均质隧洞破坏机理及其设计方法

均质隧洞破坏机理及其设计方法一、传统隧洞破坏机理〔基于松散体理论〕1、深埋隧洞破坏机理地层形成普氏压力拱,承受压力拱下土体重量2、浅埋隧洞破坏机理隧洞上部土体坍塌，存在应力传递深埋隧洞的压力拱太沙基浅埋理论二、现代隧洞破坏机理(基于弹塑性理论)2004年郑颖人等应用有限元强度折减法求破裂楔体拉布希维兹楔体喷混凝土破裂面隧洞围岩平安系数有限元强度折减法计算过程：不断降低岩土C、值和抗滑力，直到破坏。强度降低的倍数就是隧洞的平安系数并能求出围岩的破裂面2深埋隧洞的滑裂破坏面水泥、石膏、滑石粉的比例为0.2：0.6：0.2

密度（kpa）E(MPa)C(Kpa)

1.78342700.3211621.8隧洞跨度8cm洞高12cm洞深15cm40×52×15cm模型尺寸：

隧洞模型

试验方案方案隧洞跨度/cm侧墙高/cm拱高/cm方案一882方案二883方案三884方案四864方案五844模型试验与数值模拟结果比照分析

(a)方案一

(b)方案二

(c)方案三

(d)方案四

(e)方案五模型试验数值模拟模型试验与数值模拟结果方案侧墙高拱高模型试验极限荷载/kN数值模拟极限荷载/kN模型试验数值模拟

破裂面与洞壁最大距离一82625713.413.1二83595514.314.1三84565315.615.3四64616012.912.8五44686611.711.5深埋隧洞破裂面位置确定围岩等效塑性应变与潜在破裂面(a)1号路径破裂面发生在位移或塑性应变突变处，一般是塑性应变最大的地方。(b)2号路径(c)3号路径(d)4号路径等效塑性应变与X坐标关系曲线图(e)5号路径土质深埋隧洞侧向破坏的工程监测〔1〕隧洞拱顶锚杆受力小，两侧受力大。〔2〕钢架水平收敛位移平均19mm，大于拱顶与拱脚差异沉降平均9.8mm3浅埋隧洞的滑裂破坏面

(a)模型破坏(压力28KN)(b)数值模拟〔压力26KN〕浅埋隧洞破坏面洞跨8m，埋深3m4不同埋深下隧洞的破坏过程〔1〕矩形洞室埋深1米，平安系数0.3埋深3米，平安系数0.52洞跨12m高5m

埋深1米，在顶部中间破坏。埋深3m，在肩部破坏，平安系数随埋深增大。c=40kpa埋深7米，平安系数0.65埋深8米，平安系数0.64埋深9米，平安系数0.66随埋深增加逐步形成浅埋压力拱埋深9m形成浅埋压力拱平安系数逐渐增大埋深10米，平安系数0.69埋深12米，平安系数0.7埋深10m浅埋压力拱逐渐消失形成深埋压力拱〔拱高5M)埋深9~10m是深浅埋的分界线按标准公式hq为12m埋深15米，平安系数0.7逐渐形成两个破裂面压力拱高不变平安系数不变埋深18米，平安系数0.7埋深30米，平安系数0.67埋深50米，平安系数0.61平安系数根本不变拱顶与侧壁出现两破裂面平安系数随深度减少明显出现两侧先破坏平安系数随深度减少两侧破坏矩形隧洞破坏机理：1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏2、开始时平安系数增加，逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高9m3、埋深10m后，浅埋压力拱消失，形成深埋压力拱，拱高约5m，平安系数不变4、9~10m为深浅埋分界标准，按标准公式为12m5、10~18m,普氏拱高度不变，平安系数不变6、18m后，破坏逐渐先从侧向开始，随埋深增加，平安系数减少，出现侧向破坏后的塌落拱〔2〕拱形洞室埋深4米，平安系数0.87埋深7米，平安系数0.84埋深1m拱顶中间破坏埋深4m，拱腰破坏埋深7m，拱肩破坏与矩形不同，随深度增加平安系数减少。拱形洞室受力优于矩形洞室。埋深3.5米，平安系数0.88埋深10米，平安系数0.82埋深8米，平安系数0.82浅埋压力拱逐渐形成拱顶破坏埋深9米，平安系数0.82埋深9m,浅埋压力拱形成拱顶破坏埋深10m,浅埋压力拱逐渐消失同时出现侧向破坏,不形成深埋压力拱埋深12米，平安系数0.81埋深15米，平安系数0.8埋深12m、15m,浅埋压力拱逐渐消失隧洞侧向破坏，埋深10米是深浅埋分界线标准为12米埋深30米，平安系数0.77埋深20米，平安系数0.78先侧向破坏随埋深增加，平安系数不断减少侧向破坏后形成塌落平衡拱埋深50米，平安系数0.75

埋深4米，平安系数0.87埋深4米，平安系数1.32〔3〕不同强度时拱形洞室等效塑性应变图比较强度不同，平安系数不同，图形根本相同。

埋深3.5米，平安系数0.88埋深3.5米，平安系数1.37c=40kpac=70kpa埋深8米，平安系数为1.22埋深8米，平安系数0.82埋深9米，平安系数1.20埋深9米，平安系数0.82埋深7米，平安系数为1.25埋深7米，平安系数0.84埋深10米，平安系数为1.18埋深10米，平安系数0.82埋深12米，平安系数1.15埋深12米，平安系数0.81埋深15米，平安系数为1.12埋深15米，平安系数0.8埋深20米，平安系数为1.07埋深20米，平安系数0.78埋深30米，平安系数为1.03埋深30米，平安系数0.77埋深50米，平安系数为0.9深、浅埋分界线取决于洞形与洞跨埋深50米，平安系数为0.75拱形隧洞破坏机理：1、随埋深从拱顶破坏到拱肩破坏2、拱形洞室受力明显优于矩形洞室，随埋深增加，平安系数减小，先逐渐形成浅埋压力拱，最大拱高9m3、埋深10m后，浅埋压力拱消失，形成两个破裂面。10为深浅埋分界标准，按标准公式为12m4、不存在普氏压力拱，随埋深逐渐转为侧向破坏。5、12m后，破坏明显先从侧向开始，随埋深增加，平安系数减少6、深浅埋分界与洞形洞跨有关,与强度关系不大三、目前隧洞设计中存在的问题1、设计方法不符合实际，如形变压力采用荷载-结构法，使设计偏于保守。2、采用形变压力法没有客观破坏标准，使设计保守。

开挖后塑性区

破坏时塑性区

3、现行隧洞破坏状态判据研究1)以洞周位移或收敛位移为判据存在的问题测点位置不同，位移值不同，位移标准也不同，不知道最敏感的测点位置力学分析中，没有以位移表述的破坏标准，极限位移值按经验确定.弹性模量E对洞周位移影响很大弹性模量()2030405060拱顶最大垂直位移(cm)9.47.34.74.43.6侧墙最大水平位移(cm)7.65.13.83.02.5安全系数1.621.621.621.621.62表1不同弹性模量的计算结果岩土的弹性模量很难测准，严重影响计算结果

断面形状、尺寸不同，收敛位移界限不同Ⅴ类围岩不同断面的相对收敛位移界限标准三心圆拱>扁平直墙拱>窄高直墙拱小断面〔5×7.5×5〕>大断面(10×15×10)围岩类别毛洞断面部位隧洞断面形状三心圆直拱扁平直拱窄高小断面大断面Ⅴ拱顶0.290H～0.559H0.257H～0.481H0.164H～0.310H0.134H～0.258H侧墙0.350D～0.672D0.192D～0.362D0.472D～0.896D0.212D～0.410D2)以塑性区大小为破坏判据的问题位移值大小主要取决于弹模，塑性区大小主要取决于强度力学分析中还没有以塑性区大小的破坏标准，塑性区大小的判据也按经验确定图1开挖后围岩的塑性区

(=0.20)

图2开挖后围岩的塑性区〔=0.25〕图3开挖后围岩的塑性区(=0.30)

不同的泊松比对塑性区大小有很大影响图4开挖后围岩的塑性区(=0.35)图5开挖后围岩的塑性区(=0.40)〔图6开挖后围岩的塑性区(=0.45)表3不同泊松比的计算结果泊松比不易测准，对塑性区大小影响很大,但对平安系数影响很小0.200.250.300.350.400.45围岩塑性区面积(㎡)294.5638.3912.858.968.718.68围岩塑性区最大深度(m)14.006.262.761.571.281.20安全系数1.6241.6261.6251.6251.6261.627泊松比

不同数值分析软件对塑性区大小的影响ANSYS软件计算的塑性区

PLASIX软件计算的塑性区FLAC软件计算的塑性区

采用不同软件计算的塑性区大小PLAXIS>FLAC>ANSYS分析软件ANSYSPLAXISFLAC围岩塑性区面积(㎡)8.9624.7822.40围岩塑性区最大深度(m)1.573.092.80安全系数1.621.601.64

断面形状尺寸不同,标准不同塑性区面积比:三心圆拱>扁平直墙拱>窄高直墙拱小断面经验破坏判据塑性区深度为洞跨的1—1.5倍大断面经验破坏判据塑性区深度为洞跨的0.75—1倍四、黄土隧洞剪切平安系数计算材料破坏分为剪切破坏与拉破坏黄土隧洞平安系数可分为剪切平安系数与拉裂平安系数黄土隧洞在施工与运行中破坏主要由土体强度降低引起，建议采用强度储藏平安系数不断降低抗剪强度，直到破坏，求出剪切平安系数。工程概况某无衬砌黄土洞室，跨度3米，侧墙高1.5米，埋深30米。矢跨比取0、1/6、1/3、1/2、2/3，拱高取0.0、0.5、1.0、1.5、2.0米；表5土体物理力学参数弹性模量泊松比容重粘聚力内摩擦角()

抗拉强度400.35170.05250.02折减、计算结果〔FLAC〕表6不同矢跨比条件的下剪切平安系数、矢跨比拱高（m）只折减、折减、抗拉强度00.01.721.731/60.51.711.711/31.01.671.681/21.51.641.642/32.01.591.59不同矢跨比的剪切平安系数〔ANSYS〕、粘聚力()内摩擦角（）跨度(m)拱高(m)矢跨比剪切安全系数0.052530.51/61.69(1.71)11/31.65(1.68)1.51/21.62(1.64)0.021830.51/60.9311/30.901.51/20.88两种软件计算误差小于2%老黄土中洞室平安，新黄土中洞室不平安开挖后的塑性区

破坏时的塑性区拱高0.5米等效塑性应变和潜在破裂面开挖后的塑性区

破坏时的塑性区等效塑性应变和潜在破裂面拱高1米开挖后的塑性区

破坏时的塑性区等效塑性应变和潜在破裂面拱高1.5米

隧洞设计计算方法:Ⅰ、II级岩体可按风险设计。III、IV、V级可按稳定性计算设计，一般可采用形变压力计算。既要保证围岩的一定平安度，又要保证衬砌到达足够平安度，当不能保证围岩长期稳定时，必须采用松动压力计算。五、有衬砌时黄土洞室设计隧洞设计标准〔稳定标准〕确实定(1)对初期支护：围岩应力释放50%后，施加初期支护,要求围岩具有1.15～1.20的平安系数，初衬建议平安系数1.30左右,确保施工平安.(2)对二次支护：在初期支护以后施加二衬，要求围岩平安系数高于1.15～1.20。对于衬砌按现行标准的规定平安系数大于2.0～2.4，确保长期平安

〔1〕不做初期支护时的设计黄土洞室毛跨7米，高6.5米，矢跨比1/2，埋深40米，衬砌厚度25cm，表土体力学物理参数变形模量泊松比容重粘聚力内摩擦角抗拉强度400.35170.05250.02图开挖后围岩塑性区支护围岩安全系数未支护时0.84采用强度折减法求围岩平安系数无论深埋或浅埋，衬砌承受形变压力，但不需求结构上形变压力，可直接求出衬砌内力，由此可得衬砌平安系数。根据标准公式计算：一般情况下，只考虑抗压平安系数，由材料抗压强度控制结构承载能力KN≤φαRabh〔标准要求K>2.4或2.0〕特殊情况下，按抗裂要求计算：当轴向力偏心矩e0≥0.20h时，由材料的抗拉强度控制结构承载力KN≤1.75φRabh/(6e0/h-1)弯矩图

轴力图衬砌平安系数无初期支护时,衬砌结构平安系数表衬砌厚度h/m开挖后应力释放率最不利位置弯距/(KN·m轴力/MN偏心距e0/m衬砌安全系数围岩安全系数0.2550%拱脚4282.740.151.621.22初期支护：锚喷支护，喷层厚度15cm计算时，锚杆支护以增加10%粘聚力代替二次支护：厚25cmC30混凝土设计平安系数要求：初期支护围岩平安系数大于1.15~1.20衬砌平安系数大于1.30二次支护衬砌平安系数，大于2~2.4〔2〕有初期与二次支护时的设计表衬砌以及围岩平安系数表初期支护应力释放率二次衬砌应力释放率最不利位置弯距/(KN·m)轴力/MN偏心距衬砌安全系数围岩安全系数初期50%1.321.21二次50%0拱脚5191.620.3203.211.42洞跨12m初衬厚度为30cm二衬厚度60cm老黄土,C=0.05=25新黄土,C=0.022=20〔3〕铁路双线隧道双模筑复合式衬砌计算①老黄土衬砌以及围岩平安系数表初期支护应力释放率二次衬砌应力释放率弯距/(KN·m)轴力/MN偏心距e0/m衬砌安全系数围岩安全系数0（未支护）————0.750（只加锚杆）————0.8350%（加锚杆）0（不做二衬）470.9034.460.1061.951.18初期支护平安系数50%（加锚杆）二衬厚40cm016303.060.5333.1