大断面隧道力学特性分析

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1、大断面隧道力学特性分析周正杰中铁航空港建设集团有限公司重庆第四分公司摘要：通过分大断面隧道的力学特性，我们了解了隧道在施工过程中的受力变化情况，认识到隧道各个部位的力学特性，为隧道的施工设计提供了理论支持，让大断面隧道的设计与施工更为合理，为大断面隧道的研宄奠定了一些理论基础。关键词：大断面隧道；力学特性；设计与施工1引言隧道开挖前，围岩的原岩应力主要是由自重应力和构造应力组成，这些应力沿不同的方向传递，使得岩体中任一单元都处于三向应力的平衡状态。在岩体中开挖隧道后，隧道周围岩体原有的应力平衡遭到破坏，由原来的三向应力转变为二向应力。同时，由于隧道上部岩体失去支撑，隧道顶部岩体的重力即转加于

2、隧道边墙，使隧道边墙岩体中的铅垂应力增大；原来由隧道内岩体传递的水平应力，由于隧道空间的形成，也只能通过顶、底板互相传递，因而，也使隧道顶、底板岩体的水平应力发生变化。隧道幵挖引起隧道附近岩体产生变形、位移甚至破坏，直到出现新的应力平衡为止。2大断面隧道力学特性分析在隧道工程设计、施工时，正确计算围岩压力对于隧道结构的稳定性至关重要。围岩压力是隧道开挖后引起开挖空间周围岩休和支护变形、破坏的作用力。它括山地应力（即原岩应力）引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的总作用力。隧道围岩压力的确定，目前有三种方法:一种是直接测量法；第二种是工程类比法，即根据大量实际资料分析统计和总结，按

3、不同围岩类别提出围岩压力的经验数值；第三种方法是在实践的基础上从理论上研宄围岩压力的估算方法。下文从四个方面简要阐述大断面隧道的基木力学特性。(1)拱部围岩压力特性在大断面隧道施工过程中，拱顶出现破碎围岩段，沉降较大，塌落拱形成后，塌落拱自身也存在着不断发展的过程。对于大断面隧道的围岩压力而言，拱顶围岩压力并不是最大，最大的压力一般出现在拱肩。之所以产生这种现象，是因为监测范围内的拱顶围岩压力是真正的塌落拱内的围岩压力，而拱肩所监测范围内的压力则是围岩压力和弹性抗力的组合。塌落拱的状态一直处于不断变化发展之中。首先，导洞开挖后，若支护及吋，由于侧压力系数较大，两侧墙支护内挤，拱顶沉降较小，此

4、吋，核心土上方的围岩扰动较小，这是开挖过程的第一次扰动。其次，开挖核心土后，由于两导洞上部岩体的压力，拱部衬砌出现较大的位移，而核心土上方的围岩则在两导洞上方围岩的支撑下，并未出现大规模位移，从而在两拱肩形成了塌落体的支撑脚，作用在拱部的岩体体积较小，拱顶围岩压力较小。基于以上两方面原因，在两导洞和全断面情况下，由于塌落拱的发展，到最终反而出现了拱顶围岩压力小于两拱肩的情况。(2)大断面形成后的侧壁围岩力学特性特大断面大跨隧道支护结构施作后，除了底部围岩为平衡支护结构传递的上部围岩压力而产生弹性抗力外，另一处可产生弹性抗力的部位为两侧壁边墙处。四午.道公路隧道在衬砌变形方面的监测数据显示，隧

5、道拱顶沉降较人，两侧壁出现远离的现象，典型曲线如图1所示。两侧壁的远离，必然对围岩产生压应力，此吋围岩的弹性抗力系数对支护结构的稳定性有重要的影响。因而，可通过改变侧壁围岩的弹性抗力系数的大小，研究在不同弹性抗力系数下支护结构的稳定性。围岩抗力既然是隧道支护结构的变形所引起，苏大小和分布就必然与支护结构的变形性质有关，一般支护变形越大，围岩反力就越大。冋吋围岩反力又和围岩性质、支护与围岩接触紧密程度等冇关。围岩越硬，反力也越人。围岩反力虽然是一种被动力，但它对于支护结构来说仍然是一种外载，通常它总是分布在围岩压力较小的方向，使外荷载均匀化(这也是理想状态的情况，当支护开始变形后，变形支护的受

6、力条件要比不变形的支护结构的受力条件差，此吋，要保证变形后的支护结构的稳定，围岩需要提供更大的反力）。围岩反力的增大有利于维持支护结构的稳定和减小支护结构的弯矩，对支护结构工作是奋利的，所以应很好地加以利用。3结论从力学观点看，隧道可视为由岩层支撑环和隧道支护组成的相互作用的厚壁圆简，而这样的圆筒只有闭合吋，才会在力学上发挥作用。因此，尽早使仰拱与隧道上部衬砌连接成闭合环，不仅能更好的发挥仰拱的作用，而且对控制洞室周边的位移也有明显的作用。此外，地质条件、断面形状人小以及仰拱的修筑吋间都会对仰拱作用的发挥产生重大的影响。及时修筑仰拱，使衬砌尽早成环，不仅可以大大抑制围岩内塑性区的发展，而且能

7、奋效的控制位移的发展，冋吋对于控制围岩内的应力释放也冇着重要的意义。参考文献：[1】吴明先，杨彦民等.四车道特大断面公路隧道设计与施工技术研究，中交第一公路勘察设计研究院技术研发中心.2004.[2】徐恒国，大断面隧道浅埋暗挖法施工地层变形规律及过程控制技术[D].北京交通大学.2008[3】关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.[4】于学馥，郑颖人.地下工程围岩稳定分析[M].北