圆顺花，围召岩的嚷自承挤载能荣力强第2讲隧缓道开挖吴后的力饰学行为—新奥法召力学解云析土木工窃程学院朵隧道工灶程系施成富华（2）控制朴爆破——保护则围岩铲的自窄承载伸能力第2讲隧岗道开挖树后的力茅学行为—新奥炊法力术学解管析土木工带程学院嗓隧道工厨程系施成华（3）锚死喷支秒护——发挥围淹岩的自胡承载能靠力柔性支敬护，容弟许围岩梅产生一锻定的变培形，以败发挥围列岩的承砖载能力及时封展闭围岩匪，保护善围岩的医承载能肠力可分严层施助作，节适时龟调整愉支护狮结构催的刚吸度第2讲隧尽道开挖哭后的力词学行为—新奥际法力堪学解介析土木旗工程足学院悲隧道初工程怖系施成伤华（3）锚喷瞧支护——发挥围坚岩的自车承载能却力第2讲隧戴道开挖闭后的力厌学行为—新奥姻法力碌学解活析土木工搬程学院继隧道工浙程系施成芹华（4）监灵控量遥测——控制围系岩产生登过大的命变形（童坍塌）判断围崇岩与支善护结构桂体系是管否达到位稳定判断是经否需要尘调整支报护结构阶的刚度判断件支护壶结构门刚度狂是否取过大第2讲众隧道至开挖劫后的哈力学倘行为—新奥法顷力学解王析土木工哲程学院块隧道工压程系施成华（4）监控独量测——控制拳围岩国产生柴过大洁的变坊形（薪坍塌返）第2讲隧盾道开挖酷后的力咏学行为—新奥法话力学解扫析土木治工程励学院巴隧道疫工程级系施成华（4）监拖控量风测——控制从围岩啊产生起过大执的变渣形（犹坍塌妈）第2讲隧励道开挖疮后的力旨学行为—新奥淋法力碰学解叹析土木器工程幕学院剪隧道隐工程现系施成思华（1）是否蓝可以通冠过延迟炕支护的闻方式达忍到最佳带平衡点4、隧道单施工力虹学相关套问题讨岗论封闭围浸岩，保灵护自承推载能力形成谁三向桂应力瞎状态——应及早衣进行支嫁护第2讲隧生道开挖晚后的力塌学行为—问题讨犬论土木工裕程学院掉隧道工巴程系施成华4、隧末道施絮工力后学相事关问锋题讨低论第2讲词隧道挂开挖乎后的泄力学绑行为—问题女讨论土木挥工程花学院器隧道舅工程恶系施成华（2）在际锚喷德支护哭中加兰钢支彻撑就洞不能简发挥冻围岩输的力争学作靠用了——在自稳摘能力较仔差的围蚂岩中，级