【文章內(nèi)容簡介】 由此可見支護(hù)阻力的存在，使周邊的徑向應(yīng)力增大由此可見支護(hù)阻力的存在，使周邊的徑向應(yīng)力增大 ,而使而使切向應(yīng)力減小。實質(zhì)上是使直接靠近坑道周邊的巖體的應(yīng)力狀切向應(yīng)力減小。實質(zhì)上是使直接靠近坑道周邊的巖體的應(yīng)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(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。實質(zhì)上就是提高了圍巖的自支護(hù)能力。能力。 (2)在塑性應(yīng)力狀態(tài)下，在塑性應(yīng)力狀態(tài)下， 當(dāng)坑道周邊有徑向支護(hù)阻力當(dāng)坑道周邊有徑向支護(hù)阻力 pa時時，其應(yīng)力值和塑性區(qū)范圍也有所變化。如塑性區(qū)范圍，其應(yīng)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(hù)力時坑道的塑性區(qū)上式表達(dá)了在其條件（上式表達(dá)了在其條件（ Rb 、 ξξ 、 a）已知時，徑向支護(hù)）已知時，徑向支護(hù)阻力阻力 pa與塑性區(qū)與塑性區(qū) ro之間的關(guān)系。該式說明之間的關(guān)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(yīng)減小。這說明徑向支護(hù)阻力相應(yīng)減小。這說明徑向支護(hù)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(hù)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(hù)阻力的一個很重要的支護(hù)作用力的一個很重要的支護(hù)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(hù)阻力砌，即徑向支護(hù)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(shè)設(shè) Rb＝＝ 12Mpa、 φ=176。 、 σσ y =、a=。當(dāng)。當(dāng) 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(jié)果（二）、支護(hù)阻力對坑道周邊位移狀態(tài)的影響（二）、支護(hù)阻力對坑道周邊位移狀態(tài)的影響 坑道應(yīng)力重分布的結(jié)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(nèi)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(hù)阻力也愈小。因此 ,有必要搞清楚支護(hù)支護(hù)阻力 pa與 ua的相互關(guān)系。圓形坑道周邊的支護(hù)力與位移 前面所述前面所述 ,在彈性應(yīng)力狀態(tài)下在彈性應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)下的坑道周邊位移則為而在塑性應(yīng)力狀態(tài)下的坑道周邊位移則為 當(dāng)有支護(hù)阻力當(dāng)有支護(hù)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(hù)阻力分析支護(hù)阻力 pa對位移狀態(tài)的影響：對位移狀態(tài)的影響： 當(dāng)坑道巖體處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時當(dāng)坑道巖體處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時 , 當(dāng)當(dāng) pa=0,而當(dāng)而當(dāng) 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(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。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(dāng)當(dāng) σσ y =50MPa、 E＝＝ 1105MPa 、 μμ ＝＝ 、 c＝＝5MPa、 φφ ＝＝ 30時時 ,pa與與 ua/a的關(guān)系示于圖。的關(guān)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(hù)阻力護(hù)阻力 pa減小減小 ,ua也逐漸增大也逐漸增大 。pa與 ua/a的關(guān)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(dāng)當(dāng) ua/a達(dá)到最大值達(dá)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(fù)擔(dān)了應(yīng)力重分布的全則巖體負(fù)擔(dān)了應(yīng)力重分布的全部結(jié)果。反之部結(jié)果。反之 ,當(dāng)當(dāng) ua/a=0時時 ,則需要有相當(dāng)于的支護(hù)阻力（圖中則需要有相當(dāng)于的支護(hù)阻力（圖中的的 C點）。也就是說點）。也就是說 ,應(yīng)力重分布的全部都要由支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)。應(yīng)力重分布的全部都要由支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)。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(yīng)力重分應(yīng)力重分布的結(jié)果是由巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同負(fù)擔(dān)的（例如圖中的布的結(jié)果是由巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同負(fù)擔(dān)的（例如圖中的 A點）點） ,其中巖體負(fù)擔(dān)的部分是其中巖體負(fù)擔(dān)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(hù)阻力得到支護(hù)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(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展和應(yīng)力變化位移。從而控制了巖體內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展和應(yīng)力變化 ,這就是支這就是支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)實質(zhì)。同時由于支護(hù)阻力的存在也改善了周邊巖護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)實質(zhì)。同時由于支護(hù)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(yīng)地提高了巖體的承載能力。從而相應(yīng)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(yīng)用。設(shè)定坑道半徑 a＝ ，各級圍巖的計算指標(biāo)列于表中。 圍 巖 級別 計 算指 標(biāo)Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ ⅠRb MPaφ 176。c MPaE105 MPaμ605011305020451040535130各級圍巖的計算指標(biāo) II級 III級 IV級 V級 VI級 從計算結(jié)果可以大致看出 :Ⅱ 級圍巖在埋深 1000m以內(nèi) ,基本上是自穩(wěn)的 ,可無須支護(hù)。其他各級圍巖 ,視埋深不同 ,坑道穩(wěn)定性是不同的 ,應(yīng)分別采用不同類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)。 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(diào)地減小。以 Ⅳ 級圍巖為例，當(dāng)埋深為 400m時，如容許位移 ua為 4cm，則所需支護(hù)阻力 pa為3MPa左右。五、圍巖的工程性質(zhì)評價 在預(yù)設(shè)計中，把類似的圍巖按其施工動態(tài)進(jìn)行圍巖分級，并與標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式對應(yīng)，以提高設(shè)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(jìn)行分級的，即把穩(wěn)定性大致相同的地質(zhì)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(guān)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(hù)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(hù)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(gòu)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(jié)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(hù)能力。層間結(jié)合差的平緩巖層，頂板可能彎曲、斷裂。此時應(yīng)采取局部人工支護(hù)或輕型的全面人工支護(hù)。 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(gòu)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(nèi)部（如地下水等）條件影響下，坑道如不及時采取人工支護(hù)會進(jìn)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(hù)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(hù)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(hù)能力，或自支護(hù)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(dǎo)管等超前支護(hù)。坑道的坍塌發(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(hù)措施和特殊的施工方法來保證坑道的穩(wěn)定。 坑道支護(hù)，從性質(zhì)上看，主要分為自支護(hù)和人工支護(hù)兩坑道支護(hù)，從性質(zhì)上看，主要分為自支護(hù)和人工支護(hù)兩部分。自支護(hù)是指圍巖自身所具有的支護(hù)能力。而人工支護(hù)部分。自支護(hù)是指圍巖自身所具有的支護(hù)能力。而人工支護(hù)則指在自支護(hù)能力不充分的條件下，人為地采取的支護(hù)措則指在自支護(hù)能力不充分的條件下，人為地采取的支護(hù)措施。兩者共同構(gòu)成了坑道的永久支護(hù)體系。施。兩者共同構(gòu)成了坑道的永久支護(hù)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(hù)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(hù)能力的降低，從而更充分地利用圍巖自身的自支護(hù)能力，常常需的降低，從而更充分地利用圍巖自身的自支護(hù)能力，常常需要對坑道進(jìn)行一次支護(hù)，也就是所謂的一次支護(hù)。也可以稱要對坑道進(jìn)行一次支護(hù)，也就是所謂的一次支護(hù)。也可以稱謂施工支護(hù)。謂施工支護(hù)。 一次支護(hù)不僅在施工期間能夠維護(hù)坑道的穩(wěn)定或暫時穩(wěn)定一次支護(hù)不僅在施工期間能夠維護(hù)坑道的穩(wěn)定或暫時穩(wěn)定，還能夠與二次支護(hù)一起，發(fā)揮永久支護(hù)的作用。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。在現(xiàn)代的隧道施工中，一次支護(hù)主要采用了噴混凝土、錨桿等道施工中，一次支護(hù)主要采用了噴混凝土、錨桿等 。 襯砌也是人工支護(hù)的一種類型。在目前的設(shè)計原則中，主襯砌也是人工支護(hù)的一種類型。在目前的設(shè)計原則中，主要是在運營期間和初期支護(hù)一起，維護(hù)坑道的長期穩(wěn)定和耐久要是在運營期間和初期支護(hù)一起，維護(hù)坑道的長期穩(wěn)定和耐久性的基本結(jié)構(gòu)。性的基本結(jié)構(gòu)。 根據(jù)坑道穩(wěn)定性的分級和構(gòu)筑支護(hù)方式的組合情況，人工根據(jù)坑道穩(wěn)定性的分級和構(gòu)筑支護(hù)方式的組合情況，人工支護(hù)類型，大體上分為以下支護(hù)類型，大體上分為以下 4類：類： （（ 1）飾面支護(hù)或防護(hù)支護(hù)：利用圍巖的自支護(hù)能力。）飾面支護(hù)或防護(hù)支護(hù)：利用圍巖的自支護(hù)能力。 （（ 2）構(gòu)造支護(hù)：利用圍巖自支護(hù)能力，為防止圍巖在長）構(gòu)造支護(hù)：