隧道施工后的应力状态及力学行为

隧道施工后的应力状态及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

第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态当时，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2）塑性区的范围

塑性区范围不仅与围岩强度参数有关，而且还取决与围岩的初始应力状态。在自重应力场中，隧道埋深越大、塑性区范围越大。在塑性区与弹性区的交界面上，塑性区的应力与弹性区的应力一定保持平衡，由此得时的塑性区半径为第2讲隧道开挖后的力学行为—二次应力状态土木工兴程学院评隧道工沫程系施成华（3)隧道逼开挖恐后的馒弹塑豪性应辜力状依态2）塑巨性区帆的范雄围第2讲隧坦道开挖维后的力墨学行为—二次应效力状态时，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）值的影响土木扶工程库学院翼隧道沿工程兄系施成华（3)隧道艘开挖谜后的宅弹塑同性应渡力状慈态2）塑厨性区恒的范敢围对于马兆蹄形隧焰道，也贯有同样吓的结论虫。第2讲踪蝶隧道痛开挖五后的屿力学窄行为—二次小应力布状态a）值的影响土木补工程珍学院貌隧道浅工程稿系施成节华（3)隧道开甘挖后的渠弹塑性陕应力状灵态2）塑性撑区的范皱围随着弟埋深拼的增判加，年（实林际上慈意味际着围消岩条精件的浪恶化乱，其林塑性捧区扩晶大并辈呈不迫同的魄形状何。第2讲隆隧道钳开挖我后的希力学蝇行为—二次损应力森状态b）埋御深的工影响土木工挂程学院盐隧道工迈程系施成柱华（3)隧道开邮挖后的超弹塑性佣应力状悉态2）塑性推区的范侦围隧道形镇状对塑萄性区范斗围、形厘状也有栗很大的辩影响。第2讲们隧道闪开挖灰后的斜力学堵行为—二次稍应力喊状态c）隧形道形扰状的诱影响土木工栋程学院查隧道工究程系施成插华3）塑宽性区撞的位蛙移事实历上，乌围岩甘在进宁入塑精性状肆态后拿，体潜积要恒发生迹剪涨积现象绝，故博上式钻只能请是近捞似公矿式。假定社在小瞧变形猾的情桨况下笼，塑头性区叉体积屯不变诱，则们有：（3)隧道开南挖后的暖弹塑性竹应力状朵态第2讲茅隧道或开挖袜后的旺力学防行为—二次辞应力诉状态土木喜工程掏学院骄隧道拿工程呢系施成梳华（1)支护阻枝力对隧轨道周边狡应力分抓布的影裕响1）弹性延应力状聋态下支护染阻力屡的存杯在，炉使周吃边的暖径向耽应力茫增大唯，而丑使切吐向应眨力减赞小，兰实质亦上是息使直谊接靠爷近洞剑室周驾边的此岩体凶应力页状态咳，从单向(或双每向的)变为视双向鼓的(或三脏向的)的受力确状态，因而薪提高夏了岩恋石的头承载宋力。假定磁支护然阻力pa是径位向的(实际上守还有切沫向的)，且似沿洞慢室周蔽边是湖均匀间分布娃的，盐则有昌：第2讲隧灯道开挖宫后的力谢学行为—三次使应力们状态2、支吨护施裳作后阻的应歇力状边态土木工散程学院掠隧道工材程系施成华（1)支护侮阻力肺对隧淡道周凤边应费力分问布的召影响2）塑性谢应力状心态下塑性区幸半径是泊随着支射护阻力辞的加大爬而减小使，说明肃了径向晚阻力傲对限晨制围扇岩塑探性区蝇的发舌展能哭起重凉要作湾用。这是挠因为支始护阻力浴的存在,使围岩提的应力董状态有顾二维的剖变为三跟维的,从而俗提高陆了围城岩的槐抗屈到服能毙力。第2讲鸦隧道画开挖猎后的启力学闲行为—三次录应力贪状态土木卫工程神学院惑隧道昌工程马系施成项华（2)支护阻签力对隧梯道周边警位移分妄布的影奇响在形杯成塑夫性区峡后，肾隧道宪壁径届向位夸移不脂仅与阅岩体冶的物服理参新数、患坑道润尺寸鉴和隧骑道埋爷深有收关，臭而且渗还取借决于捧支护展阻力宰的大伙小。支护锦阻力军的存法在控础制了变隧道幻玉周边劲围岩袋的变膏形，等从而茎控制详了岩嘴体内纷塑性违区的枕发展夸和应诱力的爱变化雷，这具就是爆支护肢结构泪的支亡护实泽质。漂同时攻由于志支护分阻力倾的存赏在也杀改变财了隧钟道周条边岩酸体的型承载湾条件励，从晶而相会应提曾供了腹岩体里的承督载能鲜力。第2讲隧敢道开挖意后的力暑学行为—三次树应力阁状态土木工禾程学院隶隧道工具程系施成华（2)支护阻绢力对隧哭道周边伞位移分韵布的影刮响第2讲隧倘道开挖巾后的力狸学行为—三次应径力状态土木工嫩程学院义隧道工句程系施成华对于瞒非理手想状蝴态下橡的非圆妄形隧即道，其围倡岩特征酸曲线的渐基本形怒状是类终似的。考虑景实际俯情况观，支傅护阻律力足散够大就时可诉使围浮岩的径向版位移贺为零，且隧嫂道洞壁厅位移超托过一定哑限度后话，就会失稳品坍塌，因纹此需描对围疾岩特阔征曲低线进农行修突正。（2)支护栗阻力窜对隧丹道周医边位色移分怀布的菊影响第2讲院隧道沸开挖令后的暮力学先行为—三次穗应力些状态土木工牵程学院辩隧道工婚程系施成华

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镇)支护特颜征曲线第2讲诞隧道伞开挖膜后的舟力学葬行为—三次反应力抄状态土木工辅程学院退隧道工怪程系施成浩华(4骡)围岩洽与支步护结君构平洽衡状佩态的暖建立当支护摇特征曲沾线与围奇岩特征驾曲线在D点之扁前的茎任意诞位置北达到混平衡膨，隧父道结移构体谋系均举是稳定的（形扮变压力羞）当支护特敞征曲线叠与围岩普特征曲国线在D点之谁前没匆有达伏到平慰衡，融就会煎导致旨围岩速的松动、捐坍塌（松贵动压扬力）第2讲隧奇道开挖两后的力研学行为—三次断应力勿状态土木工狭程学院涛隧道工知程系施成苍华（1）核心——充分利烘用围岩现的自承滋载能力3、新巾奥法书施工洽的力楼学解症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讲隧款道开挖竖后的力宵学行为—新奥法程力学解真析土木潜工程祝学院俊隧道摩工程群系施成华第2讲隧训道开挖卸后的力准学行为—新奥法眨力学解辞析土木工须程学院独隧道工员程系施成华（2）控制各爆破——保护勿围岩弊的自运承载并能力不同浑爆破饲效果厦条件羽下，芳围岩品的特涉征曲茅线是雅完全霜不同终的采用披控制嘴爆破叔时，通对围传岩的茎扰动委小，惩开挖挺轮廓贺圆顺缎，围升岩的网自承忍载能睛力强第2讲给隧道黎开挖糊后的茶力学叠行为—新奥百法力捡学解绢析土木鉴工程夹学院求隧道昏工程架系施成澡华（2）控制忧爆破——保护围评岩的自坝承载能锯力第2讲烤隧道货开挖般后的票力学见行为—新奥抵法力抗学解姑析土木工顾程学院呜隧道工秘程系施成卵华（3）锚菠喷支创护——发挥滴围岩腾的自剥承载培能力柔性支扣护，容书许围岩车产生一莫定的变渣形，以特发挥围赖岩的承设载能力及时拐封闭宣围岩衣，保门护围陕岩的并承载彻能力可分崇层施伯作，题适时扇调整崇支护肯结构橡的刚沸度第2讲宿隧道竖开挖迹后的险力学佳行为—新奥处法力得学解撕析土木脾工程断学院忽隧道污工程洁系施成和华（3）锚喷攀支护——发挥围盏岩的自登承载能夜力第2讲财隧道坏开挖申后的残力学拍行为—新奥法夏力学解命析土木寻工程另学院障隧道捡工程廊系施成渗华（4）监控街量测——控制馒围岩悉产生是过大能的变走形（铸坍塌枯）判断围爽岩与支遣护结构胡体系是吵否达到紧稳定判断刊是否喇需要蜜调整痕支护茅结构布的刚害度判断支坐护结构醋刚度是反否过大第2讲隧为道开挖伐后的力贵学行为—新奥纯法力虚学解陆析土木归工程斧学院崇隧道踢工程贸系施成华（4）监真控量授测——控制围创岩产生银过大的茄变形（须坍塌）第2讲觉隧道坛开挖洞后的忠力学颤行为—新奥脉法力舅学解荷析土木工优程学院材隧道工鼓程系施成白华（4）监蓝控量演测——控制此围岩扭产生钢过大绑的变往形（炸坍塌苦）第2讲隧刷道开挖出后的力托学行为—新奥法轻力学解屯析土木工吃程学院伴隧道工镰程系施成华（1）是直否可敌以通第过延行迟支奔护的帖方式拢达到为最佳帅平衡抖点4、隧肃道施壶工力邮学相县关问传题讨匙论封闭围猾岩，保文护自承寄载能力形成粉三向弟应力掘状态——应及酒早进支行支露护第2讲筋隧道虫开挖绿后的莲力学骡行为—问题讨乒论土木工黄程学院锄隧道工学程系施成锹华4、隧道升施工力百学相关趴问题讨膊论第2讲框隧道勺开挖捡后的辽力学粱行为—问题兄讨论土木覆工程轧学院快隧道亮工程葱系施成华（2）在锚衬喷支护糠中加钢响支撑就暂不能发漆挥围岩虫的力学剩作用了——在自器稳能渠力较毁差的终围岩泰中，肝单靠帜锚喷爷支护显不能权控制