城地下工程考试题

1、1/ 12城市地下工程一、围岩及围岩压力 围岩 ：修建岩石地下工程必然要进行岩石开挖和施筑维护结构工程，岩石开挖将导 致周围岩体失去原有的平衡状态， 其内部原有应力场将发生改变。 这种在地下工程中由于受 开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，称为围岩。隧道工程结构计算考虑的围岩范围： 3 倍隧道直径。围岩压力 ：隧洞开挖之前，岩层中的岩体处于复杂的原始应力平衡状态，开挖以后， 原岩中的应力平衡状态遭到破坏，应力重分布，从而使周围岩体产生变形。如果再围岩发生 变形时及时进行衬砌或维护，阻止围岩进一步变形， 防止围岩塌落， 则围岩对衬砌结构就要 产生压力。 因此， 围岩压力指的就是位于地下结构周围

2、变形或破坏的岩层， 作用在衬砌结构 或支撑结构上的压力。广义的围岩压力包括了：松弛压力：隧道开挖后，松弛的岩块作用于支护结构上的压力； 形变压力：隧道开挖后，围岩应力重分布和围岩位移与支护结构相互作用产生的压力； 膨胀压力：围岩膨胀崩解而引起的压力；冲击压力（岩爆） 围岩压力又可以分为水平压力、垂直压力和底部压力。二、隧道围岩压力的确定：1、按松散体理论计算围岩压力：考虑到岩体裂隙和节理的存在，岩体被分割为互不联系的独立块体，因此可以把岩体假 定为一种特殊松散体。 深浅埋地下结构临界高度的计算：2 / 123/ 122 ）按弹塑性体理论计算围岩压力：4/ 12（3）按围岩分级和经验公式确定围岩

3、压力:三、城市地下工程中施工方法：将从城市地下工程基本理念、基本理论、基本方法以及不良及特殊地质地段隧道施工五个 方面进行阐述：1、 城市地下工程施工基本理念：（1）爱护围岩：尽量不损伤或者少损伤围岩，采取措施增强围岩的自稳能力；（2）内实外美；（3）重视环境：包括施工作业时的环境以及对周边生态环境的影响；（4）动态施工。2、 城市地下工程施工的基本理论：工程实践表明，在地下工程施工过程中，开挖和支护是两个关键的工序，二者既相 互促进又相互制约。经过长时间的时间和研究，人们提出了两种理论体系，包含和解决 的从工程认识、力学原理、工程措施到施工方法等一系列的地下工程建设问题。松弛荷载理论现代支护

4、理论5/ 12理论 内容稳定的岩体有自稳能 力，对隧道不产生荷载； 而不稳定的岩体则可能产 生坍塌，需要用支护结构 予以支承岩体荷载。作用 在支护结构上的荷载就是 围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩（土） 体的重力隧道围岩稳定显然是岩体自身有承载 自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是具有一 个过程的，如在这个过程中提供必要的支 护或限制，则围岩仍然能够保持稳定状态力学 原理 土力学：将围岩视为散粒体， 结构力学：将支撑和衬砌视为 承载结构。建立起“荷载一结 构”力学体系以最不利荷载组 合作为结构设计何载。岩体力学，将围岩视为应力岩体，分析计 算应力一应变状态及变化过程，建立起“围岩一支护”力学体

5、系以实际的应力应变状 态作为支护的设计状态。工程措施支护分步开挖后及时用刚度 较大的构件进行临时支 撑，待隧道开挖后逐步换 成整体式厚衬砌作为永 久支撑，初期支护：锚杆+喷射混凝土等柔性构件， 以控制围岩松弛变形的过程，增强围岩自 承能力；二次衬砌：开挖分步开挖大断面开挖减少对围岩的扰动，优 缺占八、构件临时支撑直观，容 易理解，工艺较简单， 易于操作；围岩松散破碎甚至有 水时，需满铺背材，也 能奏效；拆除临时支撑既麻烦， 更不安全，不能拆除 时，既浪费，又使衬砌 受力条件不好锚喷初期支护按需设置，适应性强，工 艺较复杂，对围岩的动态量测要求较高； 围岩松散破碎甚至有水时，需采用辅助 工法（如

6、注浆）来支持，才能继续施工； 初期支护无需拆除，施工较安全，支护 结构受力状态较好理论要点：隧道开挖后，围岩产生松弛是必然的，但是产生坍塌是偶然的。现代支 护理论中围岩是主要承载部分，初期支护和二次衬砌对围岩起约束作用，既允许围岩产 生有限变形，以发挥其承载能力，有阻止围岩产生过度变形而发生失稳。先柔后刚，并 通过监控测量及时判断适时提供相应支护。3、基本施工方法：1矿山法（又称钻爆发）：可分为传统矿山法以及新奥法。传统矿山法：采用钻爆开挖加钢木构件支撑；一一松弛荷载理论。新奥法：采用钻爆开挖，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为支护手段，通过监测 控制围岩变形，以便充分发挥围岩的自承载能力的施工

7、方法；一一现代支护理论。新奥法施工又分为以下几类:1）全断面法：6/ 122） 台阶法：一般适用于W级围岩，要求台阶长度不大于1 倍洞径，仰拱据掌子面距离不 大于两倍洞泾。3） 分布开挖法：环形导坑 （预留核心土） 法：该方法利用核心土稳定掌子面， 然后开挖两侧边墙、 中部核心土，最后开挖仰拱。该法步骤多，工艺要求高。CD 法（中隔壁法）：适用于浅埋地段或穿越建筑物时采用，以减少沉降，防止塌方。该工法将隧道分为最有两部分进行开挖，先在一侧采用台阶法分层开挖及支护，再开 挖隧道另一侧，每台阶纵向长度 3-5 米，初期支护仰拱紧跟下台阶封闭成环。双侧壁导坑法： 在特大断面等特殊条件下采用， 先开挖

8、隧道两侧导坑， 再进行中部 开挖支护，特点：控制沉降变形好，但连接点多，受力复杂，对工艺要求较高。单侧壁导坑法：4） 盖挖逆作法施工：使用于超浅埋大跨度隧道。2明挖法：当隧道埋深较浅，上覆岩土体较薄时，采用明挖法施工。3TBM 法：采用隧道掘进机 （TBM）,集掘进、出渣、支护以及通风防尘一体， 适用于 在岩质隧道施工。主要分为开敞式和护盾式两种。与钻爆法相比，工序简单，施工 速度快，安全性好，适用于工期紧且以硬质岩石为主的圆形隧道施工，有高效、优 质、安全、环保等优点。4盾构法：是一种适用于软岩和土体隧道的开挖方法；通常使用盾构机在地下开挖，并同时安装衬砌。在城市地下工程中使用较多，具有施工

9、快速安全等优点。4、 不良和特殊地质地段隧道施工：1不良地质地段包括：滑坡、崩塌、偏压、岩溶、高地应力、软土地段等；2特殊地质地段：膨胀地层、软弱黄土地层、断层、岩爆、瓦斯等。 在这些地段施工，应注意“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步 推进” 为指导原则，根据地质情况合理选择施工方法 （如黄土地段采用短台阶法或分步 法等），加强监控量测工作。四、隧道结构设计模型目前国内外采用的隧道结构设计模型可归纳为四种模型：1 、 以工程类比为依据的经验设计法；2、 以测试为依据的实用法， 包括收敛 约束法、 现场原位测试和实验室的岩土力学试验、 应力 （应变）量测以及实验室模型试验。3

10、、 结构力学方法：主要为圆环弹性地基梁法。也可称为荷载-结构法。 该方法认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的围岩抗力） ，是基于松弛荷载理论的一种方法。4、 岩体力学方法：连续介质模型法， 包括理论分析法和数值法。 该方法将支护结构和围岩视为一体，共同承受荷载的隧道结构体系。后两种方法的比较见第四题城市地下工程施工的基本理论。五、监控量测的主要内容及意义1、 隧道监控量测的主要目的：1提供监控设计的依据和信息：掌握围岩力学形态的变化和规律；掌握支护的工作状态信息并及时反馈，指导施工作业；7/ 122预报及检测险情：作出工程预报，确定施工对策和措施；监视

11、险情，以确保安全施 工。3校核地下工程理论计算结果，完善工程类比法：为理论解析、数值分析提供计算数 据和对比指标，为工程类比提供参考指标，为地下工程设计和施工积累经验资料。4隧道工程运营期间监控量测：掌握隧道工程运营中的安全状况，隧道营运阶段及时发现支护衬砌结构的险情，以便及时采取相应的补救措施等。2、 隧道监测的主要任务：1通过对围岩支护的观察和动态量测，以达到合理安排隧道施工程序、日常施工管理、确保施工安全、修改设计参数和积累资料；2通过对围岩和支护的变位、应力量测，掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈， 修改支护系统设计，指导施工作业和管理等；3经量测数据的分析处理与必要的计算和判断后，进

12、行预测和反馈，以保证施工安 全和隧道围岩及支护衬砌结构的稳定；4对已有隧道工程的量测结果，可以分析和应用到其他类似工程中，作为指导复合式衬砌设计和施工的重要依据。复合式衬砌的设计， 通常以工程类比法为主， 并以现场监控量测进行工程实际检验和修正；5利用实测信息进行反分析，用以推求地层的力学属性、参数以及地应力场等。3、隧道监测项目、方法及工具：1必监测项目：洞内观察：包括地质及支护状况观察，对岩性、结构面产状及支护裂缝观察与描述等。工具包括地质罗盘等。洞周收敛：运用收敛计观测隧洞周边位移情况。拱顶下降：运用水平仪、水准尺、钢尺等工具测量隧洞拱顶的位移情况。1选测项目：包括地表沉降、地中位移、锚

13、杆应力、衬砌应力、锚杆抗拔试验、洞 内弹性波等项目。锚杆作用力及围岩松动带、围岩二次衬砌支护时间选择优化，见六、国内外岩质隧道围岩分级主要采用指标统计率：国内（由多到少） ：岩石强度、岩石完整程度、地下水、结构面状态、初始应力状态、结构面与洞轴组合关系、声波速度、其他（风化程度、RQD 等）；国外：岩石强度、地下水、结构面与洞轴组合关系、结构面状态、初始应力状态、声波ppt)8/ 12速度；七、围岩分级的意义：岩体是一种经历地质构造运动的变形和破坏，建造和改造的十分复杂的介质，无论 怎样仔细研究都不可能将工程区域内岩体的力学性质的细节完全搞清楚，因此，根据工 程应用的性质和要求，将岩体的某种属

14、性加以概略的划分，用以服务于地下工程建设。 围岩分级有以下目的：1作为选择施工方法的依据；2确定结构上部的荷载，便于计算支护衬砌结构的类型及尺寸；3进行科学管理以及正确评价经济效益，制定劳动定额，材料消耗标准等。八、围岩分级方法：原有岩石分级方法：1、 以岩石强度或者物性指标为基础的分类方法：1以岩石单轴抗压强度为指标；2“岩石坚固性系数分类法”，又称“f”值分类法，通常f岩石=（1/150 -1/100）2,Rc是岩石的饱和单轴极限抗压强度。在我国通常令f=K*f岩石,其中 K 为地质条件折减系数。2、 按照岩体构造、岩体特征分类方法：以太沙基分类法为代表，考虑了构造、岩性、地 下水的影响。

15、3、 按照岩体完整性分类方法：按弹性波（纵波）速度的分级方法。弹性波在岩体中传播时，结构面使岩体中的波速明显下降、能量有不同程度的损耗。2按照岩石质量指标（RQD）分类：RQD 指长度等于或者大于 10cm 的岩心总长度与 钻孔长度之比。隧道中计算 RQD 时可在隧道侧壁上画一条线段，测量被结构面分割后 大于 10cm 的线长度占总长度的比值。4、综合因素分类法：1岩体质量指标（Q）分类，由巴顿提出，该指标考虑多种因素，包括RQD节理组 数、节理面粗糙系数、节理蚀变系数、节理含水折减系数、地应力影响折减系数等。2地质力学分类：由比尼奥斯基提出，又称 RMR 分类，综合考虑岩石强度、RQD 不

16、连续面间距、9/ 12不连续面特征、不连续面产状与洞室短息、地下水情况等 6 个因素。 我国现行岩石分级方法：我国现行铁路隧道及公路隧道采用的围岩分级方法，通常以定性和定量相结合的方 法进行围岩分级，考虑因素通常包括以下几种：岩石岩性特征和完整状态、结构面发育 程度、围岩开挖后稳定状态、围岩弹性波纵波速度、岩石强度等等因素进行综合评价。大跨度隧道围岩分级 ？九、围岩亚级分级的意义何在？并对其进行评价。目前，我国隧道围岩分级方法将围岩质量由好到坏分为 6 个等级，但是在工 程实践中我们经常发现， 隧道开挖后实际地质条件经判定经常会处于两级围岩之 间，这种现象在IHWV级围岩中尤为突出。如果将其划

17、分到较好的围岩中，则会 出现安全隐患；现实工程建设中常常不得不按照低级围岩的方法进行处理，从而 使得隧道建设过于保守，造成浪费，为提高隧道支护的优化程度， 有必要对稳定 性较为复杂、施工方法、支护结构参数相对多样化的IHWV级围岩进行更加细致 地划分，及进行围岩亚级划分。十、城市地下工程防灾系统 十、地下工程的基本理论：2地下结构计算理论发展阶段（地下结构设计 P8）：刚性结构阶段、弹性结构阶段、 连续性介质阶段、现代知乎理论阶段3地下结构计算理论的发展趋势： （书 P8） 岩土体压力的计算理论： 土压力的计算：静止土压力、主动土压力、被动土压力；库伦土压力理论以及朗 肯土压力理论； 侧向岩石

18、压力的计算3地下洞室围岩压力的计算：按松散体理论计算围岩压力、按弹塑性体理论计算围 岩压力、按围岩分级和弹塑性公式确定围岩压力。地下结构计算方法：工程类比法、荷载结构法、地层结构法（P43）十一、城市地下工程隧道施工过程中数值模拟应考虑的问题1、 数值模拟的作用和意义：总结为以下几点：检验、评价和优化隧道施工方案及支护设计的参考依据。当然，数值模拟的结果通 常不宜直接用作工程设计。2、在数值模拟过程中应考虑以下几个问题： 模型的建立： 通过分析区域地质条件、 边界条件， 对模型的应力条件、 位移约束 条件、重力10/ 12平衡条件等进行合理、有效地定义。 参数的选取： 依据工程地质详勘报告和沙

19、塘坑隧道施工图设计方案，根据相关 规范、文献，选取围岩参数。包括弹性模型、粘聚力、内摩擦角等，此时注意考虑围 岩等级对参数的影响。3屈服准则的选取：依据围岩的等级选择相应的屈服准则，如I-川围岩选择 D-P准则；W围岩选择 M-C 准则或 D-P 准则；V围岩选择 M-C 准则。4施工过程控制：考虑开挖顺序、支护措施、二次衬砌与初期支护的接触关系等 对计算结果的影响；特殊条件下的施加和控制等。5支护结构的模拟：包括单元类型的选择、分析结果的实现等因素。6计算结果的提取、分析和评价：对计算结果进行分析和解释，理解计算所得数 据的含义。3、数值模拟研究方向：1屈服准则的选取（M-C , D-P 系

20、列，Hoke-Brown ）2荷载释放系数问题3衬砌之间接触关系的模拟（没有考虑防水板，不能反映复合式衬砌的实际情况）4支护结构长期稳定性分析5多数模拟结果位移小于实测位移，没有考虑开挖对一定范围内围岩的劣化作用6爆破、地震作用下支护结构稳定性研究7大断面隧道施工力学分析8渗流作用下隧道围岩 -支护结构稳定性分析十二、隧道开挖后的应力状态1、应力状态：初始应力状态（围岩）一一隧道开挖后应力状态（二次应力状态）一一支护体系应力 状态（三次应力状态）一一终极应力状态。2、塑性圈分布：松动破坏区一一塑性区一一弹性区一一原岩应力区3、轴向应力和径向应力变化情况4、围岩与支护结构平衡状态的建立P-U 曲

21、线，支护点选取十三、压力拱理论据岩石力学，在地下开挖空间，会带来围岩应力的转移，在一定范围内产生应力集中 现象。进一步研究还表明，在地下空间埋深达到一定数值后，围岩应力转移会形成有规律的压力区域，拱形是这个区域的典型特征，被称为岩石“压力拱”压力拱是岩体为抵抗不均匀变形而进行自我调节的一种现象，是围岩内应力发生集11/ 12中、传递路线发生的偏转而形成的一种拱形应力分布区。这种现象无法用肉眼观测到， 它的主要特点是地下工程开挖后主应力方向发生偏转，但无破裂发生。压力拱不仅存在于顶板上，也存在于两帮和底板。根据压力拱的定义，用应力分析方法可以确定拱体上、下边界。（1）确定下边界的判别方法：如果围

22、岩为无破坏的理想状态，由于拱体自身和其上 的荷载向硐室两侧转移，在拱体内部最小主应力减小，最大主应力增大，因此最大主应力在边界处最大。当有破坏发生在围岩中时，由于变形导致应力释放，该处的最大主应 力减小，因此，最大主应力的最大值在压力拱的下边界处。（2）确定上边界的判别方法：上边界根据最小主应力在拱体内被转移到最大主应力 这种现象来确定。拱体内的岩体，最小主应力逐渐减小，最大主应力逐渐增大，因此可以用围岩中最小主应力的减小量来判断该部分岩体是否属于拱体，如减小量大，则被认 为该部分岩体进入了拱体。矩形隧道有无压力拱？马蹄形隧道压力拱？十四、对城市地下工程的认识与发展、展望。1、城市地下工程现状：目前国际上有一种普遍认同的观点即： 21 世纪将是地下空间大开发的世纪。