（岩土工程专业论文）公路隧道开挖过程的数值模拟分析及研究.pdf

摘要 本文在论述当前隧道结构稳定性研究现状的基础上，从隧道围岩压力入手，介绍了 围岩的初始应力状态以及围岩松动压力的确定方法；通过对支护结构与围岩相互作用的 力学分析，建立了围岩与支护结构平衡状态。阐述了隧道结构数值计算方法及有限元数 值分析过程，分析了a n s y s 在模拟隧道开挖过程中的应用和实现。结合安徽六潜高速 公路磨子潭i i i 号隧道，应用有限元软件a n s y s 建立了隧道计算模型，采用弹塑性方法 及m o h r - c o u l o m b 屈服准则，对该隧道z k 5 8 + 2 1 0 断面分步开挖和支护进行模拟，得到 了各个开挖阶段的位移、应力图、支护结构内力图以及开挖前和开挖后隧道围岩与支护 结构的位移、应力变化规律。 工程实例数值分析表明，计算结果与实测结果相近，表明了本文选用的方法和模型 的合理性，平面应变和梁单元组成的组合结构模型及各种参数可以较好的反映隧道开挖 和支护的受力和变形性能。同时，提出了磨子潭隧道的施工技术方案和施工中的注意事 项，也为整个隧道的安全、顺利施工提供了理论依据，也可作为类似隧道设计施工的参 考依据。 关键词：隧道开挖、a n s y s 、有限元法、数值模拟、支护 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nd i s c u s s i o no ft h er e s e a r c hp r e s e n ts t a t u st h a tt h et u n n e ls t r u c t u r e s t a b i l i z a t i o n ，o b t a i n e df r o mt h et u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o np r e s s u r ei n t r o d u c e dt h ea d j a c e n t f o r m a t i o ni n i t i a ls t r e s sc o n d i t i o na sw e l la st h ea d j a c e n tf o r m a t i o nl o o s ep r e s s u r ed e f i n i t e m e t h o d t h r o u g hm e c h a n i c sa n a l y s i sw h i c hm u t u a l l ya f f e c t st os u p p o r ts t r u c t u r et h es t r u c t u r e a n dt h ea d j a c e n tf o r m a t i o n ，h a se s t a b l i s h e dt h ea d j a c e n tf o r m a t i o na n ds u p p o r ts t r u c t u r et h e s t r u c t u r es t a t eo fe q u i l i b r i u m t h e n ，r e p r e s e n t i n gt h et u n n e ls t r u c t u r en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d sa n dt h ea n a l y z i n gc o u r s eo ft h ef i n i t ee l e m e n t ，a n da n a l y z i n ga n s y s a p p l i c a t i o na t t h ei m i t a t i o no ft h et u n n e lc o n s t r u c t i o n b a s e do nm oz it a n - n o i i it u n n e le n g i n e e r i n go ft h e l i uq i a nh i g h w a yi na nh u ip r o v i n c e ，e s t a b l i s h i n gt h et u n n e lc a l c u l a t i o nm o d e lb ya n s y s ， u s i n gt h ee l a s t i c - p l a s t i cm e t h o da n dy i e l dc r i t e r i o no fm o h r - c o u l o m bt os i m u l a t et h ec u t t i n g a n ds u p p o r t i n go nc r o s s s e c t i o nz k 5 8 + 2 1 0o ft h i st u n n e l ，o b t a i n e dm o t i o ns t r e s sg r a p ho f e a c hc u t t i n gs t e pa n dt h ec h a n g i n gr e g u l a ro fm o t i o ns t r e s sa b o u tt h ec u t t i n gf o r ea n da f t e r t h er e s u l t sf o rap r a c t i c a lp r o j e c ts h o w e dt h ev a l i d i t yo ft h em o d e la n dt h en u m e r i c a l m e t h o d ，t h ec o m b i n a t i o nc o n s t r u c t i o nm o d e lc o m p o s e db yp l a ns t r e s sa n db e a m c o n c o m i t a n c ew i t ht h o s ep a r a m e t e rc h o o s eb ya u t h o rc a nw o r k e do nt h es t r e s sa n dd i s t o r t i o n d u r i n gt h et u n n e le x c a v a t i o na n dl i n i n gw e l l a tt h es a m et i m e ，e x t r a c t i n gt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c a lv e r s i o na n dt h ea t t e n t i o nt h i n g sa b o u tm oz it a nt u n n e la n d s u p p l y i n gt h ec r e d i b i l i t yt h e o r ya c c o r d i o no ft h es a f et u n n e lc o n s t r u c t i o n ，a n dw i l ld i r e c tt h e l i k e n e s st u n n e lc o n s t r u c t i o nw i l lh a v eg o o dr e f e r e n c e s k e y w o r d s ：t u n n e le x c a v a t i o n ：a n s y s ：f i n i t ee l e m e n t ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s u p p o r t n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 年月日 年月日吧 灭 名 孔 捌 名 者 签 作 节 划 师 淦 导 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 “1 9 世纪是桥梁的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，而2 1 世纪则是人类开发和利用 地下空间的世纪”【1 1 。隧道和地下洞室是人类开发和利用地下空间的一条途径。随着工 程技术水平的不断提高，资源开发、水利、交通和地下核工业试验等与地下工程密切相 关事业的飞跃发展，地下工程的空间在日益拓展、数量在日益增多，规模也越来越大， 部分世纪性的大型或特大型地下工程相继建设【2 1 。 随着我国经济的快速增长，以及考虑区域经济均衡发展，国家对公路建设投资增加 的同时，高等级公路逐步从平原微丘区向山岭重丘区延伸，高速公路建设事业蓬勃发展。 在山岭重丘区，隧道形式的选择不仅受地形、地质条件的约束，同时受路线平、纵、横 指标以及三方面组合设计的制约。在地形、地质条件允许的情况下，一般高速公路和一 级公路通常设计为上下行分离的两座独立隧道，两隧道间最小间距应以不受相互施工影 响为原则，并依据围岩类别、断面尺寸、施工方法等因素确定。 本文从研究隧道的围岩稳定性及支护结构设计出发，结合位于安徽省霍山县山区六 潜高速公路磨子潭i i i 号隧道的工程背景，采用了有限元数值分析方法，动态模拟隧道 开挖全过程中围岩和支护结构的应力应变规律，从理论高度解释和认识了隧道的变形特 征和工程特点。对于进一步研究隧道内在力学机理，丰富和完善其设计理论起到积极作 用。 1 2 隧道围岩及支护结构稳定性分析的研究背景 2 0 世纪初，h a i m 和r a n k i n e 等人为代表的古典压力理论认为，作用在支护结构上 的压力是其上覆岩层的重量。但是随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多 方面都有不符合实际的地方，于是坍落拱理论应运而生，其代表人物有t e r z a g h i 等人， 坍落拱理论认为：坍落拱的高度与地下工程的跨度和围岩性质有关。 2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决隧道支护问题，其中最著名的 是f e n n c r 公式和k a s t e r 公式。 进入2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师l vr a b c e w i c z 在总结前人经验的基础上提出 了一种新的隧道设计施工的方法，称为新奥地利隧道施工方法( n e wa u s t r i a n 第一章绪论 u n n e l i n g m e t h o d ) ，简称新奥法( n a t m ) ，新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工 方法之一。1 9 7 8 年，l m u l l e r 教授比较全面地论述了新奥法方法的基本指导思想和主要 原则，并将其概括为2 2 条。同时，日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制 理论。该理论认为，隧道围岩的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结 构的增加而增大。因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范 围之内。支护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系 数后确定的。 2 0 世纪7 0 年代，m d s a l a m o n 等人又提出了能量支护理论，该理论认为，支护结 果与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一 部分能量，但总的能量没有变化。因而主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩 释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。 于学馥教授等人提出了“轴变论理论，认为隧道坍落可以自行稳定，可以用弹性 理论进行分析，围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变隧道轴比，导 致应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布 发展，直到稳定为止。应力均匀分布的轴比是隧道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。近 年来他们运用系统论、热力学等理论提出开挖系统控制理论，该理论认为：开挖扰动破 坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。 孙钧等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论的发展，其理论的要点主要为： 对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即采用高标号、高强度 钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决顶住和限制围岩向中 空位移。 松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的 裸体隧道，其围岩松动圈都近乎于零，此时围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支 护，松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大，因此支护的目的在于防止围岩松动 圈发展过程中的有害变形。 主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出的，认为隧道开挖后，在围岩中形成拉压 域，压缩域在围岩的深部，体现了围岩的自承能力，是维护隧道稳定的主承载区，张拉 区位于隧道的周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起 辅助作用，故称为次承载区。主次承载区的协调作用决定了隧道的最终稳定。支护对象 为张拉域，支护结构和支护参数要根据主次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来决 2 长安大学硕士学位论文 定，支护强度原则上要一步到位。 应力控制理论，也称为围岩弱化法、卸压法，该方法起源于前苏联，其基本原理是 通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分 布，人为降低支承压力区围岩的承载能力，使支承压力向围岩内部转移，以此来提高围 岩稳定。 由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法而提出的软岩工程 力学支护理论，通过分析围岩变形力学机制，提出的以转化复合型变形力学机制为核心 的一种新的软岩隧道支护理论。它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续 性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护承载的确定等内容【3 1 。 隧道支护结构稳定性分析方法，目前主要以下三种方法【4 1 。 ( 1 ) 理论分析法 从已有的结论出发，经过复杂的理论推导、证明，得出新的结论。如边界元法、d d a 方法、离散元法块体单元法、块体弹簧分析方法等。鉴于地下工程应力场的复杂性， 这些方法使用十分有限，即便是得出结论，也由于结论中含有许多未知参数不能确定而 不具有实用价值。 ( 2 ) 模型试验法 模型试验如果按尺寸比例来分可以分为足尺模型和缩尺模型两种情况。足尺模型试 验或现场原位试验，采用1 ：1 比例，这种方法最能体现原型的实际情况，结果也是真 实可靠的。但是由于采用的模型与原型几何尺寸、材料等一样，对于较大的土工构筑物 来讲，就显得十分不经济，耗费大量的人力、物力、财力，有时得不偿失，这种方法仅 应用于较少的工程实践中；缩尺模型特别是小比例尺模型目前是人们常常采用的一种方 法。即将原型的几何尺寸按照一定比例( 通常1 5 0 1 2 0 0 ) 缩小后进行研究。小比尺模 型又可分为小比尺常规模型和小比例尺离心模型，小比例尺常规模型由于不能补偿几何 尺寸的缩小带来的自重损失；离心模型试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，让 模型承受重力加速度n 倍的离心加速度作用( n 为模型率) ，增加模型的容重，补偿因模 型缩尺带来的土工构筑物自重的损失。它比常规静力( 重力加速度= 1 9 ) 条件下的模型 试验更接近于实际 但是由于岩体的不连续性与非均质性引起的岩石试样明显的“尺寸效应 ，使得在 实验室对岩块试样的大量研究成果大都不能直接应用于工程实际，室内试验所得参数 ( 如e 、r ) 往往要减少一到几个数量级才能与现场观测结果吻合。这使得模型试验不 3 第一章绪论 仅成本高、工期长、工况少，而且所得到的结果也不全面，仅为测点上的应变，破坏状 态无法重复再现，不能长期保留。所以这种研究方法在许多发达国家己经被数值分析方 法所取代。 ( 3 ) 数值分析法 目前数值计算方法的发展日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等，以此 为基础的计算软件大量涌现，如a d i n a 、n o l m 、f i n a l 、u d e c 、s a p 、f l a c 、a n s y s 等程序都为广大用户所熟知，这些软件和一些支护理论相结合在地下工程支护中得到广 泛的应用。 数值分析方法不仅可以解释、分析现场观测到的复杂现象，弥补现场监测测点布置 及观测内容有限等方面的不足，而且还可以模拟实际工程中的不良工况，对于揭示隧道 内在力学机理，丰富和完善其设计理论起到积极作用。 对于隧道围岩稳定性及支护研究，许多学者利用不同数值计算方法已作了大量的深 入研究。另外还有一些其它方法研究地下工程围岩的稳定性，如模糊数学方法、可靠度 方法、灰色关联方法、断裂损伤力学方法、反分析方法等。 1 3 地下结构设计方法简述 目前国际和国内采用的地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型【5 l ： ( 1 ) 参照过去隧道工程实践经验进行工程类比的经验设计法； ( 2 ) 以现场量测和实验室为主的实用设计法，例如以洞室周围位移量测值为基础的 收敛一约束法； ( 3 ) 荷载一结构模型，例如按弹性地基圆环计算和按弹性地基框架计算的模型； ( 4 ) 连续介质模型，包括解析法和数值法。目前，基于连续介质模型的有限元方法 在地下工程分析中用的越来越多。 对于隧道开挖与支护工程进行数值模拟是一个非常复杂的问题。尽管近些年来随着 计算技术和计算机技术的发展，岩土工程的理论研究和工程实践都上了一个新台阶，许 多新的数值计算方法在隧道工程中得到广泛的应用，但目前的计算结果与工程实测结果 还存在一定的差距。提高隧道工程数值分析的可靠性，与计算模型的选取以及假定与实 际情况的差别大小有关，建立更能反映实际情况的数值模型，考虑更能反映实际的因素， 这些问题都有待于进一步解决。 对于隧道开挖与支护工程进行数值分析，以往己有较多的研究成果。例如，文献 6 4 长安大学硕士学位论文 采用洞周围岩位移释放系数的概念，对开挖面空间效应问题进行了三维有限元仿真数值 模拟研究。文献 7 对地层时效特征参数和预报地层变形的方法进行了研究，文中对现 场埋孔的监测位移量，提出了用于考虑试验洞开挖面空间效应影响的修正方法，并以位 移一时间关系曲线的回归方程为基础建立了任意时刻围岩地层等效弹性模量值间的关 系式。文献 8 对隧洞进行了正演反分析的计算。文献 9 应用弹粘塑性模型，计算了开 挖面的影响。文献 1 0 采用三维弹塑性有限元，对洞室群的施工进行了整体优化并得出 了开挖过程应力，位移和屈服范围的变化规律：文献 1 1 1 进行了浅埋暗挖土质隧道开挖进 尺的理论的探讨，得出开挖进尺与地表沉降的关系。文献 1 2 对喷射混凝土衬砌进行了 敏感性分析，得出了混凝土衬砌的弹性模量是主要影响围岩与衬砌之间的行为。文献 1 3 利用线性粘弹性模型研究了开挖面和开挖速度的影响，得出了开挖速度将影响隧道初始 收敛和开挖面对隧道的收敛影响只在距隧道开挖面的一定距离内。文献 1 4 推导了隧道 开挖与支护的线性粘弹性模型的解析结果。文献 1 5 ， 1 6 通过现场施工量测，在大量 实测数据的基础上，研究了围岩及初期支护和初期衬砌与二次衬砌的接触压力随着时间 变化的规律：文献 1 7 对岩石与喷射混凝土之间的接触特性进行了实验研究，得出了接 触面粘结力随着时间的变化规律。 在隧道工程设计与施工中，开挖方法与支护参数的选用对于地下结构物的安定有着 直和首要的影响，合理的开挖方法与支护参数的确定取决于对地质条件、岩体类别、埋 深大小、初始地应力场以及洞室形状的研究。目前国内外在隧道工程设计中，一般是根 据必要的地质勘察资料，按国际上常用的方法对围岩进行分类，依照经验模拟拟定出相 应的开挖方法与支护参数。这种方法简单粗略，且不够科学，主要原因是事先无法了解 隧道施工过程中围岩一支护体系的力学动态，如拱顶下沉、内空收敛、围岩与支护结构 的受力等这样一些可以用来评定隧道稳定的重要资料和数据，故提出的设计方案的可靠 性就有相当的局限。 岩石与初次衬砌喷射混凝土之间的接触特点在传递围岩与衬砌之间的荷载起着重要 作用，接触面特点对围岩和衬砌的应力状态和变形有着很大的影响，并且在安装之后具 有明显的时间效应。以前对喷射混凝土衬砌的性能的研究主要集中在改善混凝土的力学 性能，并没有考虑围岩与混凝土衬砌之间的接触特点。尽管围岩与混凝土衬砌之间的接 触特点很重要，然而在大多数的有限元数值模拟中很少考虑它们之间的接触，对接触特 点随时间的变化规律的研究仍然为数不多。以往的有限元分析考虑开挖进尺、开挖台阶 长度的影响较少，考虑时间效应的研究结果较少。因此，尚有必要对隧洞开挖问题作进 5 第一章绪论 一步的计算和讨论。 为此，本文在考虑混凝土衬砌与围岩之间相互作用的同时，还考虑支护和衬砌合适 的时间效应，采用弹塑性有限元方法，对隧道变形与支护能力进行估算，通过与工程实 测数据进行分析对比，来验证本文所用方法和所建模型的合理性。 1 4 本文的主要工作 针对目前对隧道开挖与支护方法研究的现状，依据隧道结构设计与数值分析方法的 理论基础，以二维有限元计算的手段来模拟隧道开挖的全过程，本文主要进行了以下几 个方面的工作： ( 1 ) 介绍了围岩压力的特征、分类以及围岩松动压力的形成和确定方法； ( 2 ) 阐述了数值模拟方法及a n s y s 模拟在隧道开挖过程中的应用； ( 3 ) 采用弹塑性方法，考虑混凝土衬砌与围岩之间相互作用，对隧道开挖、支护及 二次衬砌进行数值模拟。主要研究了隧道开挖过程中围岩支护体系的力学性能，包括 隧道的拱顶下沉、内空收敛、围岩与支护结构的受力及围岩与支护结构的内力和变形的 影响。 ( 4 ) 以安徽省霍山县山区六潜高速公路磨子潭i i i 号隧道为背景，建立力学计算模型， 采用a n s y s 程序进行计算模拟，将计算结果与隧道的实测值进行分析对比，验证本文 数值模拟的结果的合理性。 1 5 本文的研究方法和技术路线 本文主要以磨子潭i i i 号隧道工程为背景，以高速公路隧道围岩压力和结构稳定性 评价为主线，以保护围岩的自稳和指导施工为目的，根据高速公路隧道围岩的自身特点， 从围岩压力入手，分析围岩的应力场和开挖过程中支护结构稳定性。在围岩稳定性定性 评价的基础上，分析围岩和支护结构的共同作用，探讨围岩与支护结构平衡状态建立的 力学要素。由于本文研究的隧道断面尺寸相对于隧道纵向长度来说很小，且隧道开挖时 纵向长度上的变形微乎其微。所以，本文建立二维平面模型模拟隧道的动态开挖过程。 利用现有的a n s y s 9 0 有限元程序，通过建立有限元模型，对隧道有限元模型采用平面 弹塑性分析，即应用a n s y s 有限元计算软件对隧道围岩建立的计算模型进行隧道开挖 过程动态数值模拟，分析开挖过程中围岩弹塑性应力、应变的分布和变化规律，同时， 重点对比了隧道支护前、后及的位移和应力的变化以及支护结构自身的应力、变形；分 6 长安大学硕士学位论文 析了二次衬砌后隧道位移和应力变化及衬砌结构的变形情况。 本文围绕高速公路隧道围岩稳定性分析，从地质因素( 定性) 和岩体力学( 定量) 方面综合评价隧道围岩稳定性，目的是为隧道开挖的顺利进行和高速公路的安全运营提 供警示信息和直接指导，其技术路线见图1 1 。 图1 1 本文研究技术路线 7 长安大学硕士学位论文 第二章隧道围岩压力及结构稳定性概述 隧道工程作为一种地下结构，其实质是洞室周边围岩与支护结构组成的共同 作用体。由于岩土介质包含着多种随机的不确定的因素，要准确掌握这些因素及 变化规律非常困难。这使得隧道力学的解析解仅限于几何形状简单、材料性质均 匀且各向异性、荷载及边界条件简单的少数情况。随着新奥法的提出和发展，用 科学的方法指导地下结构物的设计和施工，不仅是必要的，而且是可行的。岩土 本构关系研究的进展及电子计算机的普及，各种数值分析方法的大量采用，试验 和测试技术的进步，都为地下结构设计理论的发展提供了有利条件【1 8 】。 2 1 围岩压力 地下工程是修筑在应力岩体之中韵，也就是在有一定的应力历史和应力场的 岩体中修建的。所以，岩体应力状态会极大地影响在其中所发生的一切工程力学 现象。 由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就己存在的地应力 场，称之为围岩的初始应力场。它是经历了漫长的应力历史而逐渐形成的，并处 于相对稳定和平衡状态。隧道开挖后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去 平衡，此时洞室周围应力重分布，结果引起周围岩体的变形或破坏，形成围岩新 的应力场。这种应力变化、传递等一切岩石力学现象无一不与围岩的初始应力场 密切相关，都是初始应力发展的延续。因此，了解了围岩的初始应力状态，才能 对洞室开挖后的一系列力学过程和现象做出正确的评价【1 9 】。 现在的主要问题是要搞清楚它的分布规律，以便最终能将它确定出来。但由 于产生地应力的原因与岩体构造、性质、埋藏条件及构造运动的历史有密切的关 系，非常复杂，以至于到目前为止，仍不能完全认识它的规律而给出明确的定量 关系，还有待于继续探讨。 2 1 1 初始应力场的分类【2 0 j 围岩初始应力场的形成与岩体的结构、性质、埋深条件以及地质构造运动的 历史等有密切关系。因此，根据地应力场的成因将其分为自重应力场和构造应力 场两大类，这两类应力场的基本规律有明显的差异。 8 第二章隧道围岩压力及结构稳定性概述 所谓自重应力场是指上覆岩体自重所产生的应力场，它是地心引力和离心惯 性力共同作用的结果；所谓构造应力场是指地壳各处发生的一切构造变形与破裂 所形成的地应力，其成因比较复杂，按形成的时间，可以分为： ( 1 ) 由过去的地质运动，譬如断层、褶曲、层间错动等引起的，虽然外部 作用力移去之后有了部分恢复，但仍会残存在岩体中一定数量的应力，以及岩石 在形成过程中，由于热力和构造作用引起的，虽经过风化、卸载部分释放，但现 在仍残存着的原生内应力。这两部分都称为构造残余应力。 ( 2 ) 现在正在活动和变化的构造运动，如地层升降、板块运动等引起的应 力，称为新构造应力。地震的产生正是新构造应力的反映。 岩体内的初始应力场究竟是自重应力为主还是以构造应力为主，历来都有争 议。一种观点认为岩体内的应力主要是由自重作用下的垂直应力，水平应力则是 由岩体的泊松效应引起的，最大只能等于垂直应力( 即取泊松比为o 5 ) 。但现今 大量的量测资料表明，围岩初始应力场中水平应力与竖直应力的比值常常大于 1 ，有时甚至高7 8 倍，而且，主应力的方向与当地区域构造的迹象非常一致。 这说明地质构造运动不仅改变了岩体的原生结构特征，而且也改变了岩体原生的 应力状态。 另一种观点则认为岩体中的应力主要是由地球自转和自转速度变化而产生 的离心惯性力。因此，应以水平应力为主。李四光教授认为，地球自转和自转速 度变化是地壳新构造运动的主要动力，是形成岩体中地应力的重要原因之一，但 不是唯一。因为在很多地区发现的地应力场与最新构造运动所产生的变形场并不 一致。这一切说明现阶段围岩的初始应力场主要是构造残余应力场，晚期构造运 动的强度如不超过早期构造运动的话，则新构造运动可以影响但很难改造它。只 有在埋深很浅而又比较破碎的岩体中，才是以自重应力场为主。当然，在那些从 未遭受过较大构造运动的沉积岩中，也可能是自重应力场占主要地位。 在上述因素中，目前主要研究的是由岩体的重力形成的应力场，而其他因素 只认为是由重力造成的初始应力状态。这种现象在埋深小，岩体破碎、软弱的位 置非常突出。限于知识水平及时间原因，本文数值模拟主要考虑隧道的岩体自重 应力场。 9 长安大学硕士学位论文 2 1 2 选用初始应力场的原则和规律 除了以自重应力场为主的情况下，可以通过计算确定围岩初始应力状态外， 一般都只能通过现场实地应力量测获得。但实测工作费时、费钱，不可能大量进 行。而且，由于仪器设备不完善，操作过程不标准等原因，实测的围岩初始应力 ， 也不是绝对正确的。从目前的研究资料看，比较可行的是实地量测和地质力学分 析相结合的方法。 一般应考虑下述原则和经验【2 1 】。 1 ) 有当地实测地应力数值时，应以实测值作为工程设计的计算参数。虽无 实测值，若己测得洞壁位移，则可通过试算或反演计算确定原岩应力。 2 ) 无量测数值时，垂直原岩应力可根据自重应力计算，但应当注意埋深很 小时可能会出现偏差。 3 ) 无量测数据时，侧压系数入应视下列情况确定： ( 1 ) 有临近工程的实测数据时，可参考采用临近工程的数值； ( 2 ) 无明显构造应力地区、孤山地区以及河谷谷坡附近取a 1 ； ( 3 ) 构造应力地区、距地表较深的区域可取a 1 ； ( 4 ) 黄土地层中a 值大约在0 5 加6 ； ( 5 ) 松散软弱地层中a 值大约在0 5 1 0 。 4 ) 两个水平方向的应力，当无实测值时，可取为相等。 2 1 3 围岩压力与分类【2 2 】 1 ) 围岩压力 围岩压力是指引地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括 由地应力引起的围岩应力及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。因此， 从广义上理解，围岩压力既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情况； 既包括作用在普通的传统支护，如架设的支撑或施作的衬砌上所显示的力学性 态，也包括在喷锚和压力灌浆等现代支护的方法中显示的力学性态。从狭义来理 解，围岩压力是围岩作用在支护结构上的压力。 2 ) 围岩压力分类 围岩压力按作用力发生的形态分类，可分为： 1 0 第二章隧道围岩压力及结构稳定性概述 ( 1 ) 松动压力 由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称 为松动( 散) 压力，按作用在支护上的位置不同分为竖向压力、侧向压力和底压 力。松动压力通常在下列三种情况下发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散软弱岩体中， 坑道顶部和两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发 生剪切破坏或拉坏等局部塌落。 ( 2 ) 形变压力 由于围岩变形受到与之密贴的支护如喷锚等的抑制，而使围岩与支护结构共 同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。所以形变压力除与围岩应力状 态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。 ( 3 ) 膨胀压力 当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力 称为膨胀压力。 ( 4 ) 冲击压力 通常由“岩爆 引起。当围岩中积累了大量的弹性变形能之后，在开挖时， 隧道由于围岩的约束被解除，被积累的弹性变形能会突然释放，引起岩块抛射产 生压力。 3 ) 影响围岩压力的因素 影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类：一类是地质因素，它包括原 始应力状态、岩石力学性质、岩体结构面等；另一类是工程因素，它包括施工方 法、支护设置时间、支护本身刚度、坑道形状等。 2 1 4 围岩松动压力的形成和确定方法【2 3 l 1 ) 围岩松动压力的形成 开挖隧道所引起的围岩松动压力和破坏范围有大有小，有的可达地表，有的 则影响较小。对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅仅涉及隧道周围一 定深度。所以作用在支护结构上的围岩松动压力远远小于其上覆地层自重所造成 的压力。这可用围岩的“成拱作用”来解释： ( 1 ) 坑道开挖后，在围岩重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现裂纹； 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 顶板中间部分的裂纹发展并张开，逐渐变松动，石块开始掉落，支护所 受的垂直压力急剧增a n ； ( 3 ) 顶板向上继续坍落，石块与围岩母体分离，其界面多为拱形。此时垂直 压力稳定在一定的数值内，但侧向压力增加，即地层中原存应力沿两侧传递； ( 4 ) 顶板停止坍落，垂直压力和侧向压力都趋于稳定。 2 ) 确定围岩松动压力的方法 确定围岩松动压力的方法有：现场实地测量法；理论公式法：统计法等。按 目前量测手段和技术水平来看，量测结果尚不能充分反映真实情况。理论计算则 由于围岩地质条件的变化，使所用的计算参数难以确切取值。在大量施工坍方事 件的统计基础上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围岩压力的真实情 况。在目前，采用几种方法相互验证参照取值是确定围岩压力较通用的方法。本 文主要介绍深埋隧道围岩松动压力隧道设计规范所推荐的确定方法。 隧道设计规范所推荐的方法： i 采用破损阶段法设计隧道结构 q h 10 4 5 2 扣倒 ( 2 1 ) 式中s 一围岩类别； y 一围岩容重驯m 3 ； 一宽度影响系数，且= i + i ( b + 5 ) ； b 一坑道宽度m ； f 一以为b = 5 m 基准，当b 5 m 时，取f = 0 2 ，当县大十5 mi h ，取f 一0 1 。 公式是在坍方统计的基础上，考虑地质条件及坑道宽度建立的。公式适用条 件为： q b 1 7 ，h i 一坑道净高度，m ； 深埋隧道； 不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩； 采用传统的矿山法施工。 在产生竖向压力的同时，隧道也会有侧向压力出现，即围岩水平匀布松动压 力e ，其计算方法参见表2 1 中的经验值( 一般取平均值) ，其适用条件同式( 2 1 ) 。 1 2 第二章隧道围岩压力及结构稳定性概述 i i 采用概率极限状态法设计法 q 一】，x o 4 1 x 1 7 9 5 式中s 一围岩级别；其他符号意义同上。 表2 1围岩水平匀布松动压力 ( 2 2 ) 围岩类别 v i vi vi i ihi 围岩级别 l _ i li i ii v v 水平匀布压力 0 0 1 5 q( 0 1 5 加3 0 ) q( 0 3 0 - 0 5 0 ) q( 0 5 0 - 1 0 0 ) q 围岩水平匀布松动压力e 的计算方法见表2 1 。 除了确定压力的数值外，还要考虑压力的分布状态。根据我国隧道垂直围岩 压力的一些量测资料表明，作用在支护结构上的荷载是很不均匀的，这是因为在 i i 类及i i i 类围岩中，局部坍方是主要的，而在其它类别的围岩中，岩体破坏范 围的大小和形状受岩体结构、施工方法等因素的控制，是极不规则的。 根据统计资料，围岩垂直松动压力的分布图大致可概括为四种，如图2 1 示。 用等效荷载，即非匀布压力的总和应与匀布压力的总和相等的方法来确定各荷载 图形的高度值。 皿皿埘删血皿皿 口口口口 图2 1 围岩垂直松动压力分布图 2 2 围岩与支护结构共同作用的力学分析 隧道洞室开挖后的应力状态有两种情况， 一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的， 洞室围岩除因爆破、地质状态、施工方法等 原因可能引起稍许松弛掉块外，它是稳定的。 此时，原则上洞室是自稳的，无需支护，即 使支护也是防护性的。在这种情况下采用的 图2 2 支护阻力沿洞室周边分布图 支护多是喷浆或是喷射混凝土。另一种是开挖后，洞室围岩产生塑性区，此时洞 1 3 长安大学硕士学位论文 室都要采用承载的支护结构。下面简要分析在这种情况下支护结构对洞室围岩 应力位移状态的影响。 2 2 1 支护阻力对隧道周边应力分布的影响 洞室修筑衬砌后，相当于在洞室周边施加一阻止坑道围岩变形的阻力，从而 也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有很大 的影响。为了便于分析，假定支护阻力p 4 是径向的( 实际上还有切向的) ，且沿 洞室周边是均匀分布的如图2 2 示。 1 ) 在弹性应力状态下 当坑道周边有径向阻力时，径向应力q 和切向应力的表达式由两部分组 成( 上标e 表示弹性状态) 1 2 4 】： 0 ：；p a o ：ip n 1 r 2 0 1 - 7 1 + 童 ，2 式中，p 。一围岩初始应力； 厂0 一圆形隧道的开挖半径； ，一围岩容重； 以一从地表到洞室中心的距离。 也軎 p o y h , ( 2 2 ) i p 口号r 2 上式的前一项是初始应力造成的，后一项是支护阻力见形成的。由此可见， 支护阻力的存在，使周边的径向应力增大，而使切向应力减小，实质上是使直接 靠近洞室周边的岩体应力状态，从单向( 或双向的) 变为双向的( 或三向的) 的受力状态，因而提高了岩石的承载力。 2 ) 在塑性应力状态下 当围岩的二次应力状态己形成塑性区时，如隧道周边作用有均布的径向支护 阻力见，则此时塑性区的应力如( 2 3 ) 式所示。1 2 5 - 2 6 径向应力 筇( 以+ c 巳留驴) ( 丢) 卜豇”一c 巳留 ( 2 3 ) 1 4 第二章隧道嗣岩压力及结构稳定性概述 环向应力刊唧) ( 等侧”一c 唧 眩4 ， 根据弹塑性区交界面上q 。= 吖的条件，能导出塑性区半径r 的公式为： “ ( 1 s 哪，等等】丽 眩5 ， 式中，c 岩土的粘聚力； 一岩土的内摩擦角； 从上式可看出，塑性区半径r 是随着支护阻力见的加大而减小，说明了径 向阻力对限制围岩塑性区的发展能起重要作用。这是因为支护阻力的存在，使围 岩的应力状态由二维变为三维，从而提高了围岩的抗屈服能力。当支护阻力增加 到一定程度，就有可能在围岩中不形成塑性区，即凡r o 一，将此条件代入公式 ( 2 5 ) ，就可得到不形成塑性区所需要的支护阻力值： 见= ) ，而乙( 1 一s i i l 妒) 一c 口：o s ( 2 6 ) 实际上支护结构都是在隧道开挖一定时间后，再修筑的，塑性区己在发生和 发展，因此，所需的支护阻力就小于上式决定的值。如果围岩内允许有更大的塑 性区，需要的支护阻力就更小。 2 2 2 支护阻力与洞壁相对径向位移关系 坑道应力重分布的结果，也必然伴随着变形的发展，这种变形表现在坑道直 径的减少，即坑道壁会产生向坑道内的径向位移“p ，在一定条件下，允许变形 ( 位移) 愈大，即u 愈大，塑性区范围也愈大，而所需的支护阻力也愈小。 由于隧道壁的径向位移u 是和塑性区范围直接有关的，因此，支护阻力也必 然和h 有关。根据文献 2 7 1 ，并令，= r o ，即可得出弹塑性状态下隧道壁径向位移 的表达式： 叶，。5 篆( 以s i n m 叻s ) ( 2 7 ) 式中，g 一围岩的剪切模量。 长安大学硕士学位论文 如将有支护阻力的塑性区半径民的表达式，即公式( 2 5 ) 代入上式，即可得 出隧道壁的径向位移与支护阻力之间的关系式： l - 4 i m 2 豳 叶龟；去c 邮叫一卜m ) 等器】 汜8 ) 由此可见，在形成塑性区后，隧道壁径向位移不仅与岩体的物理参数c 、 ) ，坑道尺寸厂。和隧道埋深h 。有关，而且还取决于支护阻力见的大小。 根据公式( 2 8 ) 就可以画出弹塑性状态下，支护阻力与洞壁的相对径向位 移的关系曲线如图2 3 虚线所示。从图中可以发现： ( 1 ) 在形成塑性区后，无论加多大的支护阻力都不能使围岩的径向位移为零 ( p a 无论是多大，h 不能为零) ； ( 2 ) 不论支护阻力如何小( 甚至不设支护) ，围岩的变形如何增大，围岩总 是可以通过增大塑性区范围来取得自身的稳定而不致坍塌( 当见= o ，“一可稳 定) 。 l o 8 6 4 2 5l o 1 5k 2 0 图2 3 支护阻力与洞壁相对径向位移的关系曲线 2 2 3 支护结构的支护特性曲线 以上所述是隧道围岩与支护结构共同作用的一方面，即围岩对支护的需求情 况。现在分析它的另一个方面，即支护结构可以提供的约束能力。任何一种支护 结构，如钢拱支撑、锚杆、喷射混凝土、模板灌注混凝土衬砌等。只要具有一定 1 6 第二章隧道围岩压力及结构稳定性概述 的刚度，并和围岩紧密接触，总能对围岩变形提供一定的约束力，即支护阻力。 但由于每一种支护形式都有自己的结钩特点，因而可能提供的支护阻力大小与分 布，以及随支护变形而增加的情况都有很大的不同。 1 ) 一般支护特性曲线公式 仍以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径向分布的。 因此，还是一个轴对称问题。相对于围岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构 的力学特性可以认为是线弹性的，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力 见和径向位移甜，成线性关系，即 见。k 生 ( 2 9 ) r o 式中的k 定义为支护结构的刚度，因为这里只考虑径向均布压力，所以，k 中 只包含支护结构受压( 拉) 刚度。若隧道周边的收敛不均匀，则支护结构的弯曲 刚度就成为主要的了。不同的支护结构型式将有不同的k 值。 2 ) 几种支护的k ( 1 ) 混凝土支护结构 假设圆形模注混凝土衬砌或喷射混凝土支护的厚度为f c ，且f c 足 0 0 4 时， 可采用薄壁筒的公式来计算支护结构的受压刚度见图2 2 【2 引。 k 尚1i 一j ( 2 1 0 ) 所提供的最大径向压力以一为： 斗譬】 汜 式中的t 和r 是混凝土或喷射混凝土的弹性模量和抗压强度。 ( 2 ) 注浆锚杆 灌浆锚杆的受力变形情况是比较复杂的，它对围岩变形的约束力是通过锚杆 与胶结材料之间的剪应力来传递的，所以，在围岩向隧道内变形过程中锚杆始终 是受拉，同时，锚杆所能提供的约束力必然与灌浆的质量直接有关。因此，目前 1 7 长安大学硕士学位论文 在评价锚杆的力学特征时，只能通过现场的拉拔试验决定。在无试验条件时，参 考以下公式来确定锚杆的受拉刚度，此时假定锚杆沿隧道周边均匀分布的【2 9 1 。 ”簪矗妒 汜 式中：缈是大于1 的系数，表示灌浆后所增加的刚度， 巨钢筋弹性模量 以锚杆的直径 & 锚杆的纵向间距 s ，锚杆的横向间距 z 锚杆的长度 锚杆最大的抗拔力参考以往类似的工程实例确定。 ( 3 ) 组合式支护结构 如采用喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，其组合的支护刚度即为： 如一k + 如 ( 2 1 3 ) 它能提供的最大支护阻力也是两者之和。 3 ) p 一坼，。图 在己知支护结构的刚度后，根据公式( 2 9 ) 即可画出支护结构提供约束的 5 l o1 5 图2 4 支护特性曲线图 能力和它的径向位移q ，。的关系曲线如图2 4 所示。该图说明，支护结构所能 1 8 第_ 二章隧道围岩压力及结构稳定性概述 提供的支护阻力是随支护结构的刚度而增大，所以，这条曲线又称为“支