《隧道变形动态及其控制技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道变形动态及其控制技术（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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，而处于长期稳定的状态。如一些天然洞穴的存在，人工修
2、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
3、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
4、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
5、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，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
6、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
7、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：静水压荷载下的圆形隧道pxpy10kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3例2：承受2方向不同荷载的半圆形隧道px（1/2）py5kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3图3及4分别表示隧道壁面（r=a）及周边（r1.5a、2a、3a）的位移的计算结果（隧道宽度取D2a）。图3 圆形隧道的周边位移状态（拱顶下沉）图4 半圆形
8、隧道的周边位移状态（拱顶下沉）从图3、4可知，从掌子面前方到掌子面后方范围的拱顶下沉分布规律，大致如下。1）隧道开挖后在掌子面前方一定范围内（2a5a）产生了下沉，我们称之为“先行位移”；2）在掌子面处，产生一定量的“初始位移”，此值与地质条件关系密切，约为最终位移值的2030左右，这个位移是开挖后瞬间发生的；3）在掌子面后方，随掌子面的推进，产生不断增大的位移，其特点是初期的位移速度很大，而后增长的速度逐渐减缓，并趋于稳定。这是处于一般围岩中的隧道变形的基本规律。图5是一个随着掌子面推进的围岩位移测定例。在隧道拱顶上方2m的位置设一个长50m的水平铝管，根据测定的弯曲应变计算位移。图5 龟浦
9、隧道掌子面位移测定例量测位移的分布规律与计算结果基本趋势是一致的。总之，从计算和量测中我们可以得到一个重要认识，隧道开挖后的围岩变形状态可用图6的三维图表示。图6 隧道开挖时的变形三维示意图由上述各图可知，隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行位移、掌子面位移及掌子面后方的位移三种。这三种位移是同时发生的。在复杂地形、地质条件下，支护的主要目的就是要抑制这些位移的发展。也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。三、影响隧道变形的基本因素影响隧道变形的基本因素有两大类。即：客观因素和外部因素。1、客观因素（内在因素）从前面的计算例中可以看出，影响开挖后变形的两个客观因素就是初始地应力场和围岩的力学
10、特性、构造特性。1）初始地应力场对初始地应力场的认识可以归纳如下。隧道初始地应力场是由重力应力场和构造应力场构成。以目前的认识和技术水平看，初始地应力场，多数认为按弹性的、重力的、静态的应力场考虑，而不考虑其构造应力的影响是合适的。决定初始地应力场的关键是设定合理的侧压力系数。因为地应力场的垂直应力分量，基本上都按上覆埋深的重量考虑。而水平侧压力的大小则主要决定于侧压力系数。实际上由于地壳运动的结果形成了各种形态的地质构造,如层状、块状、断层、褶皱等，在这种情况下,围岩的初始地应力场也有所变化。如：以垂直成层为例,由于各层的物理力学性质不同,在同一水平面上的应力分布可能是不同的；在背斜情况下,
11、由于岩层成拱状分布,使上覆岩层重量向两翼传递,而直接处在背斜轴下面的岩层则受到较小的应力。在被断层分割的楔形岩块情况中,也可观察到类似情况。下窄上宽的楔形围岩移动时,受到两侧岩块的夹制，因而使应力减小、反之,下宽上窄的岩块,则受到附加荷载的作用。大量的实测资料表明,地质构造形态改变了重力应力场的初始状态,这在实际工作中有时是不容忽视的。构造运动的结果也会使地形发生变化，如图7所示,这种地形的变化,当然对初始地应力场有很大影响,该图表示考虑地形影响后,初始地应力场主应力大小及其方向的变化。在埋深较小的情况下,这种影响是不容忽视的。图7 地形对自重应力场的影响由于构造应力场的不确定性,很难用函数形
12、式表达。它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。已发表的一些成果表明：（1）地质构造形态不仅改变了重力应力场,而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在围岩内,这种残余构造应力将对地下工程产生重大影响。（2）构造应力场在不深的地方已普遍存在,而且最大构造应力的方向,多近似为水平,其值常常大于重力应力场中的水平应力分量,甚至也大于垂直应力分量，这与重力应力场有很大不同。位于片岩中的陶恩隧道实地量测的初始地应力场（图8）就是一个例证。 图8 隧道的初始地应力场图8表明,埋深较小时,水平应力和垂直应力的比值很大。随着埋深的增加,趋于减小。从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于
13、500m)实测资料看,小于0.8者约占27.5%。在0.81.25之间者约占42.3%,大于1.25者约占30.2%。这说明，在一定埋深的条件下，初始地应力场的水平应力大于1的情况，占主导地位。(3)构造应力场很不均匀,它的参数无论在空间上、时间上都有很大变化,特别是它的主应力轴的方向和绝对值变化很大。（4）用分析方法求解初始地应力场,由于明显的原因(构造的、力学形态的、量测技术上的等）,常常会导致极大的偏差。因此,在理论分析中, 常把初始地应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中,多采取实地量测的方法来判断主应力的大小及其方向的变化规律。2）地质体的力学特性（强度、变形及构造特性等）地质
14、体的力学特性包括强度特性、变形特性，同时也必须认识和掌握地质体的构造特性。隧道工程实践充分表明，围岩的构造特性远比力学特性的影响更为重要。因此，对围岩不仅要从力学特性上进行分级，也要在构造特性上进行分类，两者缺一不可。目前从地质模式上，通常把围岩按其构造分为整体状围岩、块状围岩、层状围岩、碎裂状围岩及土质围岩五大类。由于这五类围岩的构造特点，其变形也有所不同。从理论上说，凡是可以用连续介质表述的围岩，如整体状围岩、土质围岩、碎裂状围岩，其开挖后的变形规律都可以用上述的基本规律表达。而在层状围岩及块状围岩，其变形动态和规律则略有不同。从强度角度出发，多按岩石的单轴抗压强度进行分级，分为硬岩、中硬
15、岩、软岩及极软岩几类。但应认识到，岩石强度与围岩强度有着本质上的差异，我们需要了解的是围岩强度。这可以通过对岩石强度的折减予以确定。3）围岩强度应力比评价地质环境的重要指标隧道设计中如何评价隧道所处地质环境的影响，它对结构设计究竟具有什么影响是一个现实而不可回避的问题。为了解决这个问题目前采用的方法是用上述两个因素的比值，即：“围岩强度应力比”这个概念来评价的。围岩强度应力比Gn的定义是：围岩内部的最大地应力值（max）与围岩强度（RB）的比值。即：GnRb /max (1)式中max ：围岩内最大地应力值Rb：围岩的抗压强度值也可以用其倒数表述。构造应力会改变自重应力的初始状态，围岩中的最大地应力max可能不是垂直方向的，而是水平方向的。应根据实际量测的数据而定。在没有量测数据的条件下，可采用垂直应力为最大地应力值或采用经验公式的计算值。围岩强度通常采用围岩的抗压强度的实测值，对岩质围岩来说，可采用岩石的抗压强度，对土质围岩则应根据实测的c、值通过计算决定。目前，确定围岩强度的最有效的方法是通过对
