【正文】 本特征。圖中實(shí)線(xiàn)是形變壓力，虛線(xiàn)是松弛壓力。 變形變大后 pi／ p即作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載變小。 應(yīng)該說(shuō)，在噴混凝土或鋼支撐上作用的壓力，基本上屬于應(yīng)該說(shuō)，在噴混凝土或鋼支撐上作用的壓力，基本上屬于形變壓力。 圖 1 不同圍巖的崩塌高度與頻率 圖 2 彈性波速度與松弛高度2．形變壓力．形變壓力 與初始地應(yīng)力比，圍巖強(qiáng)度小的場(chǎng)合，圍巖的動(dòng)態(tài)是受?chē)c初始地應(yīng)力比，圍巖強(qiáng)度小的場(chǎng)合，圍巖的動(dòng)態(tài)是受?chē)鷰r強(qiáng)度比支配的。對(duì)三車(chē)道隧道那種扁平的斷面，不僅斷面的形狀不穩(wěn)定，對(duì)三車(chē)道隧道那種扁平的斷面，不僅斷面的形狀不穩(wěn)定，越寬可能崩塌巖塊的范圍也越大，比雙車(chē)道有不穩(wěn)定增加的趨越寬可能崩塌巖塊的范圍也越大，比雙車(chē)道有不穩(wěn)定增加的趨勢(shì)。 下圖下圖 1是日本根據(jù)施工中掌子面或掌子面后方的崩塌事例，是日本根據(jù)施工中掌子面或掌子面后方的崩塌事例，表示崩塌高度在不同圍巖中發(fā)生的頻率。六、圍巖壓力（荷載）的確定方法（一）、圍巖壓力的主要類(lèi)型（一）、圍巖壓力的主要類(lèi)型1．松弛壓力 隧道開(kāi)挖后周邊產(chǎn)生應(yīng)力再分配，通常把周邊圍巖視為均勻的連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究，但實(shí)際的圍巖是包含有節(jié)理等力學(xué)上不連續(xù)面，面的強(qiáng)度對(duì)特定的方向是很低的，如在強(qiáng)度低的方向作用一個(gè)力，就容易產(chǎn)生面的分離和相對(duì)移動(dòng)，就不能保持作為連續(xù)體的動(dòng)態(tài)。圍巖級(jí)別 I II III IV V VI穩(wěn)定性級(jí)別 充分穩(wěn)定 穩(wěn)定 暫時(shí)穩(wěn)定 不穩(wěn)定支護(hù)級(jí)別 飾面 構(gòu)造 承載 特殊承載 圍巖分級(jí)、坑道穩(wěn)定性和支護(hù)級(jí)別間的大致關(guān)系上述分析是針對(duì)單線(xiàn)鐵路隧道而言的。 隧道的圍巖分級(jí)，是把具有不同坑道穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)隧道的圍巖分級(jí)，是把具有不同坑道穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖組合到一起進(jìn)行分級(jí)的一種方法。 （（ 2）構(gòu)造支護(hù)：利用圍巖自支護(hù)能力，為防止圍巖在長(zhǎng)）構(gòu)造支護(hù)：利用圍巖自支護(hù)能力，為防止圍巖在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，自支護(hù)能力的降低，而采取的構(gòu)造上的措施。在目前的設(shè)計(jì)原則中，主要是在運(yùn)營(yíng)期間和初期支護(hù)一起，維護(hù)坑道的長(zhǎng)期穩(wěn)定和耐久要是在運(yùn)營(yíng)期間和初期支護(hù)一起，維護(hù)坑道的長(zhǎng)期穩(wěn)定和耐久性的基本結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代的隧，還能夠與二次支護(hù)一起，發(fā)揮永久支護(hù)的作用。也可以稱(chēng)要對(duì)坑道進(jìn)行一次支護(hù)，也就是所謂的一次支護(hù)。兩者共同構(gòu)成了坑道的永久支護(hù)體系。自支護(hù)是指圍巖自身所具有的支護(hù)能力?？拥赖奶l(fā)生迅速、影響范圍大，在淺埋條件下，有時(shí)可塌到地表面或在地面形成沉陷盆地。暫時(shí)穩(wěn)定的時(shí)間，有長(zhǎng)有短。層間結(jié)合差的平緩巖層，頂板可能彎曲、斷裂。 所謂的坑道穩(wěn)定性是指一定尺寸的坑道，在不加任何人工支護(hù)條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。 我國(guó)鐵路隧道和公路隧道采用同樣的圍巖分級(jí)方法，把圍巖基本上分為六級(jí) 。 圖中是根據(jù)上表數(shù)據(jù) ,a=3m時(shí)繪制的圍巖特征曲線(xiàn)。設(shè)定坑道半徑 a＝ ，各級(jí)圍巖的計(jì)算指標(biāo)列于表中。同時(shí)由于支護(hù)阻力的存在也改善了周邊巖護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)實(shí)質(zhì)。后的巖體特征曲線(xiàn)。在通常情況下而巖體的承載能力絲毫也沒(méi)有利用。也就是說(shuō)點(diǎn)）。 可以看出可以看出 ,隨著隨著 ua/a值的增大值的增大 ,pa則逐漸減少，反之隨著支則逐漸減少，反之隨著支護(hù)阻力護(hù)阻力 pa減小減小 ,ua也逐漸增大也逐漸增大 。 分析支護(hù)阻力分析支護(hù)阻力 pa對(duì)位移狀態(tài)的影響：對(duì)位移狀態(tài)的影響： 當(dāng)坑道巖體處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時(shí)當(dāng)坑道巖體處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時(shí) , 當(dāng)當(dāng) pa=0,而當(dāng)而當(dāng) ua=0時(shí)時(shí) ,pa=σ y,即欲使坑道周邊不產(chǎn)生位移即欲使坑道周邊不產(chǎn)生位移 ,就需要有相當(dāng)就需要有相當(dāng)于初始應(yīng)力大小的支護(hù)阻力于初始應(yīng)力大小的支護(hù)阻力 ,使坑道圍巖仍處于初應(yīng)力狀態(tài)之使坑道圍巖仍處于初應(yīng)力狀態(tài)之中中 ,顯然這是不可能的。在一定條件下 ,允許變形（位移）愈大，即 ua愈大 ,塑性區(qū)范圍也愈大 ,而所需的支護(hù)阻力也愈小。當(dāng) pa分別為分別為 0、 ，其塑性區(qū)的范時(shí)，其塑性區(qū)的范圍列于表。形成最大塑性區(qū)。這說(shuō)明徑向支護(hù)阻力相應(yīng)減小。如塑性區(qū)范圍，其應(yīng)力值和塑性區(qū)范圍也有所變化。實(shí)質(zhì)上就是提高了圍巖的自支護(hù)因而提高了圍巖的承載能力。形成的。、支護(hù)的作用上在坑道開(kāi)挖后立即發(fā)揮的。支護(hù)阻力的大的作用下，改變了圍巖開(kāi)挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)。它對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有直接而重要的影響。此分級(jí)在歐洲一些國(guó)家應(yīng)用較多。時(shí)間的大致基準(zhǔn)，可作為參考。步判定。H≤ηζRb 或 γ因此在脆性巖石中通常都是以強(qiáng)度條件為破壞標(biāo)準(zhǔn)的。 N（ S容許 ）－坑道周邊上尺寸 SS容許 的崩塌數(shù)量 。 對(duì)脆性巖體： 目前主要是用統(tǒng)計(jì)方法研究坑道周邊巖體局部破壞并形成崩塌的過(guò)程。破壞通常是從底部開(kāi)始的，而逐步影響到側(cè)部和頂部。 (2)拱形崩塌： 由于自重應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)挖后形成的二次應(yīng)力場(chǎng)即應(yīng)力集中造成圍巖破壞而形成的崩塌。例如在整體、堅(jiān)硬的脆性巖體中可能形成自穩(wěn)坑道。 已知 c=、 φ= h=15MPa、 σy=15MPa,當(dāng) λ分別為 0、 、 、 ，得到的塑性區(qū)邊界于下圖。塑性區(qū)應(yīng)力狀態(tài)由下式確定 : σrp＝ Rb/(ξ1)[(r/a)ξ11] σtp= Rb/(ξ1)[(r/a)ξ1ξ1] ro＝ a[2/(ξ+1) (σy(ξ1)+Rb)/Rb]1/ξ1 ξ=(1+sinφ)/(1sinφ)塑性區(qū)邊界及應(yīng)力狀態(tài) 式中指出 ,塑性區(qū)邊界 r0與圍巖的初應(yīng)力狀態(tài)（ σ y） ,圍巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)（ E）及坑道開(kāi)挖尺寸（ a）等有關(guān)。此時(shí)，應(yīng)力即使不增加 ,變形仍將繼續(xù)?？拥篱_(kāi)挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài) 在深埋隧道或埋深較淺但圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，上述應(yīng)力狀態(tài)可能超過(guò)圍巖的抗壓強(qiáng)度。當(dāng) λ=1時(shí) ,隧道斷面是均勻縮小的 ,隨著 λ值的減小 ,隧道上、下頂點(diǎn)繼續(xù)向隧道內(nèi)擠入 ,水平直徑處則減小 ,而變成扁平的斷面形狀。前已指出 ,拉應(yīng)力區(qū)的存在對(duì)造成圍巖的局部破壞（松弛、掉塊、落石）是有影響的。 λ愈大，范圍愈大。隨著 r的增加 ,當(dāng) λ=0時(shí) , σt接近于 0，當(dāng) λ=1時(shí) ,接近 σy，即都逐漸接近于初始的應(yīng)力狀態(tài)。最大值為 σt=3σy(λ=0),最小值為 2σy(λ=l)。在這個(gè)范圍內(nèi) ,坑道周邊切向應(yīng)力 σt都是壓應(yīng)力。 4）當(dāng) λ=1（即初始垂直應(yīng)力與初始水平應(yīng)力相等）時(shí) ,坑道周邊圍巖各點(diǎn)的應(yīng)力皆相同。）的最大壓力等于 3σy 。由于巖石的抗拉強(qiáng)度較弱 ,當(dāng)切向拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí) ,拱頂可能發(fā)生局部掉塊和落石 ,但不會(huì)造成整個(gè)坑道的破壞。 2）隨著 λ的增加 ,拱頂切向拉應(yīng)力值及其范圍逐漸減少。 （ 1）坑道周邊應(yīng)力狀態(tài)的規(guī)律： 當(dāng) r=a時(shí)，上式變成： σr=0 σt=σy〔 (12cosφ)+(1+2cos2φ)〕圓形坑道周邊切向應(yīng)力分布 認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)隨極為重要： 1） λ=0，即只有初始垂直應(yīng)力時(shí)，拱頂出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)力，并分布在拱頂一定范圍內(nèi)。只是在中硬巖，軟巖和土砂圍巖中考慮，也不是在所有的級(jí)別中考慮，只是在很低的級(jí)別中考慮。 在日本道路公團(tuán)的 隧道圍巖分級(jí)中，也把圍巖強(qiáng)度比作為中硬巖、軟巖及土砂圍巖分級(jí)的一個(gè)重要參考指標(biāo)考慮。 軟質(zhì)巖： 巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象。因?yàn)椋袝r(shí)初始地應(yīng)力場(chǎng)雖然大，其圍巖強(qiáng)度比卻不一定高。初始地應(yīng)力場(chǎng)的評(píng)價(jià) 圍巖強(qiáng)度比的定義是：圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力值與圍巖強(qiáng)度的比值。 （ 2） 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在不深的地方已普遍存在 ,而且最大構(gòu)造應(yīng)力的方向 ,多近似為水平 ,其值常常大于重力應(yīng)力場(chǎng)中的水平應(yīng)力分量 ,甚至也大于垂直應(yīng)力分量 ,這與重力應(yīng)力場(chǎng)有很大不同。因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形成過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)之為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) ,它是動(dòng)態(tài)的。在被斷層分割的楔形巖塊情況中 ,也可觀(guān)察到類(lèi)似情況。 由于地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 ,巖層會(huì)產(chǎn)生各種變態(tài) ,如變成各種傾斜狀的、彎曲的等等。大多數(shù)圍巖的泊松比變化在 ~。 σ T：構(gòu)造應(yīng)力分量。主講主講 : 譚忠盛譚忠盛隧道工程設(shè)計(jì)與施工隧道工程設(shè)計(jì)與施工北京交大隧道系北京交大隧道系第三部分 隧道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、初始地應(yīng)力場(chǎng)及其評(píng)價(jià) 正確掌握和了解地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道工程力學(xué)行為的作用和影響是合理地進(jìn)行隧道工程設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。 初始地應(yīng)力場(chǎng)由兩種力系構(gòu)成 : σ=σ y+σ T 式中 σ y：自重應(yīng)力分量 。 距表面 h深處一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可表示為： σy=∫0hγ(y)dy σx=σx(y) σz=σz(y) τxy=τxz=τyz σx=σz=μ/1μσy 當(dāng)垂直應(yīng)力已知時(shí) ,水平應(yīng)力的大小決定于圍巖的泊松比。通常情況下 ,在隧道所涉及的范圍內(nèi) ,都可視初應(yīng)力場(chǎng)為彈性的 ,這一點(diǎn)亦可由部分量測(cè)資科所證實(shí)。又如背斜情況 ,由于巖層成拱狀分布 ,使上覆巖層重量向兩翼傳遞 ,而直接處在背斜軸下面的巖層則受到較小的應(yīng)力 。構(gòu)造應(yīng)力 地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為：地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地應(yīng)力作用的結(jié)果。 （ 1） 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng) ,而且除以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在圍巖內(nèi) ,這種殘余構(gòu)造應(yīng)力將對(duì)隧道工程產(chǎn)生重大影響。 （ 3） 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)很不均勻 , 它的參數(shù)無(wú)論在空間上、時(shí)間上都有很大變化 , 特別是主應(yīng)力軸的方向和絕對(duì)值變化很大。一定不要誤解，初始地應(yīng)力大，就是高地應(yīng)力場(chǎng)。4高地應(yīng)力場(chǎng)硬質(zhì)巖： 開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁圍巖有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多．成洞性較差，基坑時(shí)有剝離現(xiàn)象，成形性 — 般尚好。 圍巖強(qiáng)度比 4 2～ 4 2土壓特性 不產(chǎn)生塑性地壓 有時(shí)產(chǎn)生塑性地壓 多產(chǎn)生塑性地壓不同圍巖強(qiáng)度比開(kāi)挖中出現(xiàn)的現(xiàn)象 （ 3）作為圍巖分級(jí)的重要參考指標(biāo) 在 Barton的圍巖分級(jí)中把圍巖強(qiáng)度比作為重要指標(biāo)。 Barton的圍巖強(qiáng)度比分級(jí)應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) Rb/σmax Rt/σmax SRF圍巖強(qiáng)度充分，但有地應(yīng)力問(wèn)題的情況低地應(yīng)力、地表附近200 13 中等地應(yīng)力 200～ 10 13～ 高地應(yīng)力 10～ 5 ～ ～ 2微弱的巖爆 5～ ～ 5～ 10強(qiáng)烈?guī)r爆 10～ 20高地應(yīng)力、擠出和塑性流動(dòng)的情況緩慢擠出 5～ 10急劇擠出 10～ 20注： RB：圍巖抗壓強(qiáng)度； σ max：最大地應(yīng)力值； Rt：圍巖抗拉強(qiáng)度； SRF：應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 日本圍巖分級(jí)中的圍巖強(qiáng)度比基準(zhǔn)圍巖種類(lèi) 中硬巖 軟巖 土砂圍巖級(jí)別 D巖類(lèi) E巖類(lèi) F