【文章內容簡介】 由此可見支護阻力的存在，使周邊的徑向應力增大由此可見支護阻力的存在，使周邊的徑向應力增大 ,而使而使切向應力減小。實質上是使直接靠近坑道周邊的巖體的應力狀切向應力減小。實質上是使直接靠近坑道周邊的巖體的應力狀態(tài)從一維（或二維）受力狀態(tài)變成二維（或三維）受力狀態(tài)，態(tài)從一維（或二維）受力狀態(tài)變成二維（或三維）受力狀態(tài)，因而提高了圍巖的承載能力。實質上就是提高了圍巖的自支護因而提高了圍巖的承載能力。實質上就是提高了圍巖的自支護能力。能力。 (2)在塑性應力狀態(tài)下，在塑性應力狀態(tài)下， 當坑道周邊有徑向支護阻力當坑道周邊有徑向支護阻力 pa時時，其應力值和塑性區(qū)范圍也有所變化。如塑性區(qū)范圍，其應力值和塑性區(qū)范圍也有所變化。如塑性區(qū)范圍 ro可由下可由下式?jīng)Q定：式?jīng)Q定： ro=a[2/(ξ+1)(σ y(ξ1)+R b)/(pa(ξ1)+R b)]1/ξ1 式中：式中： ξξ ＝＝ (1+sinφ)/(1sinφ)周邊作用有支護力時坑道的塑性區(qū)上式表達了在其條件（上式表達了在其條件（ Rb 、 ξξ 、 a）已知時，徑向支護）已知時，徑向支護阻力阻力 pa與塑性區(qū)與塑性區(qū) ro之間的關系。該式說明之間的關系。該式說明 ,隨著隨著 pa的增加的增加 ,塑性塑性區(qū)區(qū) ro相應減小。這說明徑向支護阻力相應減小。這說明徑向支護阻力 pa的存在對形成塑性區(qū)的的存在對形成塑性區(qū)的范圍有直接的影響。它限制了塑性區(qū)域的發(fā)展，這是支護阻范圍有直接的影響。它限制了塑性區(qū)域的發(fā)展，這是支護阻力的一個很重要的支護作用力的一個很重要的支護作用 .例如，若坑道開挖后例如，若坑道開挖后 ,不修筑襯不修筑襯砌，即徑向支護阻力砌，即徑向支護阻力 pa=0時時 ,形成最大塑性區(qū)。形成最大塑性區(qū)。[實例實例 ]:設設 Rb＝＝ 12Mpa、 φ=176。 、 σσ y =、a=。當。當 pa分別為分別為 0、 ，其塑性區(qū)的范時，其塑性區(qū)的范圍列于表。圍列于表。pa（ MPa） 0 2 5 8 ro（ m） α =a/r 塑性區(qū)計算結果（二）、支護阻力對坑道周邊位移狀態(tài)的影響（二）、支護阻力對坑道周邊位移狀態(tài)的影響 坑道應力重分布的結果 ,也必然伴隨著變形的發(fā)展。這種變形表現(xiàn)在坑道直徑的減小 ,即坑道壁向坑道內的徑向位移 ua。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 ,而所需的支護阻力也愈小。因此 ,有必要搞清楚支護支護阻力 pa與 ua的相互關系。圓形坑道周邊的支護力與位移 前面所述前面所述 ,在彈性應力狀態(tài)下在彈性應力狀態(tài)下 ,坑道周邊位移等于坑道周邊位移等于 而在塑性應力狀態(tài)下的坑道周邊位移則為而在塑性應力狀態(tài)下的坑道周邊位移則為 當有支護阻力當有支護阻力 Pa時，上述公式分別為：時，上述公式分別為： 注意式中的注意式中的 r0項中項中 ,包含著包含著 pa項。項。 分析支護阻力分析支護阻力 pa對位移狀態(tài)的影響：對位移狀態(tài)的影響： 當坑道巖體處于彈性應力狀態(tài)時當坑道巖體處于彈性應力狀態(tài)時 , 當當 pa=0,而當而當 ua=0時時 ,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 ,就需要有相當就需要有相當于初始應力大小的支護阻力于初始應力大小的支護阻力 ,使坑道圍巖仍處于初應力狀態(tài)之使坑道圍巖仍處于初應力狀態(tài)之中中 ,顯然這是不可能的。顯然這是不可能的。 圍巖為彈性狀態(tài)時的 p— u曲線 [實例實例 ]：： 當當 σσ y =50MPa、 E＝＝ 1105MPa 、 μμ ＝＝ 、 c＝＝5MPa、 φφ ＝＝ 30時時 ,pa與與 ua/a的關系示于圖。的關系示于圖。 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，反之隨著支護阻力護阻力 pa減小減小 ,ua也逐漸增大也逐漸增大 。pa與 ua/a的關系 開挖后圍巖特征曲線 這種相互作用表明這種相互作用表明 ,當當 ua/a達到最大值達到最大值 ,即即 ua/a(max)〈〈 圖中圖中的的 B點點 〉〉 時坑道仍然是穩(wěn)定的話時坑道仍然是穩(wěn)定的話 ,則巖體負擔了應力重分布的全則巖體負擔了應力重分布的全部結果。反之部結果。反之 ,當當 ua/a=0時時 ,則需要有相當于的支護阻力（圖中則需要有相當于的支護阻力（圖中的的 C點）。也就是說點）。也就是說 ,應力重分布的全部都要由支護結構負擔。應力重分布的全部都要由支護結構負擔。而巖體的承載能力絲毫也沒有利用。在通常情況下而巖體的承載能力絲毫也沒有利用。在通常情況下 ,應力重分應力重分布的結果是由巖體和支護結構共同負擔的（例如圖中的布的結果是由巖體和支護結構共同負擔的（例如圖中的 A點）點） ,其中巖體負擔的部分是其中巖體負擔的部分是 △△ σσ 。因此。因此 ,有人把這條曲線稱之開挖有人把這條曲線稱之開挖后的巖體特征曲線。后的巖體特征曲線。 綜合上述綜合上述 ,得到支護阻力得到支護阻力 pa的存在控制了坑道巖體的變形和的存在控制了坑道巖體的變形和位移。從而控制了巖體內塑性區(qū)的發(fā)展和應力變化位移。從而控制了巖體內塑性區(qū)的發(fā)展和應力變化 ,這就是支這就是支護結構的支護實質。同時由于支護阻力的存在也改善了周邊巖護結構的支護實質。同時由于支護阻力的存在也改善了周邊巖體的承載條件體的承載條件 ,從而相應地提高了巖體的承載能力。從而相應地提高了巖體的承載能力。 四、開挖后的圍巖特性曲線 以單線鐵路隧道為例，具體說明各類圍巖的特征曲線的特征及其應用。設定坑道半徑 a＝ ，各級圍巖的計算指標列于表中。 圍 巖 級別 計 算指 標Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ ⅠRb MPaφ 176。c MPaE105 MPaμ605011305020451040535130各級圍巖的計算指標 II級 III級 IV級 V級 VI級 從計算結果可以大致看出 :Ⅱ 級圍巖在埋深 1000m以內 ,基本上是自穩(wěn)的 ,可無須支護。其他各級圍巖 ,視埋深不同 ,坑道穩(wěn)定性是不同的 ,應分別采用不同類型的支護結構。 圖中是根據(jù)上表數(shù)據(jù) ,a=3m時繪制的圍巖特征曲線。所有的曲線都是隨著 ua的增加 ,pa呈單調地減小。以 Ⅳ 級圍巖為例，當埋深為 400m時，如容許位移 ua為 4cm，則所需支護阻力 pa為3MPa左右。五、圍巖的工程性質評價 在預設計中，把類似的圍巖按其施工動態(tài)進行圍巖分級，并與標準支護模式對應，以提高設計的效率和合理化程度。 我國鐵路隧道和公路隧道采用同樣的圍巖分級方法，把圍巖基本上分為六級 。 隧道圍巖分級是以坑道穩(wěn)定性為前提進行分級的，即把穩(wěn)定性大致相同的地質條件歸屬于同樣穩(wěn)定性的一級。 從根本上說，在坑道工程中，如何保證坑道的暫時穩(wěn)定（施工期間）和長期穩(wěn)定（運營期間）始終是一個基本的、關鍵性的問題。而要做到這一點，就要從理論上、實踐上解決坑道穩(wěn)定性的問題。 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條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。 根據(jù)鐵路隧道施工實踐，隧道開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)分為以下四類： 1）坑道充分穩(wěn)定 無需任何人工支護而能維持穩(wěn)定，無坍塌、偶爾有掉塊。在特殊情況下會出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。 2）坑道穩(wěn)定 在大塊狀構造的巖體及整體狀的中硬巖（ Rb30MPa）中開挖坑道時，坑道會因爆破、巖塊結合松弛而產(chǎn)生局部掉塊，但不會引起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的，圍巖具有一定的自支護能力。層間結合差的平緩巖層，頂板可能彎曲、斷裂。此時應采取局部人工支護或輕型的全面人工支護。 3）坑道暫時穩(wěn)定 大多數(shù)坑道都屬于這個類型。在具有碎（石）塊（石）狀構造的圍巖中，坑道開挖后常常呈現(xiàn)出不同程度的坍塌現(xiàn)象，坍塌后的坑道常呈拱形處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)。暫時穩(wěn)定的時間，有長有短。在外界（如爆破、支撐頂替、回填不及時等）和內部（如地下水等）條件影響下，坑道如不及時采取人工支護會進一步喪失穩(wěn)定。因此，在這種圍巖中，必須采取各種類型的人工支護措施。 4）坑道不穩(wěn)定 在塊石土、堆積土等圍巖中，坑道在不支護條件下是難于開挖的，隨挖隨塌，常常要先支后挖，圍巖無自支護能力，或自支護時間極短，即需要采取穩(wěn)定掌子面的輔助施工方法，如管棚、小導管等超前支護?？拥赖奶l(fā)生迅速、影響范圍大，在淺埋條件下，有時可塌到地表面或在地面形成沉陷盆地。在有水的情況下，土體流動造成極大荷載。在這種情況下，需要采取專門的人工支護措施和特殊的施工方法來保證坑道的穩(wěn)定。 坑道支護，從性質上看，主要分為自支護和人工支護兩坑道支護，從性質上看，主要分為自支護和人工支護兩部分。自支護是指圍巖自身所具有的支護能力。而人工支護部分。自支護是指圍巖自身所具有的支護能力。而人工支護則指在自支護能力不充分的條件下，人為地采取的支護措則指在自支護能力不充分的條件下，人為地采取的支護措施。兩者共同構成了坑道的永久支護體系。施。兩者共同構成了坑道的永久支護體系。 在施工期間為了保證施工安全、減少坑道圍巖松弛、及在施工期間為了保證施工安全、減少坑道圍巖松弛、及時地控制地壓的發(fā)展，更主要的是為了控制圍巖自支護能力時地控制地壓的發(fā)展，更主要的是為了控制圍巖自支護能力的降低，從而更充分地利用圍巖自身的自支護能力，常常需的降低，從而更充分地利用圍巖自身的自支護能力，常常需要對坑道進行一次支護，也就是所謂的一次支護。也可以稱要對坑道進行一次支護，也就是所謂的一次支護。也可以稱謂施工支護。謂施工支護。 一次支護不僅在施工期間能夠維護坑道的穩(wěn)定或暫時穩(wěn)定一次支護不僅在施工期間能夠維護坑道的穩(wěn)定或暫時穩(wěn)定，還能夠與二次支護一起，發(fā)揮永久支護的作用。在現(xiàn)代的隧，還能夠與二次支護一起，發(fā)揮永久支護的作用。在現(xiàn)代的隧道施工中，一次支護主要采用了噴混凝土、錨桿等道施工中，一次支護主要采用了噴混凝土、錨桿等 。 襯砌也是人工支護的一種類型。在目前的設計原則中，主襯砌也是人工支護的一種類型。在目前的設計原則中，主要是在運營期間和初期支護一起，維護坑道的長期穩(wěn)定和耐久要是在運營期間和初期支護一起，維護坑道的長期穩(wěn)定和耐久性的基本結構。性的基本結構。 根據(jù)坑道穩(wěn)定性的分級和構筑支護方式的組合情況，人工根據(jù)坑道穩(wěn)定性的分級和構筑支護方式的組合情況，人工支護類型，大體上分為以下支護類型，大體上分為以下 4類：類： （（ 1）飾面支護或防護支護：利用圍巖的自支護能力。）飾面支護或防護支護：利用圍巖的自支護能力。 （（ 2）構造支護：利用圍巖自支護能力，為防止圍巖在長）構造支護：