北京交通大学___隧道设计与施工__第3部分_隧道设计基础.ppt

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1、主讲主讲:谭忠盛谭忠盛隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工北京交大隧道系北京交大隧道系第三部分第三部分 隧道设计基础隧道设计基础一、初始地应力场及其评价一、初始地应力场及其评价 正正确确掌掌握握和和了了解解地地质质环环境境对对隧隧道道工工程程力力学学行行为为的的作作用用和和影影响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。围岩初始地应力场围岩初始地应力场,一般受到两类因素的影响一般受到两类因素的影响:第第一一类类：重重力力、温温度度、围围岩岩物物理理力力学学性性质质、构构造造、地地形形等等经常性的因素。经常性的因素。第第二二

2、类类：地地壳壳运运动动、地地下下水水活活动动、人人类类的的长长期期活活动动等等暂暂时时性的或局部性的因素。性的或局部性的因素。初始地应力场由两种力系构成初始地应力场由两种力系构成:=y y+T T 式中式中 y y：自重应力分量：自重应力分量;T T：构造应力分量。：构造应力分量。1、重力应力场、重力应力场 设设围围岩岩是是线线性性变变形形介介质质，在在xy平平面面内内是是均均质质的的,沿沿y轴轴方方向向是是非非均均质质的的。设设E、分分别别为为沿沿垂垂直直方方向向的的弹弹性性模模量量和和泊泊松松比比,E1、1为为沿沿水水平平方方向向的的弹弹性性模模量量和和泊泊松松比比，因因围围岩岩的的变变形

3、形性性质质沿沿深深度度而而变变,故故可可定定:E=E(y)，=(y)、E1=E1(y)、1=1(y)，单单位体积重量也认为是沿深度而变，即位体积重量也认为是沿深度而变，即=(y)。距表面距表面h深处一点的应力状态可表示为：深处一点的应力状态可表示为：y=0h(y)dy x=x(y)z=z(y)xy=xz=yz x=z=/1-y 当当垂垂直直应应力力已已知知时时,水水平平应应力力的的大大小小决决定定于于围围岩岩的的泊泊松松比比。大多数围岩的泊松比变化在大多数围岩的泊松比变化在0.150.150.350.35左右。左右。围围岩岩的的初初始始地地应应力力场场是是随随深深度度而而变变的的,其其应应力力

4、状状态态可可视视围围岩岩的的不不同同,分分别别处处在在弹弹性性的的、隐隐塑塑性性的的及及流流动动的的三三种种状状态态。围围岩岩的的隐隐塑塑性性状状态态在在坚坚硬硬围围岩岩中中约约在在距距地地面面10km10km以以下下,也也有有可可能能在在浅浅处处产产生生,如如在在岩岩石石临临界界强强度度低低如如泥泥岩岩等等的的地地段段。通通常常情情况况下下,在在隧隧道道所所涉涉及及的的范范围围内内,都都可可视视初初应应力力场场为为弹弹性性的的,这这一点亦可由部分量测资科所证实。一点亦可由部分量测资科所证实。由由于于地地壳壳运运动动的的结结果果,岩岩层层会会产产生生各各种种变变态态,如如变变成成各各种种倾倾斜

5、斜状状的的、弯弯曲曲的的等等等等。在在这这种种情情况况下下,围围岩岩的的初初始始地地应应力力场场也也有所变化。有所变化。如如垂垂直直成成层层岩岩石石,由由于于各各层层的的物物理理力力学学性性质质不不同同,在在同同一一水水平平面面上上的的应应力力分分布布可可能能是是不不同同的的;又又如如背背斜斜情情况况,由由于于岩岩层层成成拱拱状状分分布布,使使上上覆覆岩岩层层重重量量向向两两翼翼传传递递,而而直直接接处处在在背背斜斜轴轴下下面面的的岩岩层层则则受受到到较较小小的的应应力力;在在被被断断层层分分割割的的楔楔形形岩岩块块情情况况中中,也也可可观观察察到到类类似似情情况况。下下窄窄上上宽宽的的楔楔形

6、形围围岩岩移移动动时时,受受到到两两倒倒岩岩块块的的夹夹制制，因因而而使使应应力力减减小小、反反之之,下下宽宽上上窄窄的的岩岩块块,则则受受到到附附加加荷载的作用。埋深较小时地表起伏较大情况影响也不能忽略。荷载的作用。埋深较小时地表起伏较大情况影响也不能忽略。2 2、构造应力、构造应力 地地质质力力学学认认为为：地地壳壳各各处处发发生生的的一一切切构构造造变变形形与与破破裂裂都都是是地地应应力力作作用用的的结结果果。因因而而地地质质力力学学就就把把构构造造体体系系和和构构造造形形式式在在形成过程中的应力状态称之为构造应力场形成过程中的应力状态称之为构造应力场,它是动态的。它是动态的。由由于于构

7、构造造应应力力场场的的不不确确定定性性,很很难难用用函函数数形形式式表表达达。它它在在整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。（1 1）地地质质构构造造形形态态不不仅仅改改变变了了重重力力应应力力场场,而而且且除除以以各各种种构构造造形形态态获获得得释释放放外外，还还以以各各种种形形式式积积蓄蓄在在围围岩岩内内,这这种种残残余余构造应力将对隧道工程产生重大影响。构造应力将对隧道工程产生重大影响。（2 2）构构造造应应力力场场在在不不深深的的地地方方已已普普遍遍存存在在,而而且且最最大大构构造造应应力力的的方方向向,多多近近似似

8、为为水水平平,其其值值常常常常大大于于重重力力应应力力场场中中的的水水平平应应力力分分量量,甚甚至至也也大大于于垂垂直直应应力力分分量量,这这与与重重力力应应力力场场有有很很大大不不同。同。陶恩隧道的初始地应力场陶恩隧道的初始地应力场 南非测定垂直应力与水平应力南非测定垂直应力与水平应力 比值随深度的变化比值随深度的变化 从我国现阶段积累起来的浅层从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于埋深小于500m)500m)实测资料实测资料看看,小于小于0.80.8者约占者约占27.5%27.5%。在。在0.80.81.251.25之间者约占之间者约占42.3%,42.3%,大大于于1.251.25者约占者

9、约占30.2%30.2%。（3）构构造造应应力力场场很很不不均均匀匀,它它的的参参数数无无论论在在空空间间上上、时时间间上都有很大变化上都有很大变化,特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。3、初始地应力场的评价、初始地应力场的评价 围围岩岩强强度度比比的的定定义义是是：围围岩岩内内部部的的最最大大地地应应力力值值与与围围岩岩强强度的比值。度的比值。围围岩岩强强度度比比：GnRb/max，式式中中max：围围岩岩内内最最大大地地应应力力值；值；Rb：围岩抗压强度值。：围岩抗压强度值。（1）地应力场性质的判定指标地应力场性质的判定指标 初初始始地地应应力力场场

10、究究竟竟属属于于一一般般地地应应力力场场，还还是是高高地地应应力力场场，可可以以用用围围岩岩强强度度比比加加以以初初步步判判定定。一一定定不不要要误误解解，初初始始地地应应力力大大，就就是是高高地地应应力力场场。因因为为，有有时时初初始始地地应应力力场场虽虽然然大大，其其围围岩强度比却不一定高。岩强度比却不一定高。围岩强度比围岩强度比Gn分级标准分级标准极高地应力极高地应力高地应力高地应力一般地应力一般地应力法国隧协法国隧协4我国工程围岩分级标准我国工程围岩分级标准7日本新奥法指南日本新奥法指南(1996年年)6 日本仲野分级日本仲野分级 4不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象不同地应力场

11、的围岩在开挖中出现的主要现象地应力场情况地应力场情况主要现象主要现象Rb/max极高地应力场极高地应力场硬质岩：硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差，基坑有剥离现围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差，基坑有剥离现象，成形性差。象，成形性差。软质岩：软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁围岩有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，中洞壁围岩有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离不易持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离不易成形。成形。442 24

12、 42200132.5中等地应力中等地应力20010130.661.0高地应力高地应力1050.660.330.52微弱的岩爆微弱的岩爆52.50.330.16510强烈岩爆强烈岩爆2.5GN2GN 2IS2GN1.52GN1.52GN1.5IL特特S1.5GN1.5GN1.5GN 表中说明，并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度比。只是在中硬表中说明，并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度比。只是在中硬岩，软岩和土砂围岩中考虑，也不是在所有的级别中考虑，只是在很低岩，软岩和土砂围岩中考虑，也不是在所有的级别中考虑，只是在很低的级别中考虑。的级别中考虑。我国初始地应力场的修正我国初始地应力场的修正围岩

13、基本分级围岩基本分级极高地应力场极高地应力场或或高地应力场高地应力场或或二、毛洞的围岩力学状态二、毛洞的围岩力学状态（一）、坑道开挖后的二次应力状态（一）、坑道开挖后的二次应力状态 假定：假定：（1 1）围岩为均质的、各向同性的连续介质；）围岩为均质的、各向同性的连续介质；（2 2）只考虑自重造成的初始地应力场；）只考虑自重造成的初始地应力场；（3 3）坑道形状是圆形的；）坑道形状是圆形的；（4 4）坑道位于一定深度）坑道位于一定深度,简化为无限体中的孔洞问题。简化为无限体中的孔洞问题。1 1、坑道开挖后的弹性二次应力状态、坑道开挖后的弹性二次应力状态 为为简简单单计计,设设初初始始地地应应力

14、力场场以以表表示示,即即x x/y y,则则在在围围岩岩中中开开挖挖半半径径为为a a的的圆圆形形坑坑道道后后,其其二二次次应应力力状状态态可可近近似似用用下下式表达。式表达。ry/2(12)(1)(14234)(1)cos2 t=y/2(1+2)(1)-(134)(1)cos2 rt=y/2(1-)(1+22-34)sin2 式中式中=a/r,当当r=a时，表示在坑道周边上。时，表示在坑道周边上。（1）坑道周边应力状态的规律：）坑道周边应力状态的规律：当当r=a时，上式变成：时，上式变成：r=0 t=y(1-2cos)+(1+2cos2)圆形坑道周边切向应力分布圆形坑道周边切向应力分布 认识

15、到以下几点对设计随极为重要：认识到以下几点对设计随极为重要：1）=0，即即只只有有初初始始垂垂直直应应力力时时，拱拱顶顶出出现现最最大大切切向向拉拉应应力，并分布在拱顶一定范围内。力，并分布在拱顶一定范围内。拱拱顶顶处处的的最最大大拉拉应应力力t等等于于t=y，相相当当于于初初始始垂垂直直应应力力值值。拱拱顶顶受受拉拉范范围围约约出出现现在在与与垂垂直直轴轴左左右右各各30的的范范围围内内，这这说说明拱顶范围可能产生掉块。明拱顶范围可能产生掉块。2）随着）随着的增加的增加,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。当当=1/3时时,拱拱顶顶切切向向拉拉应应力力等等于于

16、0。大大于于1/3后后,整整个个坑坑道道周周边边的的切切向向应应力力皆皆为为压压应应力力。这这说说明明,在在01/3之之间间时时,坑坑道道拱拱顶顶拱拱底底范范围围是是受受拉拉的的。由由于于岩岩石石的的抗抗拉拉强强度度较较弱弱,当当切切向向拉拉应应力力超超过过其其抗抗拉拉强强度度时时,拱拱顶顶可可能能发发生生局局部部掉掉块块和和落落石石,但但不不会会造造成整个坑道的破坏。成整个坑道的破坏。3）在在侧侧壁壁范范围围内内,值值变变化化在在01.0之之间间时时,周周边边切切向向应应力力总总是是压压应应力力,而而且且总总比比拱拱顶顶范范围围的的应应力力值值大大。这这说说明明,侧侧璧璧处处在在较较大大的的

17、应应力力状状态态下下。例例如如当当=0时时，侧侧璧璧中中点点（=90）的的最最大大压压力力等等于于3y。随随着着值值的的增增大大，侧侧壁壁中中点点的的压压应应力力逐逐渐渐减减小小，当当=1时时,其其值值变变成成t=2y。侧侧壁壁处处在在较较大大的的压压应应力力作作用用下下是是造造成成侧侧壁壁剪剪切切破破坏坏或或岩岩爆爆（分分离离破破坏坏）的的主主要要原原因因之之一一。而而且且,常常常常是整个坑道丧失稳定的主要原因是整个坑道丧失稳定的主要原因,应予以足够重视。应予以足够重视。4）当当=1（即即初初始始垂垂直直应应力力与与初初始始水水平平应应力力相相等等）时时,坑坑道道周周边边围围岩岩各各点点的的

18、应应力力皆皆相相同同。即即为为一一常常数数值值（t=2y）。这这种种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。5）通通常常围围岩岩的的侧侧压压力力系系数数变变动动在在0.20.5之之间间。在在这这个个范范围围内内,坑坑道道周周边边切切向向应应力力t都都是是压压应应力力。因因此此,要要十十分分注注意意切切向向应应力的变化力的变化,它是造成坑道破坏的主要原因之一。它是造成坑道破坏的主要原因之一。（2 2）围岩应力向深处变化的规律）围岩应力向深处变化的规律沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布沿圆形坑道水平、垂直轴上应力分布a)a)=0=0的情况的情况 b)b)=1=1的情况的情

19、况 1）侧壁中点（）侧壁中点（90）,在在=01.0时坑道周边的切向应力时坑道周边的切向应力都为正值（压应力）。最大值为都为正值（压应力）。最大值为t=3y(=0),最小值为最小值为2y(=l)。2）拱顶处（）拱顶处（=0）,在周边上的在周边上的t值由值由-y（=0）变到）变到2y（=1）。当）。当=1/3时时,t=0。随着。随着r的增加的增加,当当=0时时,t接近于接近于0，当当=1时时,接近接近y，即都逐渐接近于初始的应力状态。，即都逐渐接近于初始的应力状态。r 值在值在=0和和=1时时,变化大致相同变化大致相同,即由即由0逐渐增加到逐渐增加到y值。由此可见值。由此可见,坑道坑道开挖后的二

20、次应力分布范围是很有限的。视开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视值其范围大致在值其范围大致在（57）a左右。左右。愈大，范围愈大。在此之后愈大，范围愈大。在此之后,围岩仍处在初应围岩仍处在初应力状态。这说明力状态。这说明:坑道开挖对围岩的影响坑道开挖对围岩的影响(扰动扰动)是有限的。是有限的。3）在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为）在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a（=0）,而后转变为压应力而后转变为压应力.这也说明这也说明,坑道围岩内的拉应坑道围岩内的拉应力区域是有限的力区域是有限的,而且只在而且只在小于小于1/3时的情况下出现。前已指出时的情况下出现。前已指出,拉应力区

21、的存在对造成围岩的局部破坏（松弛、掉块、落石）拉应力区的存在对造成围岩的局部破坏（松弛、掉块、落石）是有影响的。尤其是在大跨度洞室的情况下。是有影响的。尤其是在大跨度洞室的情况下。(3)坑道位移状态坑道位移状态 在平面问题中，坑道周边的位移在平面问题中，坑道周边的位移ua可由下式决定可由下式决定 ua=1+/E.a.y 从上式可求出隧道周边各点的位移，当从上式可求出隧道周边各点的位移，当值不同时，围岩值不同时，围岩值及其分布状态也不同。值及其分布状态也不同。不同不同值条件下圆形坑道周边位移分布值条件下圆形坑道周边位移分布 在不同的在不同的值条件下值条件下,开挖后的断面收敛状态示。当开挖后的断面

22、收敛状态示。当=1时时,隧道断面是均匀缩小的隧道断面是均匀缩小的,随着随着值的减小值的减小,隧道上、下顶点继续向隧道上、下顶点继续向隧道内挤入隧道内挤入,水平直径处则减小水平直径处则减小,而变成扁平的断面形状。而变成扁平的断面形状。坑道位移状态说明，坑道开挖后围岩基本上是向隧道内移坑道位移状态说明，坑道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定的动的。只是在一定的值条件下（值条件下（0.25），在水平直径处围岩），在水平直径处围岩有向两侧扩张的趋势。而且在多数情况下有向两侧扩张的趋势。而且在多数情况下,拱顶位移拱顶位移(即拱顶下即拱顶下沉沉)均大于侧壁均大于侧壁(水平直径处水平直径处)位移。

23、位移。2 2、坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态、坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态 在深埋隧道或埋深较浅但围岩强度较低时，上述应力状态在深埋隧道或埋深较浅但围岩强度较低时，上述应力状态可能超过围岩的抗压强度。此时坑道或发生脆性破坏，如岩爆、可能超过围岩的抗压强度。此时坑道或发生脆性破坏，如岩爆、剥离等剥离等(坚硬、脆性、整体的围岩中坚硬、脆性、整体的围岩中)或在坑道附近围岩内形成或在坑道附近围岩内形成塑性应力区域塑性应力区域,发生塑性剪切滑移或塑性流动。发生塑性剪切滑移或塑性流动。塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这种性质而造成的。塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这种性质而造成的。塑性就是

24、指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质。此塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质。此时，应力即使不增加时，应力即使不增加,变形仍将继续。当围岩内应力超过围岩的变形仍将继续。当围岩内应力超过围岩的抗压强度后抗压强度后,围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向坑道内围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向坑道内滑移。塑性区的围岩因而变得松弛滑移。塑性区的围岩因而变得松弛,其物理力学性质其物理力学性质(c、E、等等)也发生变化。也发生变化。对设计有实际意义的是：塑性区内的应力应变状态和塑性对设计有实际意义的是：塑性区内的应力应变状态和塑性区范围的大小、形状。塑性区应力状态由下式确定区范围

25、的大小、形状。塑性区应力状态由下式确定:rpRb/(-1)(r/a)-1-1 tp=Rb/(-1)(r/a)-1-1 roa2/(+1)(y(-1)+Rb)/Rb1/-1 =(1+sin)/(1-sin)塑性区边界及应力状态塑性区边界及应力状态 式中指出式中指出,塑性区边界塑性区边界r r0 0与围岩的初应力状态（与围岩的初应力状态（y y）,围围岩本身的物理力学性质（岩本身的物理力学性质（E E）及坑道开挖尺寸（）及坑道开挖尺寸（a a）等有关。坑）等有关。坑道半径愈大道半径愈大,围岩愈差围岩愈差,初始应力愈大初始应力愈大,塑性区域也愈大。塑性区域也愈大。显然，当显然，当1 1时，塑性区的形

26、状也是一个圆形。当时，塑性区的形状也是一个圆形。当11时，时，塑性区的形状和范围有很大的变化。塑性区的形状和范围有很大的变化。已已知知c=2.5MPa、=30、h=15MPa、y=15MPa,当当分分别别为为0、0.2、0.5、0.75和和1.0时，得到的塑性区边界于下图。时，得到的塑性区边界于下图。不同不同值的圆形坑道围岩塑性区的形状和范围值的圆形坑道围岩塑性区的形状和范围 马蹄形坑道塑性区的形状和范围马蹄形坑道塑性区的形状和范围 埋深对塑性区形状的影响埋深对塑性区形状的影响 坑道形状对塑性区的影响坑道形状对塑性区的影响 不同形状坑道的应力集中系数不同形状坑道的应力集中系数 坑道开挖后如果不

27、加支护，坑道围岩将会经过应力集中坑道开挖后如果不加支护，坑道围岩将会经过应力集中形成塑住区形成塑住区向坑道内位移向坑道内位移塑性区进一步扩大塑性区进一步扩大坑道围岩松坑道围岩松弛、崩塌、破坏等几个过程。这个过程视围岩的性质、坑道尺弛、崩塌、破坏等几个过程。这个过程视围岩的性质、坑道尺寸和形状寸和形状,有长有短。也并不是所有坑道破坏都要经过上述几有长有短。也并不是所有坑道破坏都要经过上述几个阶段。例如在整体、坚硬的脆性岩体中可能形成自稳坑道。个阶段。例如在整体、坚硬的脆性岩体中可能形成自稳坑道。在松散岩体中在松散岩体中,坑道会迅速达到崩塌等。坑道会迅速达到崩塌等。（二）、毛洞的稳定性及其破坏（二

28、）、毛洞的稳定性及其破坏 无支护坑道岩体有三种丧失稳定的形式：无支护坑道岩体有三种丧失稳定的形式：(1)(1)局部崩塌：局部崩塌：主要是由地质构造上的原因造成的。由于主要是由地质构造上的原因造成的。由于围岩松弛的自重作用围岩松弛的自重作用,超过它们脱离围岩自身的阻力而在顶部超过它们脱离围岩自身的阻力而在顶部,较少的在侧壁造成局部崩塌。较少的在侧壁造成局部崩塌。(2)(2)拱形崩塌：拱形崩塌：由于自重应力场开挖后形成的二次应力场由于自重应力场开挖后形成的二次应力场即应力集中造成围岩破坏而形成的崩塌。在这种情况下即应力集中造成围岩破坏而形成的崩塌。在这种情况下,围岩围岩破坏一般从坑道侧壁开始破坏一

29、般从坑道侧壁开始,同时围岩的破坏和位移也可能发生同时围岩的破坏和位移也可能发生在顶部和底部。属于强度破坏之例。在顶部和底部。属于强度破坏之例。(3)(3)变形持续增大：变形持续增大：在塑性性质显著的围岩中在塑性性质显著的围岩中,稳定的丧失稳定的丧失是由于塑性变形产生过度的位移是由于塑性变形产生过度的位移,但无明显的破坏迹象。破坏但无明显的破坏迹象。破坏通常是从底部开始的，而逐步影响到侧部和顶部。主要在软岩通常是从底部开始的，而逐步影响到侧部和顶部。主要在软岩及膨胀性或挤入性围岩中发生。及膨胀性或挤入性围岩中发生。坚硬完整的岩体坚硬完整的岩体,应力分布与理想的弹性连续介质极为接应力分布与理想的弹

30、性连续介质极为接近近,应力超过岩石强度就认为不稳定。如果岩石具有塑性性质应力超过岩石强度就认为不稳定。如果岩石具有塑性性质,则其稳定性分析基础就应是弹塑性模式的应力则其稳定性分析基础就应是弹塑性模式的应力应变状态。应变状态。对脆性岩体：对脆性岩体：目前主要是用统计方法研究坑道周边岩体局目前主要是用统计方法研究坑道周边岩体局部破坏并形成崩塌的过程。把崩塌的计算参数与标准值相比较部破坏并形成崩塌的过程。把崩塌的计算参数与标准值相比较,得出无支护坑道正常使用的可能性。参数有：崩塌尺寸和出现得出无支护坑道正常使用的可能性。参数有：崩塌尺寸和出现大尺寸崩塌的概率大尺寸崩塌的概率,有些研究指出有些研究指出

31、,在这种情况下，可用下式判在这种情况下，可用下式判断无支护坑道的强度。断无支护坑道的强度。PN(S容许容许)0 P容许容许 式中：式中：S S容许容许现行规范允许的无支护坑道崩塌尺寸现行规范允许的无支护坑道崩塌尺寸;N N（S S容许容许）坑道周边上尺寸）坑道周边上尺寸SSSS容许容许的崩塌数量的崩塌数量;P PN(SN(S容许容许)0)0在坑道周边出现在坑道周边出现SSSS容许容许崩塌的概率崩塌的概率;P P容许容许规范允许出现这种崩塌的概率。规范允许出现这种崩塌的概率。前苏联前苏联S容许容许及及P容许容许的建议值的建议值坑道用途坑道用途S容许容许P容许容许人员通行的人员通行的运输及安放设备

32、的运输及安放设备的水工隧洞水工隧洞通风坑道通风坑道地下洞库地下洞库0.0010.0010.010.010.10.11.00.10.010.050.1 0.10.1 在脆性围岩中，围岩强度条件产生的正常使用的破坏，在脆性围岩中，围岩强度条件产生的正常使用的破坏，比周边位移达到的极限值要来得早一些。因此在脆性岩石中比周边位移达到的极限值要来得早一些。因此在脆性岩石中通常都是以强度条件为破坏标准的。目前通常都是以强度条件为破坏标准的。目前,一般认为在脆性岩一般认为在脆性岩体中坑道稳定性多数是以侧壁开始出现破坏体中坑道稳定性多数是以侧壁开始出现破坏(压裂、剪切破坏压裂、剪切破坏)作为标准的。其值可由沿

33、坑道周边出现的最大切向应力和岩作为标准的。其值可由沿坑道周边出现的最大切向应力和岩体强度的比值来决定：体强度的比值来决定：KHRb 或或 H/RbS对塑性岩石：对塑性岩石：岩石的塑性可以用沿最大主应力方向的残余岩石的塑性可以用沿最大主应力方向的残余变形的极限值或总变形的极值（图）来表示变形的极限值或总变形的极值（图）来表示.弹塑性围岩的应力弹塑性围岩的应力应变曲线图应变曲线图具有塑性性质的围岩稳定性的标准可由下式确定：具有塑性性质的围岩稳定性的标准可由下式确定：KHRbKy总结以上，在定性评价时，可根据压力显现形式、围岩总结以上，在定性评价时，可根据压力显现形式、围岩总结以上，在定性评价时，可

34、根据压力显现形式、围岩总结以上，在定性评价时，可根据压力显现形式、围岩性质等参考表对坑道的破坏形态以及围岩的力学动态加以初性质等参考表对坑道的破坏形态以及围岩的力学动态加以初性质等参考表对坑道的破坏形态以及围岩的力学动态加以初性质等参考表对坑道的破坏形态以及围岩的力学动态加以初步判定。步判定。步判定。步判定。坑道稳定性的定性评价表坑道稳定性的定性评价表坑道稳定性的定性评价表坑道稳定性的定性评价表坑道破坏形态坑道破坏形态压力显现形式压力显现形式围岩性态围岩性态产生破坏的基产生破坏的基本原因本原因围岩的力学动围岩的力学动态态局部崩塌局部崩塌局部掉块或无局部掉块或无压力显现压力显现硬岩、完整、硬岩、

35、完整、脆性的脆性的地质构造、节地质构造、节理、层理面发理、层理面发育育弹性的、或刚弹性的、或刚体平衡体平衡拱形崩塌拱形崩塌松弛压力为主松弛压力为主硬岩、中硬岩硬岩、中硬岩有裂隙及裂隙有裂隙及裂隙发育的围岩等发育的围岩等强度破坏强度破坏弹性的、弹塑弹性的、弹塑性的性的变形的持续增变形的持续增大大塑性的、膨胀塑性的、膨胀性的、挤压性性的、挤压性的压力为主的压力为主软岩、粘性土、软岩、粘性土、膨胀岩、挤入膨胀岩、挤入性岩等性岩等变形过大，持变形过大，持续发展续发展弹塑性的、粘弹塑性的、粘弹性的等弹性的等 此外，目前在评价坑道稳定性时有时采用掌子面的自稳时此外，目前在评价坑道稳定性时有时采用掌子面的自

36、稳时此外，目前在评价坑道稳定性时有时采用掌子面的自稳时此外，目前在评价坑道稳定性时有时采用掌子面的自稳时间作为一个判定指标。根据铁路隧道的实践，提出的坑道自稳间作为一个判定指标。根据铁路隧道的实践，提出的坑道自稳间作为一个判定指标。根据铁路隧道的实践，提出的坑道自稳间作为一个判定指标。根据铁路隧道的实践，提出的坑道自稳时间的大致基准，可作为参考。时间的大致基准，可作为参考。时间的大致基准，可作为参考。时间的大致基准，可作为参考。坑道自稳时间实例坑道自稳时间实例坑道自稳时间实例坑道自稳时间实例项目项目无支护地段长度（无支护地段长度（m m）15158 85 52.52.51 1平均自稳时间平均自

37、稳时间1010年年6 6个月个月7d7d10h10h30min30min围岩的粘结力（围岩的粘结力（MPaMPa）0.40.40.30.30.40.40.20.20.30.30.10.10.20.20.10.1围岩的内摩擦角围岩的内摩擦角45453535454525253535151525251515有效宽度指无支护地段的长度（有效宽度指无支护地段的长度（有效宽度指无支护地段的长度（有效宽度指无支护地段的长度（m m m m），虚线标志的范围是），虚线标志的范围是），虚线标志的范围是），虚线标志的范围是适用限界。图中适用限界。图中适用限界。图中适用限界。图中代表围岩分级的级别及应采用的代表围岩

38、分级的级别及应采用的代表围岩分级的级别及应采用的代表围岩分级的级别及应采用的 支护支护支护支护结构类型。此分级在欧洲一些国家应用较多。结构类型。此分级在欧洲一些国家应用较多。结构类型。此分级在欧洲一些国家应用较多。结构类型。此分级在欧洲一些国家应用较多。三、支护后围岩的应力状态三、支护后围岩的应力状态 坑坑道道围围岩岩的的三三次次应应力力状状态态也也就就是是支支护护参参与与工工作作后后的的围围岩岩应应力状态。它对支护结构设计具有直接而重要的影响。力状态。它对支护结构设计具有直接而重要的影响。坑坑道道开开挖挖后后的的应应力力状状态态，前前已已指指出出有有两两种种情情况况：一一种种是是开开挖挖后后

39、的的二二次次应应力力状状态态仍仍然然是是弹弹性性的的,在在这这种种情情况况下下，原原则则上上坑坑道道是是自自稳稳的的，是是无无需需支支护护的的，即即使使支支护护也也是是防防护护性性的的。一一种种是是开开挖挖后后坑坑道道围围岩岩产产生生塑塑性性区区，此此时时坑坑道道都都要要采采取取相相应应的的支支护护结结构，来提高围岩的自支护能力。构，来提高围岩的自支护能力。（一）、支护阻力对坑道周边应力分布的影响（一）、支护阻力对坑道周边应力分布的影响（一）、支护阻力对坑道周边应力分布的影响（一）、支护阻力对坑道周边应力分布的影响 坑道施加初期支护后，在理论上可以把它抽象为相当于在坑道施加初期支护后，在理论上

40、可以把它抽象为相当于在坑道施加初期支护后，在理论上可以把它抽象为相当于在坑道施加初期支护后，在理论上可以把它抽象为相当于在坑道周边上施加一阻止坑道围岩变形的阻力，在这个支护阻力坑道周边上施加一阻止坑道围岩变形的阻力，在这个支护阻力坑道周边上施加一阻止坑道围岩变形的阻力，在这个支护阻力坑道周边上施加一阻止坑道围岩变形的阻力，在这个支护阻力的作用下，改变了围岩开挖后的二次应力状态。支护阻力的大的作用下，改变了围岩开挖后的二次应力状态。支护阻力的大的作用下，改变了围岩开挖后的二次应力状态。支护阻力的大的作用下，改变了围岩开挖后的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有很大的影响。为了便于

41、分析假定：小和方向对围岩的应力状态有很大的影响。为了便于分析假定：小和方向对围岩的应力状态有很大的影响。为了便于分析假定：小和方向对围岩的应力状态有很大的影响。为了便于分析假定：1 1、不管何种支护结构，其作用都抽象为支护阻力、不管何种支护结构，其作用都抽象为支护阻力、不管何种支护结构，其作用都抽象为支护阻力、不管何种支护结构，其作用都抽象为支护阻力P P；2 2、其作用方向假定为径向的，实际上还有切向的；、其作用方向假定为径向的，实际上还有切向的；、其作用方向假定为径向的，实际上还有切向的；、其作用方向假定为径向的，实际上还有切向的；3 3、支护阻力沿坑道周边均匀分布的，并作用在全周边上；、

42、支护阻力沿坑道周边均匀分布的，并作用在全周边上；、支护阻力沿坑道周边均匀分布的，并作用在全周边上；、支护阻力沿坑道周边均匀分布的，并作用在全周边上；4 4、支护的作用上在坑道开挖后立即发挥的。、支护的作用上在坑道开挖后立即发挥的。、支护的作用上在坑道开挖后立即发挥的。、支护的作用上在坑道开挖后立即发挥的。(1)(1)在弹性应力状态下在弹性应力状态下在弹性应力状态下在弹性应力状态下,当坑道周边有径向阻力当坑道周边有径向阻力当坑道周边有径向阻力当坑道周边有径向阻力p pa a时时时时,周边应力周边应力周边应力周边应力 r r和和和和 t t 的表达式是由两部分组成的，即的表达式是由两部分组成的，即

43、的表达式是由两部分组成的，即的表达式是由两部分组成的，即：r r y y(1-(1-2 2)+p)+pa a t t y y(1+(1+2 2)-p)-pa a 式中式中式中式中 a/ra/r。前一项是初始地应力场造成的。前一项是初始地应力场造成的。前一项是初始地应力场造成的。前一项是初始地应力场造成的,后一项是支护阻力后一项是支护阻力后一项是支护阻力后一项是支护阻力papa形成的。形成的。形成的。形成的。下面分两种情况来谈下面分两种情况来谈下面分两种情况来谈下面分两种情况来谈:当当当当=1=1=1=1，即，即，即，即r=ar=ar=ar=a时时时时 r r r rp p p pa a a a

44、 t t t t2222y y y y-p-p-p-pa a a a 由此可见支护阻力的存在，使周边的径向应力增大由此可见支护阻力的存在，使周边的径向应力增大由此可见支护阻力的存在，使周边的径向应力增大由此可见支护阻力的存在，使周边的径向应力增大,而使而使而使而使切向应力减小。实质上是使直接靠近坑道周边的岩体的应力状切向应力减小。实质上是使直接靠近坑道周边的岩体的应力状切向应力减小。实质上是使直接靠近坑道周边的岩体的应力状切向应力减小。实质上是使直接靠近坑道周边的岩体的应力状态从一维（或二维）受力状态变成二维（或三维）受力状态，态从一维（或二维）受力状态变成二维（或三维）受力状态，态从一维（或

45、二维）受力状态变成二维（或三维）受力状态，态从一维（或二维）受力状态变成二维（或三维）受力状态，因而提高了围岩的承载能力。实质上就是提高了围岩的自支护因而提高了围岩的承载能力。实质上就是提高了围岩的自支护因而提高了围岩的承载能力。实质上就是提高了围岩的自支护因而提高了围岩的承载能力。实质上就是提高了围岩的自支护能力。能力。能力。能力。(2)(2)(2)(2)在塑性应力状态下，在塑性应力状态下，在塑性应力状态下，在塑性应力状态下，当坑道周边有径向支护阻力当坑道周边有径向支护阻力当坑道周边有径向支护阻力当坑道周边有径向支护阻力p p p pa a a a时，时，时，时，其应力值和塑性区范围也有所变

46、化。如塑性区范围其应力值和塑性区范围也有所变化。如塑性区范围其应力值和塑性区范围也有所变化。如塑性区范围其应力值和塑性区范围也有所变化。如塑性区范围r r r ro o o o可由下式可由下式可由下式可由下式决定：决定：决定：决定：r r r ro o o o=a2/(+1)(=a2/(+1)(=a2/(+1)(=a2/(+1)(y y y y(-1)+R(-1)+R(-1)+R(-1)+Rb b b b)/(p)/(p)/(p)/(pa a a a(-1)+R(-1)+R(-1)+R(-1)+Rb b b b)1/-11/-11/-11/-1 式中：式中：式中：式中：(1+sin)/(1-s

47、in)(1+sin)/(1-sin)(1+sin)/(1-sin)(1+sin)/(1-sin)周边作用有支护力时坑道的塑性区周边作用有支护力时坑道的塑性区上式表达了在其条件（上式表达了在其条件（上式表达了在其条件（上式表达了在其条件（R R R Rb b b b 、a a a a）已知时，径向支护）已知时，径向支护）已知时，径向支护）已知时，径向支护阻力阻力阻力阻力p p p pa a a a与塑性区与塑性区与塑性区与塑性区r r r ro o o o之间的关系。该式说明之间的关系。该式说明之间的关系。该式说明之间的关系。该式说明,随着随着随着随着p p p pa a a a的增加的增加的增

48、加的增加,塑性塑性塑性塑性区区区区r r r ro o o o相应减小。这说明径向支护阻力相应减小。这说明径向支护阻力相应减小。这说明径向支护阻力相应减小。这说明径向支护阻力p p p pa a a a的存在对形成塑性区的的存在对形成塑性区的的存在对形成塑性区的的存在对形成塑性区的范围有直接的影响。它限制了塑性区域的发展，这是支护阻范围有直接的影响。它限制了塑性区域的发展，这是支护阻范围有直接的影响。它限制了塑性区域的发展，这是支护阻范围有直接的影响。它限制了塑性区域的发展，这是支护阻力的一个很重要的支护作用力的一个很重要的支护作用力的一个很重要的支护作用力的一个很重要的支护作用.例如，若坑道

49、开挖后例如，若坑道开挖后例如，若坑道开挖后例如，若坑道开挖后,不修筑衬不修筑衬不修筑衬不修筑衬砌，即径向支护阻力砌，即径向支护阻力砌，即径向支护阻力砌，即径向支护阻力p p p pa a a a=0=0=0=0时时时时,形成最大塑性区。形成最大塑性区。形成最大塑性区。形成最大塑性区。实例实例实例实例:设设设设R R R Rb b b b12Mp12Mp12Mp12Mpa a a a、=30.9=30.9=30.9=30.9、y y y y=31.2Mp=31.2Mp=31.2Mp=31.2Mpa a a a、a=2.0ma=2.0ma=2.0ma=2.0m。当。当。当。当p p p pa a

50、a a分别为分别为分别为分别为0 0 0 0、2 2 2 2、5 5 5 5、8 8 8 8、10.1MP10.1MP10.1MP10.1MPa a a a时，其塑性区的范时，其塑性区的范时，其塑性区的范时，其塑性区的范围列于表。围列于表。围列于表。围列于表。pa（MPa）025810.1ro（m）3.042.662.322.172.0=a/r0.660.750.860.951.0塑性区计算结果塑性区计算结果（二）、支护阻力对坑道周边位移状态的影响（二）、支护阻力对坑道周边位移状态的影响（二）、支护阻力对坑道周边位移状态的影响（二）、支护阻力对坑道周边位移状态的影响 坑道应力重分布的结果坑道应