隧道力学概论

1、隧道力学概论复习重点隧道的概念:埋置于底层中的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。在地面下用任何 方法按规定的形状和尺寸修筑的断面面积大于2平方米的洞室。隧道体系的组成：围岩和支护衬砌结构。围岩：隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产 生影响的那部分岩体。围岩是隧道体系中承受荷载的主体。支护体系：（1）支：在围岩洞壁施加径向支护力。（2）护：改善围岩的力学性能，增加 围岩完整性。隧道结构的工程特点：（1）赋存条件的复杂性（2）结构体系本体的不确定性（3）围岩 稳定程度对隧道结构安全性影响极大（4）结构荷载的不确定性（5）施工过程因素对隧 道结构安全和洞室稳

2、定影响重大（6）建成后改建和维修难度大。隧道力学的发展：（1）刚性结构阶段（2）弹性结构阶段（3）连续介质阶段。岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而成的自然物体。岩石的构造：指 组成成分的空间分布及其相互间的排列关系。按地质成因类型可分为岩浆岩、沉积岩、 变质岩。结构面是指具有极低的或没有抗拉强度的不连续面，包括一切地质分离面。结构面是岩 体内的只要组成单元。岩体：岩块和各种结构面共同组成的综合体。结构面对其强度和稳定性的影响更大。岩石的全应力应变曲线：指岩石试件在破裂前后的全过程曲线。单向压缩荷载作用下试件的破坏形态：（1）圆锥形破坏。由于岩石两端面与试验机承压 板之间的摩擦力增

3、大造成的。（2）柱状劈裂破坏。消去岩石试件两端面与试验机承压板 之间的摩擦力之后的状态。单轴抗压强度的影响因素：（1）承压板（2）岩石试件尺寸及形状（3）加载速率（4） 环境：含水率，温度。岩石的抗剪强度：岩石在一定的应力条件下所能抵抗的最大剪应力。流变性质：材料的应力应变关系与时间因素有关的性质。流变性：蠕变、松弛、弹性后 效。流变现象：材料变形过程中具有时间效应的现象。（1）蠕变：应力不变时，变形随着时间增长而增长的现象。（2淞弛：指在对岩石施加一定 应力后，保持应变恒定不变，应力随时间的延续而减小的现象。（3）弹性后效：是一种 延迟发生的弹性变形和弹性恢复，即材料在弹性范围内受力时，加载

4、后经过一段时间， 应变才增加到应有的数值，卸载后经过一段时间应变才恢复到零。流变模型的基本元件：弹性元件（胡克体）、黏性元件（牛顿体）和塑形元件（圣维南 体）。瞬时强度：岩石在达到其强度S0时要发生破坏，且在较短时间内完成。长期强度：岩石强度常随荷载作用时间的延长而降低，其最低值就是长期强度。岩体与岩块的区别：（1）结构方面：A.岩块含岩石材料及微小节理B.岩体含岩块及较大 的多组节理。（2）力学性质方面：A .岩体的力学性质不仅取决于岩块，更取决于结构面 的力学性质，是二者的综合反映。B.岩体与岩块相比，弹模小，峰值强度低，残余强度 低，变形大，泊松比大，各向异性C.岩体是一种多介质的裂隙体

5、D.岩体是地质体的一部分，岩体位一定的物理环境中。围岩的工程性质：（1）始终处于一定的天然应力作用之下（2）物理力学性质的不均匀 性（3）有结构面分割的多裂隙体（4）各向异性：由于结构面的存在和岩石的结构、构 造具有方向性，使岩体强度、变形，甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异（4）可 变性。岩体的初始应力：指岩体在天然状态下所存在的内在应力。#影响因素：岩体自重、地 质构造运动、地形、地质构造形态、水及温度。其中自重和地质构造运动是主要因素。围岩隧道施工力学效应的分析方法主要包括以下几种：（1）解析法（2）数值计算法（3） 工程实用计算方法。隧道开挖扰动后周边及前方围岩所产生的变形分为掌子面

6、围岩挤压变形、掌子面前方围 岩先行收敛变形及开挖后洞室围岩收敛变形三类。软弱围岩隧道洞室周变形特点：（1）先行变形的影响范围约为10倍洞跨左右（2）先行 变形占累计变形总量的比例差异较大（3）在先行变形中，拱顶下沉较水平收敛更加显 著（4）洞周累计变形量大（5）掌子面挤出变形相对显著软弱围岩掌子面挤出变形特征：（1）围岩越弱掌子面挤出变形越大（2）台阶法施工中， 上台阶掌子面挤出变形随上断面高度的增大而增加台阶长度的增加总体上对掌子面挤 出变形影响不大。地应力较高时伴生的工程现象：（1）岩芯饼化现象（2）岩爆（3）隧道洞周围岩剥离（4） 岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象（5）也为原位测试

7、得到的岩体物理力学指 标比室内试验结果高隧道内岩爆的特点：（1）岩爆在未发生前并无明显的预兆（2）岩爆时，岩块自洞壁围 岩母体弹射出来（3）岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近岩爆产生的主要条件：地层的岩性条件和地应力的大小是产生岩爆与否的来个决定性内 在因素。岩爆类型：（1）破裂松脱型（2）爆裂弹射（3）爆炸抛射。衬砌的主要类型：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌。整体式混凝土衬砌：（1）直墙式衬砌（2）曲墙式衬砌（有无仰拱）。锚杆：用金属或其它高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。分为端头锚固式、全长粘 结式、摩擦式和混合式。锚杆的支护效应：（1）支承围岩（2）加固围岩（3）提高层间摩擦力（4）悬吊作用。隧道结构常用设计方法：经验类比法、作结构力学法、地层结构法、收敛限制法。荷载种类：永久，可变，偶然。隧道失稳的经验先兆：（1）局部块石坍塌或层状劈裂（2）累计位移量已达极限位移的 2/3,且仍未出现收敛减缓的迹象（3）每日的位移量超过极限位移的10%（4）洞室变 形有异常加速，即在无施工干扰时的变形速率加大。oa为压密变形阶段，岩石试件内部原始裂隙逐渐被压密；ab为弹性变形阶段，斜率接 近常数，卸载