隧道变形动态及其控制技术

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1、隧道变形动态及其控制技术（草稿）一、概述众所周知,隧道施工的基本目的是在各类地质体〈围岩〉中修筑为各种目的服务的、长期稳定的洞室结构体系。在隧道工程的设计施工中，我们必须清楚地认识这种结构体系的特点。1、从结构角度看,这个结构体系是由周围地质体（围岩）和各种支护结构构成的,即：洞室结构体系=周围地质体（围岩）+支护构件它是由天然的、具有固有的应力场、渗流场、温度场的地质体和人工的支护构件构成的。这与地面结构体系是完全不同的；2、在这个结构体系中，周围地质体（围岩）起着主导的作用。例如在充分稳定的地质体（围岩）中，可以不需要任何结构意义上的支护构件

2、，而处于长期稳定的状态。如一些天然洞穴的存在，人工修筑的无支护构件的洞室（黄土窑洞、无支护坑道等）等。就是需要支护的地质体（围岩），也只是需要薄薄一层喷混凝土或者几根锚杆、几榀钢架就可以使之成为稳定的结构，这也说明，周围地质体是主要的承载体；3、作为结构体系主体的地质体（围岩），的基本特征是具有极大的不确定性。我们在设计、施工中遇到的许多不确定性问题和现象也主要是由地质体（围岩）的不确定性引起的。这也是我们在设计施工中面对的最大难题；4、从工程结构的角度看，这种结构体系的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的.这个过程大体上可作

3、如下表达（图1）：与之相适应的力学过程如下图1施工过程与围岩力学状态变化5、简单地说，这个过程是动态的，隧道施工也就是一个应力释放与应力控制的过程。应力释放到什么程度，是可以通过一定的人为的干涉手段加以控制的。因此，施工过程就是利用和控制围岩动态变形（应力）的过程（图2）。认识这一点是非常重要的。初始应力状态开挖后应力状态支护后应力状态应力释放应力控制图2应力释放与应力控制因此，掌握坑道开挖后的围岩力学动态变化及其过程是极为重要的。这是隧道工程技术人员的基本功。6、与地面结构体系截然不同的一点，就是荷载的不确定性。这与地质体（围岩）的不确定性直接

4、相关，也与支护构件与围岩的相互作用有关。因为支护构件上作用的荷载大小及其分布是控制隧道变形结果的反应，也是一个变数，也是不确定的。因此给支护体系的设计带来了极大的困惑。实际上，解决了应力释放和应力控制问题，也就解决了荷载问题。在隧道的设计施工中，充分认识上述各点是非常重要的。二、隧道变形过程及其类型在长期的工程实践和理论研究中，尤其是近代岩土力学、工程地质力学的发展，使我们对坑道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。例如，我们认识到坑道开挖后将引起围岩一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力的释放；在重新分布的应力作用下，一定

5、范围内的围岩产生位移，发生松弛，与此同时也会使围岩的物理力学性质发生变化（恶化）；在这种条件下坑道围岩将在薄弱处产生局部破坏；在局部破坏的基础上造成整个坑道的崩塌。一般说这个认识正确地反映了坑道从开挖后到其破坏的力学动态和过程。但这种认识并不是今天形成的，而是长期工程实践的概括和总结。从力学角度看：坑道开挖前的围岩处于初始应力状态，即前面所述的初始地应力场。我们称为一次应力状态；坑道开挖后由于应力重新分布，坑道周边围岩处于由开挖引起的应力场中，这种应力状态我们称为二次应力状态，又称为毛洞的应力状态。它受到开挖方式(爆破，非爆破)和方法(全断面开挖

6、，分部开挖法等)的强烈影响。如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不如任何支护，坑道即可自稳。如果坑道不能自稳就须施加支护措施加以控制，促使其稳定。因此，采取支护措施后的应力场称为三次应力场或支护后的应力场。显然这种状态与支护结构的类型、方法、施设时间以及与围岩的相互作用等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。从这里我们可以清楚地看出，开挖实质上是应力释放的过程，而人工支护则是应力控制的过程。我们可以说隧道的设计、施工实质上就是要解决好这个”应力释放与控制”的问题。说得通俗一点，隧道设计施工就是

7、要解决好因开挖引起的围岩变形（松弛）问题。前面提到，隧道工程，归根结底，就是一个应力释放和应力控制的问题。应力释放的直接后果，就是引起周边围岩的变形和松弛。因此，应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。也就是说如何在开挖和支护过程中，使围岩不松弛或少松弛。这是隧道设计施工的主要原则。围岩松弛与围岩变形直接相关。也就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。因此，认识和掌握围岩在开挖后是如何变形及其变形的过程是非常重要的。为了说明方便起见，下面用2个计算例加以说明。设初始地应力场的水平方向和垂直方向的分力分别为px和py。例1：静水压荷载下的

8、圆形隧道px＝py＝10kgf/cm2，E＝1000kgf/cm2，υ＝1/3例2：承受2方向不同荷载的半圆形隧道px＝（1/2）py＝