隧道支護地層結(jié)構(gòu)方法及計算規(guī)定

PAGEPAGE38隧道支護地層結(jié)結(jié)構(gòu)分析方方法及計算算規(guī)定（楊林德、朱合合合華、丁丁文其其）第一節(jié)一般規(guī)規(guī)規(guī)定8.1.1設(shè)設(shè)設(shè)計模型型1、與地層—結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)分析方方法法相應(yīng)的的隧道道設(shè)計模模型是是地層—結(jié)構(gòu)模型型。其其設(shè)計理理念，是是認為圍圍巖具具有自支支承能能力，支支護（含含襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)，下下同）的的作用用是加固固圍巖巖，并與與圍巖巖聯(lián)合組組成共共同受力力的整整體，共共同承承受荷載載的作作用。2、采用地層———結(jié)構(gòu)分析析方方法進行行設(shè)計計計算時時，計計算區(qū)范范圍應(yīng)應(yīng)同時包包含支支護和圍圍巖地地層。3、采用地層———結(jié)構(gòu)分析析方方法進行行設(shè)計計計算時時，應(yīng)應(yīng)同時考考慮開開挖施工工步驟驟的影響響。初初步設(shè)計計階段段可按常常規(guī)施施工方法法選定定開挖施施工步步驟，施施工圖圖設(shè)計階階段應(yīng)應(yīng)改按施施工組組織設(shè)計計制定定的技術(shù)術(shù)方案案確定。4、采用地層———結(jié)構(gòu)分析析方方法設(shè)計計隧道道時，應(yīng)應(yīng)同時時檢驗圍圍巖的的穩(wěn)定性性和支支護結(jié)構(gòu)構(gòu)的受受力變形形狀態(tài)態(tài)是否滿滿足強強度條件件及按按使用要要求確確定的變變形量量限制條條件。5、采用地層———結(jié)構(gòu)分析析方方法設(shè)計計隧道道時，內(nèi)內(nèi)襯結(jié)結(jié)構(gòu)的工工作狀狀態(tài)應(yīng)為為彈性性受力狀狀態(tài)，或或經(jīng)論證證認為為仍可保保持穩(wěn)穩(wěn)定的彈彈塑性性受力狀狀態(tài)；；初期支支護（含含開挖階階段增增設(shè)的噴噴射混混凝土層層）和和圍巖的的工作作狀態(tài)可可為彈彈塑性受受力狀狀態(tài)。8.1.2地地地層—結(jié)構(gòu)分析析方方法的適適用地地質(zhì)條件件1、地層—結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)分析方法法的的基礎(chǔ)理理念，是是認為圍圍巖具具有自支支承能能力，并并可由由其與支支護結(jié)結(jié)構(gòu)共同同組成成承載體體系。因因而這類類方法法適用于于在具具有一定定自支支承能力力的圍圍巖中建建造的的隧道支支護結(jié)結(jié)構(gòu)的計計算。2、V級及V級級以上的圍巖巖巖都具有一一定定的自支支承能能力，因因而都都可采用用地層層—結(jié)構(gòu)分析析方方法進行行設(shè)計計計算。3、Ⅲ級及Ⅲ級級以上的圍巖巖巖自支承能能力力強，對對在這這些級別別的圍圍巖中建建造的的隧道，經(jīng)經(jīng)驗驗表明對對支護護結(jié)構(gòu)根根據(jù)經(jīng)經(jīng)驗選定定設(shè)計計參數(shù)時時已可可使圍巖巖保持持穩(wěn)定，因因而而規(guī)范規(guī)規(guī)定一一般不要要求進進行計算算。4、IV級、VV級圍巖巖中建建造的隧隧道一一般采用用復(fù)合合式支護護，對對其宜采采用地地層—結(jié)構(gòu)分析析方方法進行行設(shè)計計計算。但但對對在V級圍巖中中建建造的淺淺埋隧隧道，圍圍巖承承載能力力較低低時仍宜宜采用用荷載-結(jié)構(gòu)分析析方方法計算算。5、IV級圍巖巖的自支支承能能力優(yōu)于V級圍巖，采采采用地層—結(jié)構(gòu)分析析方方法進行行設(shè)計計計算時時，宜宜通過控控制荷荷載釋放放過程程，使IV級圍巖中中隧隧道內(nèi)襯襯結(jié)構(gòu)構(gòu)經(jīng)受的的荷載載相對較較小，圍圍巖的自自支承承能力可可適度度充分發(fā)發(fā)揮。6、VI級圍巖巖的自支支承能能力差，宜宜采采用荷載—結(jié)構(gòu)分析析方方法對支支護結(jié)結(jié)構(gòu)進行行設(shè)計計計算。8.1.3計算算算方法及及其適適用場合合1、地層—結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)分析方法法的的計算方方法可可分為解解析解解和數(shù)值值法二二類。其其中解解析解只只適用用于均勻勻介質(zhì)質(zhì)中的圓圓形隧隧道，且且只能能計算若若干典典型工況況。對對公路隧隧道的的設(shè)計，可可供供采用的的計算算方法通通常是是數(shù)值法法。2、地層—結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)分析方法法的的數(shù)值法法可分分為有限限單元元法（FEM）、特征征單單元法（DDA）、邊界界單單元法（BEM）和有限限差差分法（FDM）等。3、有限單元法法法因有既可可模模擬各級級圍巖巖的性態(tài)態(tài)特征征，又能能反映映斷層、節(jié)節(jié)理理等地質(zhì)質(zhì)構(gòu)造造的影響響，并并能對開開挖施施工過程程實行行動態(tài)追追蹤等等顯著優(yōu)優(yōu)點，因因而適用用于各各級圍巖巖（硬硬巖或軟軟巖）中中的公路路隧道道設(shè)計的的計算算。同時時由于于目前已已有多多種包括括前、后后處理在在內(nèi)的的功能強強大的的程序軟軟件可可供采用用，這這類方法法是目目前最常常采用用的一類類算法法。4、特征單元法法法可較好模模擬擬塊體結(jié)結(jié)構(gòu)的的性態(tài)，因因而而適用于于圍巖巖地層為為塊體體狀結(jié)構(gòu)構(gòu)的硬硬巖地層層中的的公路隧隧道的的設(shè)計。然然因因查明塊塊體結(jié)結(jié)構(gòu)分布布的幾幾何特征征及合合理確定定結(jié)構(gòu)構(gòu)面性狀狀的參參數(shù)均需需開展展較多的的地質(zhì)質(zhì)調(diào)查工工作，公公路隧道道設(shè)計計很難滿滿足這這一要求求，因因而這類類方法法一般僅僅在規(guī)規(guī)模較大大的大大跨度地地下結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)設(shè)計研研究中采采用。5、邊界單元法法法用于均勻勻介介質(zhì)中的的彈性性、粘彈彈性問問題的計計算時時才比有有限單單元法簡簡捷，一一般僅適適用于于圍巖介介質(zhì)的的性態(tài)可可用彈彈性、粘粘彈性性模型近近似模模擬時的的公路路隧道的的設(shè)計計計算。6、有限差分法法法因?qū)⒖刂浦品椒匠谈脑煸鞛椴畈罘址匠坛潭呔哂猩僬颊純?nèi)存存等顯著著優(yōu)點點，目前前已為為FLAC等程序吸吸收收，可供供各級級圍巖（硬硬巖巖或軟巖巖）中中的公路路隧道道設(shè)計計計算采采用。8.1.4地地地層—結(jié)構(gòu)分析析方方法的荷荷載1、采用地層———結(jié)構(gòu)分析析方方法設(shè)計計公路路隧道時時，作作用在隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)上的的荷載載可按《公公路路隧道設(shè)設(shè)計規(guī)規(guī)范》JTGDD70--20004表6.1..1分類，并并按按規(guī)范提提出的的方法計計算。但但其中的的圍巖巖壓力應(yīng)應(yīng)為釋釋放荷載載。2、采用地層結(jié)構(gòu)分析析方方法進行行隧道道設(shè)計計計算時時，對在在隧道道結(jié)構(gòu)上上可能能同時出出現(xiàn)的的荷載，應(yīng)應(yīng)按按規(guī)范規(guī)規(guī)定的的原則進進行組組合，并并按最最不利組組合進進行計算算和設(shè)設(shè)計。3、地層-結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)分析方法法對對初期支支護和和二次襯襯砌的的計算都都適用用，但在在進行行具體計計算時時，對不不同階階段的計計算應(yīng)應(yīng)根據(jù)實實際情情況取用用不同同的荷載載組合合。4、釋放荷載與與與初始地應(yīng)應(yīng)力力、圍巖巖材料料的性態(tài)態(tài)、開開挖施工工步驟驟及結(jié)構(gòu)構(gòu)施做做時機等等有關(guān)關(guān)。工程程設(shè)計計中，釋釋放荷荷載的計計算需需按當前前地應(yīng)應(yīng)力（不不一定定是初始始地應(yīng)應(yīng)力）計計算。各各類因素素的影影響，則則可由由根據(jù)開開挖施施工步驟驟和支支護施做做時機機等設(shè)定定相應(yīng)應(yīng)的荷載載釋放放過程體體現(xiàn)。5、對初期支護護護的設(shè)計計計算算，級別別相對對較高的的圍巖巖可取用用較大大的釋放放荷載載分擔比比，使使初期支支護和和圍巖承承受較較大的荷荷載，結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生生較小小的變形形；級級別相對對較低低的圍巖巖，則則相反。6、鑒于圍巖材材材料的變形形常常隨時間間而增增長，由由數(shù)層層噴射混混凝土土層和內(nèi)內(nèi)襯結(jié)結(jié)構(gòu)聯(lián)合合組成成復(fù)合式式支護護時，各各層支支護結(jié)構(gòu)構(gòu)經(jīng)受受圍巖壓壓力作作用的程程度將將有差異異。這這類力學(xué)學(xué)現(xiàn)象象也可通通過控控制荷載載釋放放過程模模擬，即即將與初初期支支護（含含開挖挖階段增增設(shè)的的噴射混混凝土土層）和和圍巖巖的受力力狀態(tài)態(tài)相應(yīng)的的釋放放荷載分分擔比比（即《公公路路隧道設(shè)設(shè)計規(guī)規(guī)范》JTTGGD770--20004條條文說明明中表表9-1的第第一一列數(shù)據(jù)據(jù)），按支護護層層數(shù)(不含內(nèi)襯襯結(jié)結(jié)構(gòu))合理分配配。第二節(jié)初始始始地應(yīng)力力與開開挖效應(yīng)應(yīng)8.2.1初初初始地應(yīng)應(yīng)力8.2.1.111初始地應(yīng)應(yīng)力力的含義義與組組成1、初始地應(yīng)力力力是指天然然狀狀態(tài)下存存在于于巖體或或土體體介質(zhì)內(nèi)內(nèi)部的的應(yīng)力。2、在未經(jīng)擾動動動的巖層中中開開挖隧道道時，巖巖體內(nèi)部部存在在的應(yīng)力力即為為初始地地應(yīng)力力，相應(yīng)應(yīng)的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)可稱稱為初始始應(yīng)力力狀態(tài)。3、在先期經(jīng)受受受過開挖擾擾動動影響的的巖層層中開挖挖隧道道時，巖巖體內(nèi)內(nèi)部存在在的應(yīng)應(yīng)力并不不是初初始地應(yīng)應(yīng)力，而而是包含含先期期開挖擾擾動影影響的合合應(yīng)力力，但相相應(yīng)的的應(yīng)力狀狀態(tài)仍仍可稱為為初始始應(yīng)力狀狀態(tài)。4、初始地應(yīng)力力力由初始自自重重應(yīng)力及及構(gòu)造造應(yīng)力組組成，表表達式可可寫為為：（8-2-1）式中：—初始地地地應(yīng)力；；—自重應(yīng)力分量量量；—構(gòu)造應(yīng)力分量量量。8.2.1.222初始地應(yīng)應(yīng)力力的確定定方法法1、初始地應(yīng)力力力的確定方方法法有水壓壓致裂裂法、鉆鉆孔應(yīng)應(yīng)力法、位位移移反分析析法和和回歸分分析法法等。前前兩種種方法屬屬于直直接測量量法，后后兩種方方法屬屬于反分分析法法。其中中直接接測量法法通常常有需要要經(jīng)費費較多、花花費費時間較較長的的顯著弱弱點，回回歸分析析法需需在工程程所在在地區(qū)的的數(shù)個個點上測測得地地應(yīng)力值值后才才能采用用，因因而通常常都僅僅適用于于水電電站工程程等的的設(shè)計研研究。對對公路隧隧道，這這些方法法一般般僅在長長度特特長，地地質(zhì)條條件特復(fù)復(fù)雜的的場合才才考慮慮采用。2、水壓致裂法法法通過測量量垂垂直鉆孔孔的孔孔壁開始始出現(xiàn)現(xiàn)張裂縫縫時的的破裂水水壓力力和在水水泵停停開后使使水壓壓裂縫保保持張張開狀態(tài)態(tài)所必必須的封封井壓壓力，進進而得得出地應(yīng)應(yīng)力值值。水壓壓致裂裂法用于于測量量深層巖巖體的的地應(yīng)力力時，測測得的地地應(yīng)力力即為測測點的的初始地地應(yīng)力力。適用用于初初始地應(yīng)應(yīng)力的的一個主主應(yīng)力力為垂直直應(yīng)力力的情況況。3、鉆孔應(yīng)力法法法通過量測測套套芯應(yīng)力力解除除前后鉆鉆孔孔孔徑的變變化確確定地應(yīng)應(yīng)力。鉆鉆孔深度度超過過擾動影影響區(qū)區(qū)時測得得的地地應(yīng)力即即為測測點的初初始地地應(yīng)力。適適用用于測點點范圍圍內(nèi)巖性性均勻勻，且?guī)r巖芯無無大的裂裂隙通通過的情情況。4、位移反分析析析法1）位移反分析析析法利用在在工工程現(xiàn)場場測得得的，由由開挖挖擾動引引起的的位移量量確定定初始地地應(yīng)力力，因分分析過過程（位位移→荷載）與與常常見過程程（荷荷載→位移）相相反反而得名名。按按算法特特點可可分為正正反分分析法和和逆反反分析法法兩類類。后者者由正正分析計計算的的逆解過過程確確定初始始地應(yīng)應(yīng)力，因因?qū)Ψ欠蔷€性問問題的的分析難難于得得到解析析式，以以及需要要針對對各類具具體情情況分別別編制制專用程程序而而很少采采用；；前者則則通過過正分析析計算算的優(yōu)化化逆解解逼近過過程確確定初始始地應(yīng)應(yīng)力，因因可主主要采用用常用用正算程程序計計算而顯顯得簡簡便。目目前采采用的方方法一一般都是是正反反分析法法。2）采用正反分分分析法確定定初初始地應(yīng)應(yīng)力時時，可供供采用用的用于于促使使優(yōu)化過過程收收斂的算算法有有單純形形法、阻阻尼最小小二乘乘法、遺遺傳算算法、遺遺傳模模擬退火火算法法以及混混合遺遺傳算法法等，用用于約束束優(yōu)化化過程的的目標標函數(shù)可可統(tǒng)一一表示為為：（8-2-2）式中：—目標函函函數(shù)；—位移量實測值值值；—位移量真值；；；—位移量測值個個個數(shù)。3）采用正反分分分析法確定定初初始地應(yīng)應(yīng)力時時，需先先對初初始地應(yīng)應(yīng)力場場的分布布規(guī)律律作假設(shè)設(shè)。通通常認為為在工工程活動動涉及及的巖層層內(nèi)，自自重應(yīng)力力自上上而下呈呈線性性規(guī)律分分布（地地表為零零），構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力力可假假設(shè)為均均布應(yīng)應(yīng)力，或或沿深深度分段段均布布的應(yīng)力力，或或沿深度度呈線線性規(guī)律律分布布的應(yīng)力力（地地表不一一定為為零）。4）采用正反分分分析法確定定初初始地應(yīng)應(yīng)力時時，目標標未知知數(shù)宜選選為沿沿計算區(qū)區(qū)域的的邊界分分布的的應(yīng)力。求求得得邊界應(yīng)應(yīng)力后后，即可可由數(shù)數(shù)值分析析的正正演方法法算得得計算區(qū)區(qū)域內(nèi)內(nèi)各點的的初始始地應(yīng)力力。5）按計算區(qū)域域域的幾何特特征征，正反反分析析法可分分為二二維平面面應(yīng)變變問題和和三維維空間問問題的的反分析析方法法兩類。前前者者采用的的目標標未知數(shù)數(shù)為沿沿邊界線線均布布或線性性分布布的線荷荷載（應(yīng)應(yīng)力），后后者者則為沿沿邊界界面均布布或線線性分布布的面面荷載（應(yīng)應(yīng)力力）。6）對計算區(qū)域域域的邊界需需設(shè)設(shè)定邊界界條件件時，采采用的的方法宜宜與數(shù)數(shù)值分析析的正正演分析析法相相同。7）根據(jù)上述原原原則建立的的正正反分析析法可可有許多多種，8.2..11.3列出的正正算算逆解逼逼近法法為其中中之一一，適用用于可可簡化為為平面面應(yīng)變問問題計計算的情情況，可可供參考考。8）鑒于圍巖位位位移量的量量測測值與初初始地地應(yīng)力及及工程程巖體的的彈性性參數(shù)值值（尤尤其是彈彈性模模量值或或變形形模量值值）都都關(guān)系密密切，采采用位移移反分分析法確確定初初始地應(yīng)應(yīng)力時時，應(yīng)同同時確確定彈性性參數(shù)數(shù)值。5、回歸分析法法法1）回歸分析法法法類屬應(yīng)力力反反分析法法，特特點為利利用散散布在工工程所所在區(qū)域域內(nèi)的的數(shù)個地地點的的初始地地應(yīng)力力實測值值，借借助根據(jù)據(jù)數(shù)理理統(tǒng)計原原理建建立的優(yōu)優(yōu)化過過程反演演確定定區(qū)域范范圍內(nèi)內(nèi)的初始始地應(yīng)應(yīng)力場的的分布布規(guī)律，從從而而得出工工程建建設(shè)地點點的初初始地應(yīng)應(yīng)力的的估計值值。2）采用回歸分分分析法確定定工工程所在在區(qū)域域的初始始地應(yīng)應(yīng)力場的的分布布時，可可供采采用的用用于促促使優(yōu)化化過程程收斂的的算法法可與位位移反反分析法法相同同，用于于約束束優(yōu)化過過程的的目標函函數(shù)則則需表示示為:（8-2-3）式中：—應(yīng)力分分分量的量量測值值；—應(yīng)力分量的真真真值；N—測點數(shù)；—加權(quán)系數(shù)，一一一般可令＝＝1。3）采用回歸分分分析法確定定初初始地應(yīng)應(yīng)力時時，也需需先對對初始地地應(yīng)力力場的分分布規(guī)規(guī)律作假假設(shè)。其其原則，可可與與位移反反分析析法相同同。4）采用回歸分分分析法確定定初初始地應(yīng)應(yīng)力時時，計算算方法法均屬三三維空空間問題題的反反分析法法，目目標未知知數(shù)常常選為邊邊界面面力。求求得邊邊界面力力后，再再由數(shù)值值分析析的正演演分析析方法算算得工工程所在在部位位的初始始地應(yīng)應(yīng)力。5）對計算區(qū)域域域的邊界需需設(shè)設(shè)定邊界界條件件時，采采用的的方法宜宜與數(shù)數(shù)值分析析的正正演分析析法相相同。6、在丘陵地帶帶帶建造公路路隧隧道時，圍圍巖巖的初始始地應(yīng)應(yīng)力場通通常即即是自重重應(yīng)力力場，其其分布布規(guī)律可可借助助正演分分析的的數(shù)值方方法通通過計算算確定定，也可可將垂垂直應(yīng)力力取為為上覆地地層重重量之和和，并并按給定定水平平側(cè)壓力力系數(shù)數(shù)法確定定側(cè)壓壓力。后后者的的計算公公式可可參見《公公路路隧道設(shè)設(shè)計規(guī)規(guī)范》JTTGGD770--20004中中的附錄J，或有關(guān)關(guān)文文獻。8.2.1.333二維平面面應(yīng)應(yīng)變問題題反分分析計算算的正正算逆解解逼近近法1、線彈性問題題題的反分析析方方法1）基本假設(shè)（1）隧道圍巖巖的的工作狀態(tài)態(tài)態(tài)為線彈彈性受受力狀態(tài)態(tài)。（2）橫斷面上上隧隧道圍巖的的的受力變變形狀狀態(tài)符合合平面面應(yīng)變假假設(shè)。（3）某一地點點橫橫斷面上隧隧隧道圍巖巖的初初始地應(yīng)應(yīng)力由由線性分分布的的自重應(yīng)應(yīng)力和和均布構(gòu)構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力組成成。2）基本方程（1）對二維平平面面應(yīng)變問題題題，在滿滿足最最小二乘乘原理理條件下下，線線彈性問問題位位移反分分析計計算的基基本方方程為：：（8-2-4）式中：N－位移移移量測值值的總總數(shù)；－第k個位移量量的實實測值；；－由自重應(yīng)力引引引起的，測測點點在量測測方向向上的位位移量量（指由由與自自重應(yīng)力力相應(yīng)應(yīng)的釋放放荷載載引起的的位移移）；－均布構(gòu)造應(yīng)力力力分量的的量值值；－由單位均布構(gòu)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力力＝1引起的，測測測點在量量測方方向上的的位移移量（指指由與與＝1相應(yīng)的釋釋放放荷載引引起的的位移）。（2）式（8--22-4）中中為實測值值，和和為可由數(shù)數(shù)值值分析的的正演演方法得得出的的已知值值，但但因、的量值包包含含圍巖材材料彈彈性性態(tài)態(tài)參數(shù)數(shù)的影響響，反反分析計計算的的目標未未知數(shù)數(shù)需同時時包括括隧道計計算斷斷面上的的均布布構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力分分量及圍圍巖材材料的、值。但對對具具體工程程的分分析，可可在根根據(jù)地質(zhì)質(zhì)條件件選定、值的基礎(chǔ)礎(chǔ)上上，僅將將均布布構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力分分量作為為反分分析計算算的目目標未知知數(shù)。（3）采用這一一方方法計算時時時，初始始地應(yīng)應(yīng)力分量量的計計算式為為：（8-2--55）式中：－橫斷面面面上隧道道圍巖巖中的初初始地地應(yīng)力分分量；；－橫斷面上隧道道道圍巖中中與自自重相應(yīng)應(yīng)的地地應(yīng)力分分量。的含義與式（888-2--4）相相同。3）計算方法（1）采用這一一方方法進行計計計算時，可可先先算得、，將其連連同同代入式（8-2--4），得到到關(guān)關(guān)于的三元元一一次線性性代數(shù)數(shù)方程組組，由由其解得得，然然后由式式（88-2--5）確確定初始始地應(yīng)應(yīng)力。（2）、可采采用數(shù)值分析析析的正演方方法法計算，常常用用方法為為有限限元方法法。注注意兩者者的荷荷載應(yīng)分分別為為與自重重應(yīng)力力及＝1相應(yīng)的釋釋放放荷載。（3）采用這一一方方法進行計計計算時，圍圍巖巖地層的的彈性性參數(shù)需需同時時確定。通通常?？上雀鶕?jù)地地質(zhì)條件件選定定E、值，通過過反反分析計計算確確定，然后后根根據(jù)算得與與量量測位移移相應(yīng)應(yīng)的位移移量。如如果兩者者相差差較大，則則調(diào)調(diào)整E值后重新新進進行反分分析計計算，直直到兩兩者相差差較小小。計算算過程程中，用用于約約束優(yōu)化化過程程的目標標函數(shù)數(shù)即為式式（8-2--2）。2、彈塑性問題題題的反分析析方方法1）基本假設(shè)除假設(shè)隧道圍巖巖巖的工作作狀態(tài)態(tài)可為彈彈塑性性受力狀狀態(tài)外外，其余余假設(shè)設(shè)均與線線彈性性問題的的反分分析方法法相同同。2）基本方程（1）對二維平平面面應(yīng)變問題題題，在滿滿足最最小二乘乘原理理條件下下，彈彈塑性問問題位位移反分分析計計算的基基本方方程可選選為：：（8-2-66）式中為彈塑性受受受力狀態(tài)態(tài)下，由由單位均均布構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力力＝1引起的，測測測點在量量測方方向上的的位移移量（指指由與與＝1相應(yīng)的釋釋放放荷載引引起的的位移）。其其余符號的含含義均與式（8-2-4）相同。（2）式（8--22-6）中仍為實實測測值，、也仍為可可由由數(shù)值分分析的的正演方方法得得出的已已知值值，但因因、的量值包包含含圍巖材材料彈彈塑性性性態(tài)參參數(shù)的影影響，反反分析計計算的的目標未未知數(shù)數(shù)需同時時包括括隧道計計算斷斷面上的的均布布構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力分分量及圍圍巖材材料的E、、、值。這類類問問題屬于于高度度非線性性問題題。對具具體工工程的分分析，仍仍可在根根據(jù)地地質(zhì)條件件選定定E、、、值的基礎(chǔ)礎(chǔ)上上，僅將將均布布構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力作作為反分分析計計算的基基本未未知數(shù)。（3）采用這一一方方法計算時時時，理論論上初初始地應(yīng)應(yīng)力的的計算式式仍為為式（8-2--5），然因因彈彈塑性問問題分分析的計計算方方法多為為增量量迭代法法，初初始地應(yīng)應(yīng)力的的計算也也將包包含迭代代修正正過程。3）計算方法（111）與彈性性問問題的反反分析析相比較較，采采用這一一方法法計算時時，仍仍可先算算得、，后由式式（8-2--6）解得，及及由由式（8-2--5）確定初初始始地應(yīng)力力，區(qū)區(qū)別是這這時、的計算包包含含圍巖材材料彈彈塑性性性態(tài)的的影響，使使、及的取值均均需需經(jīng)過迭迭代修修正，才才能最最終確定定。（2）與彈性問問題題的反分析析析比較，、仍可采用用數(shù)數(shù)值分析析的正正演方法法計算算，兩者者的荷荷載也仍仍分別別為與自自重應(yīng)應(yīng)力及=1相應(yīng)的釋釋放放荷載，區(qū)區(qū)別別是計算算過程程需考慮慮圍巖巖地層材材料進進入彈塑塑性狀狀態(tài)后對對變形形的影響響，尤尤應(yīng)注意意計算算時圍巖地地層層的應(yīng)力力水平平應(yīng)高于于自重重應(yīng)力。具具體體計算方方法可可有多種種。用用于工程程問題題的分析析時，可可根據(jù)采采用的的計算程程序選選用。（3）采用以上上方方法計算時時時，如根根據(jù)由由反分析析計算算確定的的算得得的位移移量的的計算值值與實實測值相相比誤誤差持續(xù)續(xù)較大大，可重重新選選定、、、值后再進進行行反分析析計算算。8.2.2開開開挖效應(yīng)應(yīng)8.2.2.111開挖效應(yīng)應(yīng)的的含義隧道開挖后，地地地層的初初始應(yīng)應(yīng)力平衡衡狀態(tài)態(tài)被破壞壞，洞洞周圍巖巖將在在沿隧道道周邊邊分布的的，與與初始應(yīng)應(yīng)力大大小相等等、方方向相反反的不不平衡力力作用用下發(fā)生生變形形，由此此產(chǎn)生生附加應(yīng)應(yīng)力場場與位移移場。這這類由隧隧道開開挖引起起的沿沿隧道洞洞周作作用的不不平衡衡力習稱稱釋放放荷載，在在釋釋放荷載載作用用下圍巖巖產(chǎn)生生附加應(yīng)應(yīng)力場場與位移移場的的現(xiàn)象稱稱開挖挖效應(yīng)。8.2.2.222開挖效應(yīng)應(yīng)的的計算原原理與與方法1、開挖效應(yīng)可可可通過在洞洞周周邊界上上設(shè)置置釋放荷荷載進進行計算算，常常用的計計算方方法為有有限單單元法。2、釋放荷載是是是與隧道洞洞周周上的初初始圍圍巖應(yīng)力力大小小相等、方方向向相反的的分布布應(yīng)力。在在未未經(jīng)擾動動的巖巖體中開開挖隧隧道時，初初始始圍巖應(yīng)應(yīng)力即即為初始始地應(yīng)應(yīng)力；在在已擾擾動過的的巖體體中開挖挖隧道道時，應(yīng)應(yīng)為圍圍巖當前前的初初始應(yīng)力力。3、采用有限元元元方法計算算時時，釋放放荷載載需轉(zhuǎn)化化為等等效結(jié)點點力。4、釋放荷載及及及其等效結(jié)結(jié)點點力的計計算方方法見8.2..3，采用有有限限元方法法計算算開挖效效應(yīng)的的具體方方法見見8.5..4。8.2.3釋釋釋放荷載載的計計算方法法8.2.3.111計算方法法的的種類及及其適適用場合合1、釋放荷載可可可采用單元元應(yīng)應(yīng)力法、繞繞結(jié)結(jié)點平均均法或或Mana法計算。2、上述三類方方方法都可用用于于計算釋釋放荷荷載。但但因Mana法在建立立具具體算法法時對對邊界結(jié)結(jié)點間間圍巖應(yīng)應(yīng)力場場變化規(guī)規(guī)律的的假設(shè)與與有限限單元法法相同同，并由由此易易于編制制程序序，因而而宜優(yōu)優(yōu)先采用用。8.2.3.222單元應(yīng)應(yīng)力力法1、采用單元應(yīng)應(yīng)應(yīng)力法計算算時時，需先先根據(jù)據(jù)初始地地應(yīng)力力或與前前一步步開挖相相應(yīng)的的應(yīng)力場場，算算得預(yù)計計開挖挖邊界上上各結(jié)結(jié)點的應(yīng)應(yīng)力，并并假定各各結(jié)點點間的應(yīng)應(yīng)力呈呈線性分分布，然然后反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)開挖挖邊界上上各結(jié)結(jié)點應(yīng)力力的方方向(即改變其其符符號)，得到釋釋放放荷載。2、將開挖邊界界界上呈線性性分分布的釋釋放荷荷載轉(zhuǎn)化化為等等效結(jié)點點力的的計算式式為：：（8-2-7）（8-2-8）式中：、、—分分分別為結(jié)結(jié)點i上與初始始地地應(yīng)力或或與前前一步開開挖相相應(yīng)的正正應(yīng)力力和剪應(yīng)應(yīng)力分分量（見見圖88-2--1）；；、—分別為結(jié)點點ii在x及z軸方向上上的的等效結(jié)結(jié)點力力；、—分別為結(jié)點點ii在x及z軸方向上上的的坐標值值。圖8-2-1等效結(jié)點點力力示意圖圖8.2.3.333繞結(jié)點平平均均法1、繞結(jié)點平均均均法將圍繞繞該該結(jié)點的的各單單元的應(yīng)應(yīng)力的的平均值值作為為該結(jié)點點的應(yīng)應(yīng)力值，并并假假設(shè)各結(jié)結(jié)點間間的應(yīng)力力呈線線性分布布，然然后反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)開挖挖邊界上上各點點應(yīng)力的的方向向，將其其作為為釋放荷荷載。2、結(jié)點應(yīng)力值值值的計算式式為為：（8-2-9）式中：—結(jié)點iii的平均應(yīng)應(yīng)力力值；—圍繞該結(jié)點的的的全部單元元的的總數(shù)。3、計算結(jié)點應(yīng)應(yīng)應(yīng)力的平均均值值時，也也可引引入面積積加權(quán)權(quán)系數(shù)，即即可可將式（8-2--9）改寫為為：：（8-2-1000）式中為任意單元元元e的面積，其其其余符號號的含含義同式式（8-2--9）。4、采用繞結(jié)點點點平均法計計算算時，等等效結(jié)結(jié)點力的的計算算式仍為為式（8-2--7）及式（8-2--8）。8.2.3.444Mannaa法1、Mana法法通通過單元應(yīng)應(yīng)應(yīng)變矩陣陣將所所有被挖挖除單單元高斯斯點處處的應(yīng)力力等效效到結(jié)點點上，進進而求得得等效效結(jié)點力力。2、初始地應(yīng)力力力場含重力力場場時，第j步開挖時時的的釋放荷荷載的的計算表表達式式為：（82-111）式中：—第步開開開挖被挖挖去的的單元的的總數(shù)數(shù)；—單元應(yīng)變矩陣陣陣；—第j-1步開開挖挖后的單元元元應(yīng)力；；—單元位移形函函函數(shù)矩陣；；—該步開挖被挖挖挖去的單元元的的體力。第一步開挖時的的的釋放荷荷載為為：（8-2--112）式中：—初始地地地應(yīng)力；；—該開挖步被挖挖挖去的單元元數(shù)數(shù)。第三節(jié)隧道道道開挖施施工過過程的計計算方方法8.3.1隧隧隧道開挖挖施工工過程的的模擬擬原理1、隧道開挖施施施工過程對對計計算結(jié)果果影響響的模擬擬，可可通過按按開挖挖施工步步驟在在開挖邊邊界上上逐步施施加釋釋放荷載載實現(xiàn)現(xiàn)。2、開挖邊界需需需根據(jù)施工工方方案確定定，釋釋放荷載載應(yīng)根根據(jù)前一一開挖挖步完成成時的的地應(yīng)力力計算算。3、隧道開挖施施施工中，釋釋放放荷載的的作用用效應(yīng)與與計算算斷面的的位置置、支護護施做做時機及及完工工時間等等有關(guān)關(guān)。將這這些因因素視為為與荷荷載釋放放過程程有關(guān)的的參數(shù)數(shù)，則開開挖效效應(yīng)的計計算應(yīng)應(yīng)能體現(xiàn)現(xiàn)這些些參數(shù)的的影響響。4、荷載釋放過過過程的確定定需需綜合考考慮圍圍巖材料料的性性態(tài)、開開挖施施工方法法、開開挖面進進尺及及襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)的的施工方方法等等因素的的影響響，并應(yīng)應(yīng)注意意使圍巖巖和支支護結(jié)構(gòu)構(gòu)的受受力狀態(tài)態(tài)滿足足對釋放放荷載載分擔比比預(yù)定定的設(shè)計計要求求。5、圍巖最終應(yīng)應(yīng)應(yīng)力和支護護結(jié)結(jié)構(gòu)的內(nèi)內(nèi)力均均可由迭迭加原原理求得得，其其中圍巖巖應(yīng)力力尚應(yīng)迭迭加初初始應(yīng)力力。8.3.2荷荷荷載釋放放過程程的模擬擬方法法1、隧道開挖施施施工中，洞洞周周初始應(yīng)應(yīng)力的的釋放過過程受受計算斷斷面離離開挖面面的距距離，支支護結(jié)結(jié)構(gòu)的施施做時時機及圍圍巖變變形隨時時間而而增長的的規(guī)律律等因素素影響響的效應(yīng)應(yīng)，可可通過設(shè)設(shè)置空空間效應(yīng)應(yīng)釋放放系數(shù)和和荷載載釋放系系數(shù)模模擬。2、空間效應(yīng)釋釋釋放系數(shù)是是指指計算斷斷面上上圍巖的的變形形量，與與在距距開挖面面足夠夠遠處（在在開開挖面影影響范范圍之外外）的的橫斷面面上相相應(yīng)的圍圍巖變變形量之之間的的比值。用用于于反映計計算斷斷面受開開挖面面空間約約束效效應(yīng)影響響的程程度。其其表達達式為：：（8-3--1）式中：－計算斷斷斷面離開開挖面面的距離離；－離開挖面距離離離為z的計算斷斷面面的空間間效應(yīng)應(yīng)釋放系系數(shù)；；－該計算斷面上上上某點某某方向向上的圍圍巖的的變形量量；－在離開挖面足足足夠遠處處（在在開挖面面影響響范圍之之外）的的斷面上上與相相應(yīng)的圍圍巖的的變形量量。3、每個施工開開開挖步（以以下下簡稱開開挖步步）均有有相應(yīng)應(yīng)的荷載載釋放放，并均均有圍圍巖承載載階段段（初期期支護護施做前前，可可簡稱為為第一一承載階階段，或或圍巖階階段）、圍圍圍巖與初初期支支護共同同承載載階段（二二襯襯施做前前，可可簡稱為為第二二承載階階段，或或初支階階段）、圍圍圍巖、初初期支支護與二二襯共共同承載載階段段（二襯襯施做做后，可可簡稱稱為第三三承載載階段，或或二二襯階段段）三三個承載載階段段。荷載釋放放系系數(shù)是指指在每每個施工工開挖挖步內(nèi)，各各承承載階段段圍巖巖承受的的釋放放荷載在在該施施工開挖挖步的的總釋放放荷載載中所占占的比比例。用于于反反映支護護施做做時間的影影響響，并可可體現(xiàn)現(xiàn)圍巖地地層與與支護結(jié)結(jié)構(gòu)對對釋放荷荷載的的分擔作作用。將將其近似似令為為在每個施施工工開挖步步的各各承載階階段，圍圍巖發(fā)生生的位位移量在在變形形趨于穩(wěn)穩(wěn)定后后可能達達到的的總位移移量中中所占的的比例例并記為為，則則有（888-3--2）式中：—第i開開開挖步發(fā)發(fā)生的的釋放荷荷載；；－第i開挖步第第第j承載階段段的的荷載釋釋放系系數(shù)；－第i開挖步第第第j承載階段段的的發(fā)生時時刻與與開挖時時刻之之間的時時間間間隔；－自開挖時刻起起起時間內(nèi)計算算斷斷面上圍圍巖的的變形量量；－變形趨于穩(wěn)定定定后計算算斷面面上圍巖巖的最最終變形形量。對任意開挖步iii，有（8-3-3）4、空間效應(yīng)釋釋釋放系數(shù)宜宜通通過反分分析方方法確定定，也也可參照照由三三維彈性性問題題數(shù)值分分析得得到的結(jié)結(jié)果，即即圖8-3--1按距離近近似似確定。由由圖圖可見的合合理理取值與與計算算斷面離離掌子子面的距距離有有關(guān)，其其值的的變化范范圍約約為0.25～0.75?？紤]到到后后續(xù)開挖挖施工工步作業(yè)業(yè)通常常滯后的的影響響，建議議將其其取為=00..25～0.50。圖8-3-1空空空間效應(yīng)釋釋放放系數(shù)按按距離離近似取取值的的示意圖圖5、荷載釋放系系系數(shù)的確定定應(yīng)應(yīng)注意使使二襯襯和圍巖巖（含含初期支支護）各各自實際承承受受的釋放放荷載載滿足對對釋放放荷載分分擔比比預(yù)定的的設(shè)計計要求。工工程程設(shè)計中中，可可令荷載載釋放放系數(shù)可可綜合合考慮空空間效效應(yīng)釋放放系數(shù)數(shù)的影響響，并并將概念念擴大大后的荷荷載釋釋放系數(shù)數(shù)記為為。設(shè)計計算中各開開開挖步各各承載載階段的的荷載載釋放系系數(shù)的的取值，均均宜宜通過對對位移移監(jiān)測資資料的的分析研研究確確定，初初步設(shè)設(shè)計階段段則可可對各開開挖步步均設(shè)定定（8-3-4）式中：——與第第第i施工開挖步第j承載階段段（荷荷載增量量步）相應(yīng)的開開挖挖邊界的荷載釋放放系系數(shù)。計算算斷斷面遠離離掌子子面時，開開挖挖邊界的釋釋放放荷載將完全釋放放，故故有，，及。按上述規(guī)則進行行行初步設(shè)設(shè)計時時，Ⅳ、Ⅴ級圍巖的的荷荷載釋放放系數(shù)數(shù)可參考考表88-3--1確確定。考考慮到到安全施施工的的需要，表表中中對Ⅴ級圍巖初初期期支護和和二襯襯的設(shè)計計計算算列有不不同的的數(shù)據(jù)。應(yīng)應(yīng)予予指出，采采用用表8-3--1確定荷載載釋釋放系數(shù)數(shù)時，應(yīng)應(yīng)注意滿滿足式式（8-3--3）表示的的規(guī)規(guī)則。荷載釋放系數(shù)（％％）建議取值值表表8-3-11圍巖級別圍巖圍巖+初期支護護圍巖+二次襯砌砌+初初期支護IV級30~4015~2015~20V級初襯10~2050~8020~30二襯10~2020~3050~808.3.3釋釋釋放荷載載的分分擔1、在V級及VV級以上上的圍圍巖中采采用復(fù)復(fù)合式支支護建建造公路路隧道道時，設(shè)設(shè)計計計算中應(yīng)應(yīng)通過過規(guī)定合適適的的釋放荷荷載分分擔比，使使支支護結(jié)構(gòu)構(gòu)和圍圍巖組成成聯(lián)合合受力的的整體體，共同同承受受釋放荷荷載的的作用。2、釋放荷載分分分擔比是指指隧隧道開挖挖后，支支護結(jié)構(gòu)構(gòu)和圍圍巖（含含初期期支護）各各自自承擔的的釋放放荷載在釋釋放放荷載總總量中中所占的的比例例。3、《公路隧道道道設(shè)計規(guī)范范》在在條文說說明中中給出了了釋放放荷載分分擔比比的建議議值（表表8-3-2），可供參參考考。對Ⅳ、Ⅴ級圍巖，巖巖巖性較好好時圍圍巖+初期支護護的的荷載分分擔比比取較大大值，二二次襯砌砌取較較小值，巖巖性性較差時時則相相反。釋放荷載分擔比比比例表表表8--3-22圍巖級級別別分擔比比例例圍巖＋初期支護護護二次襯砌Ⅰ-Ⅲ100%0%Ⅳ60%～80%%%40%～20%%%Ⅴ20%～40%%%80%～60%%%Ⅵ0%100%4、考慮到開挖挖挖施工過程程中中的受力力工況況，為確確保安安全施工工的需需要，尤尤其是是確保初初期支支護施做做后而而二次襯襯砌尚尚未施做做階段段的安全全性，對對在Ⅴ級圍巖中中建建造的隧隧道，圍圍巖+初期支護護的的釋放荷荷載分分擔比宜宜提高高為60%～80%，二次襯襯砌砌的分擔擔比則則仍為80%～60%。巖性相相對對較好時時取前前者，較較差時時選用后后者。5、采用釋放系系系數(shù)模擬隧隧道道開挖施施工過過程的影影響時時，釋放放荷載載分擔比比是各各類釋放放系數(shù)數(shù)綜合作用用的的結(jié)果，而而不不是荷載載釋放放系數(shù)本本身。6、采用釋放系系系數(shù)模擬隧隧道道開挖施施工過過程的影影響時時，可主主要通通過合理理選定定空間效效應(yīng)釋釋放系數(shù)數(shù)和荷荷載釋放放系數(shù)數(shù)，滿足對對釋釋放荷載載分擔擔比預(yù)定定的設(shè)設(shè)計要求求。8.3.4圍圍圍巖最終終應(yīng)力力和支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)力的的計算算方法圍巖最終應(yīng)力和和和支護結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力可由由迭加加原理求求得，表表達式為為：（8-3-5）式中：－圍巖最最最終應(yīng)力力或支支護結(jié)構(gòu)構(gòu)的最最終內(nèi)力力；－圍巖初始應(yīng)力力力或支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)的初始始內(nèi)力力，對支支護結(jié)結(jié)構(gòu)常為為＝0；－第施工開挖步步步引起的的圍巖巖應(yīng)力，或或支支護結(jié)構(gòu)構(gòu)的內(nèi)內(nèi)力；－隧道開挖施工工工過程的的分步步數(shù)。8.3.5設(shè)設(shè)設(shè)計計算算荷載載的組合合1、公路隧道設(shè)設(shè)設(shè)計計算的的荷荷載，應(yīng)應(yīng)按使使用階段段的計計算和施施工階階段的驗驗算分分別組合合。2、采用地層結(jié)構(gòu)分析析方方法計算算時，使使用階段段計算算的荷載載組合合，主要要包括括結(jié)構(gòu)自自重、附附加恒載、釋釋釋放荷載載、混混凝土收收縮和和徐變力力、水水壓力及及其他他可能存存在的的可變荷荷載和和偶然荷荷載，施施工階段段驗算算的荷載載組合合除應(yīng)考考慮結(jié)結(jié)構(gòu)自重重和釋釋放荷載載等之之外，還還應(yīng)考考慮施工工荷載載的作用用。第四節(jié)材料料料本構(gòu)模模型與與模擬技技術(shù)8.4.1概概概述1、采用數(shù)值方方方法對隧道道開開挖施工工過程程進行計計算時時，圍巖巖地層層和支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)的受力力變形形狀態(tài)與巖巖土土和結(jié)構(gòu)構(gòu)材料料的本構(gòu)構(gòu)模型型有關(guān)。2、材料本構(gòu)模模模型用于表表示示體系在在荷載載作用下下發(fā)生生變形時時，組組成材料料的應(yīng)應(yīng)力、應(yīng)應(yīng)變及及時間之間間相相互關(guān)系系的規(guī)規(guī)律。這這類規(guī)規(guī)律?？煽捎汕€或方方程表表述。采采用方方程表述述時，稱稱為材料料的本本構(gòu)方程程。3、材料本構(gòu)方方方程通常由由試試驗確定定，并并常由對對試驗驗數(shù)據(jù)進進行回回歸分析析得到到本構(gòu)方方程的的表達式，以以及相應(yīng)應(yīng)的特特性參數(shù)數(shù)。8.4.2巖巖巖土材料料的本本構(gòu)模型型1、巖土材料本本本構(gòu)模型的的種種類與適適用場場合巖土材料本構(gòu)模模模型的類類型與與巖土材材料的的類別、應(yīng)應(yīng)力力歷史、應(yīng)應(yīng)力力路徑、應(yīng)應(yīng)力力水平等等因素素有關(guān)，常常用用的本構(gòu)構(gòu)模型型有線彈彈性模模型、非非線性性彈性模模型、彈彈塑性模模型、粘粘彈性模模型、彈彈粘塑性性模型型及節(jié)理理模型型等。其其中線線彈性模模型和和非線性性彈性性模型用用于描描述處于于彈性性工作狀狀態(tài)時時的巖土土材料料的特性性，彈彈塑性模模型用用于描述述巖土土材料進進入塑塑性狀態(tài)態(tài)后的的特性，粘粘彈彈性模型型和彈彈粘塑性性模型型用于同同時描描述巖土土材料料的變形形隨時時間而變變化的的特性，節(jié)節(jié)理理模型用用于描描述節(jié)理理面的的受力變變形特特性。對公路隧道的設(shè)設(shè)設(shè)計，最最常采采用的圍圍巖材材料本構(gòu)構(gòu)模型型是線彈彈性模模型、粘粘彈性性模型和和彈塑塑性模型型。2、線彈性模型型型線彈性模型認為為為巖土材材料的的應(yīng)力－－應(yīng)變變關(guān)系符符合線線性關(guān)系系，且且施加外外力時時材料立立即發(fā)發(fā)生變形形，撤撤消外力力時變變形立即即消失失。用于于描述述各向同同性彈彈性體、正正交交各向異異性彈彈性體、橫橫觀觀各向同同性彈彈性體的的力學(xué)學(xué)特性，并并分分別稱為為各向向同性彈彈性模模型、正正交各各向異性性彈性性模型和和橫觀觀各向同同性彈彈性模型型。各各類模型型的表表達式，可可參參見《公公路隧隧道設(shè)計計規(guī)范范》JTGGD700-220044中的的附錄J，或有關(guān)關(guān)文文獻（下下同）。3、非線性彈性性性模型非線性彈性模型型型認為巖巖土材材料的應(yīng)應(yīng)力－－應(yīng)變關(guān)關(guān)系不不符合線線性關(guān)關(guān)系，但但施加加外力時時材料料仍立即即變形形，撤消消外力力時變形形也仍仍立即消消失。非線性彈性模型型型有多種種，最最常采用用的是是鄧肯－－張模模型，應(yīng)應(yīng)力－－應(yīng)變關(guān)關(guān)系可可用雙曲曲線方方程近似似描述述。4、彈塑性本構(gòu)構(gòu)構(gòu)模型彈塑性模型有理理理想彈塑塑性模模型、應(yīng)應(yīng)變硬硬化模型型和應(yīng)應(yīng)變軟化化模型型等三種種。常常用的是是理想想彈塑性性模型型，認為為應(yīng)力力水平到到達屈屈服極限限前材材料處于于彈性性工作狀狀態(tài)，到到達屈服服極限限后進入入塑性性狀態(tài)，且且剛剛度保持持不變變。單元元工作作狀態(tài)的的判別別可選用用Drruckke－Praggeer準則（即即D－P準則）或或Moohr－Coulloomb準則則（即M－C準則），流流流動法則則可選選為相關(guān)關(guān)聯(lián)流流動法則則。應(yīng)變硬化模型用用用于表示示材料料進入塑塑性狀狀態(tài)后剛剛度增增大的特特性，應(yīng)應(yīng)變軟化化模型型則相反反。如如經(jīng)試驗驗證實實圍巖材材料具具有這些些特性性并已取取得數(shù)數(shù)據(jù)，也也可用用于工程程設(shè)計計計算。5、粘彈性模型型型與彈粘塑塑性性模型粘彈性模型用于于于描述巖巖體材材料的變變形隨隨時間而而增長長，但始始終處處于彈性性工作作狀態(tài)的的特性性；彈粘粘塑性性模型則則描述述材料進進入塑塑性狀態(tài)態(tài)后變變形隨時時間而而增長的的規(guī)律律。常用用的粘粘彈性模模型為為由彈性性元件件和開爾爾文模模型串聯(lián)聯(lián)而成成的三元元件模模型，彈彈粘塑塑性模型型為廣廣義賓哈哈姆模模型。6、節(jié)理面材料料料的本構(gòu)模模型型節(jié)理面通常采用用用無厚度度Gooodmmann單元離散散，其其材料性性態(tài)采采用法向向剛度度系數(shù)和和切向向剛度系系數(shù)表表示。對對厚度度較大的的節(jié)理理、斷層層等采采用實體體單元元離散時時，本本構(gòu)模型型可在在以上模模型中中選用。8.4.3結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)材料料的本本構(gòu)模型型1、隧道工程常常常用的結(jié)構(gòu)構(gòu)材材料有混混凝土土、噴射射混凝凝土和鋼鋼筋等等。其中中鋼筋筋一般要要求在在彈性狀態(tài)態(tài)下下工作，噴噴射射混凝土土作為為初期支支護時時允許進進入塑塑性受力力狀態(tài)態(tài)，用作作內(nèi)襯襯結(jié)構(gòu)的的噴射射混凝土土和混混凝土材材料均均宜處于于彈性性受力狀狀態(tài)。經(jīng)經(jīng)論證認認為結(jié)結(jié)構(gòu)體系系可保保持穩(wěn)定定時，結(jié)結(jié)構(gòu)材料料也都都可處于于彈塑塑性受力力狀態(tài)態(tài)。2、對結(jié)構(gòu)材料料料，允許進進入入塑性狀狀態(tài)時時材料的的本構(gòu)構(gòu)模型宜宜為理理想彈塑塑性模模型，否否則為為各向同性性彈彈性模型型，或或各向異異性彈彈性模型型。8.4.4材材材料參數(shù)數(shù)的確確定方法法1、材料本構(gòu)模模模型參數(shù)的的確確定方法法有查查表法、試試驗驗測定法法和反反分析法法三類類。2、試驗測定法法法材料本構(gòu)模型參參參數(shù)一般般需通通過室內(nèi)內(nèi)試驗驗測定，主主要要包括：：1）單軸壓縮試試試驗，用于于測測定單軸軸抗壓壓強度、彈彈性性模量及及泊松松比；2）劈裂試驗，用用用于測定定拉伸伸強度；；3）三軸壓縮試試試驗，用于于測測定粘聚聚力、內(nèi)內(nèi)摩擦角角和殘殘余抗壓壓強度度值；4）容重和含水水水量測定試試驗驗。3、查表法在缺乏試驗資料料料的初步步設(shè)計計階段，材材料料本構(gòu)模模型參參數(shù)可按按《公公路隧道道設(shè)計計規(guī)范》JJTTGDD700-200044提供的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)查取。4、位移反分析析析方法位移反分析方法法法可用于于根據(jù)據(jù)位移量量測信信息，反反演識識別材料料性態(tài)態(tài)參數(shù)（如如彈彈性模量量、泊泊松比），適適宜于在施工工反饋設(shè)計中中采用。8.4.5材材材料本構(gòu)構(gòu)模型型性態(tài)的的模擬擬方法1、采用有限單單單元法計算算時時，圍巖巖地層層和支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)均被離離散為為僅在節(jié)節(jié)點相相連的單單元，材材料本構(gòu)模模型型性態(tài)的的影響響，主要要體現(xiàn)現(xiàn)為用作作計算算剛度矩矩陣的的依據(jù)。2、錨噴支護由由由錨桿和噴噴射射混凝土土組成成，其作作用可可通過將將錨桿桿作為桿桿單元元和對噴噴射混混凝土采用用梁梁單元或或四邊邊形等參參數(shù)單單元離散散模擬擬，也可可通過過對錨噴噴支護護加固區(qū)區(qū)的圍圍巖采用用提高高的C、Φ值體現(xiàn)其其影影響。采采用桿桿單元或或梁單單元離散散時，剛剛度矩陣陣的計計算方法法可參參見《公公路隧隧道設(shè)計計規(guī)范范》JTGGD700-220044中的的附錄J，或有關(guān)關(guān)文文獻。3、鋼拱架與格格格柵拱一般般不不單獨劃劃分單單元，其其作用用可通過過提高高結(jié)構(gòu)強強度指指標近似似模擬擬。4、超前管棚支支支護通常用用于于預(yù)先加加固圍圍巖。在Ⅵ圍巖中采采用用時宜將將其作作為安全全儲備備，支護結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計仍仍按荷荷載——結(jié)構(gòu)分析析方方法計算算。在在Ⅴ級及Ⅴ級以上圍圍巖巖中采用用時，其其作用可可通過過提高地地層CC、Φ值近似模模擬擬。第五節(jié)有限單單單元法8.5.1基本本本原理1、采用有限單單元元法計算時時時，巖土土介質(zhì)質(zhì)和支護結(jié)構(gòu)都都被離散為僅僅在在結(jié)點相相連的的單元，荷荷載載移置于于結(jié)點點，并在利用插插值值函數(shù)建立立位位移模式式和確確定邊界條條件件后，由矩陣陣位位移法方方程求求解結(jié)點點位移移，據(jù)以計計算算巖土介介質(zhì)的的應(yīng)力和和位移移，以及支支護護結(jié)構(gòu)的的內(nèi)力力。2、采用矩陣位位位移法計算算時時，取用的的基基本未知知數(shù)是是單元結(jié)結(jié)點的的位移。對對彈彈性問題題的分分析，將作作用用在結(jié)點點上的的外荷載載記為為{R}，結(jié)點位位移移記為{δ}，剛度記記為[K]，則其基本本方方程可表表示為為：（8-5-1）當巖體介質(zhì)與支支支護結(jié)構(gòu)材材料料本構(gòu)模型型的的特征呈非非線線性性態(tài)時，剛剛度度矩陣[K]與材料的的變變形情況況有關(guān)關(guān)，即[K]不再是常量矩矩陣陣，而是{δ}的函數(shù)。處處處理這類非線性性問問題可采用用一般方方法，即將本構(gòu)構(gòu)模型曲線分分段段線性化化，并并將應(yīng)力力應(yīng)變變關(guān)系改改用增增量形式式表示示。相應(yīng)應(yīng)的基基本方程程的形形式為：：（8-555-2）式中：—結(jié)點位位位移的增增量；；—結(jié)點荷載的增增增量；—剛度矩陣，其其其中元素的的量量值與變變形有有關(guān)。3、位移模式用用用于在結(jié)點點位位移值與與單元元內(nèi)任意意點的的位移值值之間間建立聯(lián)聯(lián)系，并保持單元元之間位移場的連連續(xù)續(xù)性。位移移模模式常借借助插插值函數(shù)數(shù)建立立，具體形形式式與單元類類型型有關(guān)，但但一一般都選選為坐坐標的函函數(shù)。求得得結(jié)點位移移值后，即即可由位移移模式求得得任意點的的位移值，并并進而求得得應(yīng)變值和和應(yīng)力值。8.5.2計計計算簡圖圖1、隧道支護結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)的計算算常常簡化為為平面面應(yīng)變問問題的的分析，本本節(jié)節(jié)擬僅對對這類類計算簡簡圖敘敘述其特特點。2、計算區(qū)域的的的范圍按平面應(yīng)變問題題題分析時時，計計算區(qū)域域的左左右邊界界需在在離相鄰鄰側(cè)隧隧道毛洞洞壁面面的距離離達5倍以上毛毛洞洞跨度的的位置置上設(shè)置置，下下部邊界界離隧隧道毛洞洞底面面的距離離為隧隧道毛洞洞高度度的5倍以上，上上上部邊界界一般般取至地地表。3、邊界條件計算初始自重應(yīng)應(yīng)應(yīng)力和開開挖效效應(yīng)時，左左右右邊界為為受水水平向位位移約約束的邊邊界，底底部邊界界為受受垂直向向位移移約束的的邊界界，上部部邊界界為自由由變形形邊界。計計算算初始構(gòu)構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力時，左左右右邊界之之一改改為受初初始構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力力作用用的自由由變形形邊界。4、荷載形式計算初始構(gòu)造應(yīng)應(yīng)應(yīng)力或地地應(yīng)力力場時，為為作作用在計計算區(qū)區(qū)域垂直直邊界界一側(cè)的的初始始構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力或或地應(yīng)力力。計計算開挖挖效應(yīng)應(yīng)時，為為沿開開挖面分分布的的釋放荷荷載。5、計算參數(shù)采用地層——結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)分析析方法法設(shè)計時時，計計算需要要的參參數(shù)有初初始地地應(yīng)力及及各類類地層和和建筑筑材料的容容重重、彈性性模量量、泊松松比及及表示強強度特特性的參參數(shù)值值等。8.5.3單單單元類型型1、二維問題的的的分析1）平面應(yīng)變問問題題分析中，離離散巖土介質(zhì)質(zhì)和作為初期期支護的噴射射混凝土層常常用的單元有有常應(yīng)變?nèi)墙切螁卧⒘Y(jié)點三角形形單元、矩形形單元和四邊邊形等參數(shù)單單元等，其中中應(yīng)用最多的是常應(yīng)變?nèi)切螁卧秃退倪呅蔚葏?shù)單元。離散襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)的常用單單元一般是梁梁單元。如結(jié)結(jié)構(gòu)厚度較大大，也可采用用離散巖土介介質(zhì)的各種單單元將其離散散。錨桿支護護可離散為桿桿單元。埋置置在噴射混凝凝土中的鋼格格柵等一般不不再劃分單元元，其作用可可由適當提高高噴射混凝土土材料的強度度特性參數(shù)值值模擬。2）成層巖體和和和斷層應(yīng)分分別別劃分單單元，巖巖體節(jié)理理則常常采用Gooddmman單元離散散。2、三維問題的的的分析按空間問題分析析析時，離離散地地層巖體體、噴噴射混凝凝土和和襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)的的單元常常為六六面體實實體單單元，錨錨桿的的作用可可由適適當提高高加固固區(qū)的材材料特特性參數(shù)數(shù)值模模擬。3、各類單元的的的位移模式式，可可參見《公公路路隧道設(shè)設(shè)計規(guī)規(guī)范》JTTGGD770--20004中中的附錄J，或有關(guān)關(guān)文文獻。8.5.4開挖挖挖施工過程程的的模擬方法法8.5.4.111一般表達達式式1、開挖施工過過程程的模擬一一一般可通過按開挖挖施施工步驟驟，在在開挖邊邊界上上施加釋釋放荷荷載實現(xiàn)現(xiàn)。2、將一個相對對完完整的施工工工階段稱稱為施施工步，并并設(shè)設(shè)每個施施工步步包含若若干增增量步，與與該該施工步步相應(yīng)應(yīng)的開挖挖釋放放荷載在在所包包含的增增量步步中逐步步釋放放，每個增量量步步的荷載載釋放放量通過設(shè)設(shè)定定合適的的荷載載釋放系數(shù)數(shù)控控制。3、對各開挖施施工工步的狀態(tài)，有有有限元分分析的的常見表達式式為為：（85-3）（8-5-4）式中：L————施工步總總數(shù)數(shù)；——第i施工步步巖土體體和結(jié)結(jié)構(gòu)的總總剛度度矩陣；；——施工開始前前存存在的巖土體和和結(jié)結(jié)構(gòu)的初始總剛剛度度矩陣；；——施工過程中中，第第ξ施工步巖巖土土體和結(jié)結(jié)構(gòu)的的剛度的的增量量或減量量，用用以體現(xiàn)現(xiàn)巖土土體單元元的填填筑、挖除及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)單元的的施做做或拆除；；——第i施工步步開挖邊邊界上上的釋放放荷載載的等效效結(jié)點點力；——第i施工步步新增自自重等等的等效效結(jié)點點力；——第i施工步步增量荷荷載的的等效結(jié)結(jié)點力力；——第i施工步步的結(jié)點點位移移增量。4、采用荷載釋釋釋放系數(shù)控控制制荷載釋釋放過過程時，對對每每個施工工步，增增量加載載過程程的有限限元分分析的表表達式式為：（8-5-5）（8-5-6）式中：M————各施工步步增增量加載載的次次數(shù)；——第i施工步步中施加加第jj荷載增量量步步時的剛剛度矩矩陣；——與第i施工工步步第j荷載增量量步步相應(yīng)的的開挖挖邊界的荷載釋放放系系數(shù)，開開挖邊邊界荷載載完全全釋放時時有；；——第i施工步步第j增增量步新增增增單元自自重等等的等效效結(jié)點點力；——第i施工步步第j增增量步增量量量荷載的的等效效結(jié)點力力；——第i施工步步第j增增量步的結(jié)結(jié)結(jié)點位移移增量量。其余符號的含含含義同式（8-5--3）及（8-5--4）。8.5.4.222開挖工序序的的模擬開挖效應(yīng)可通過過過在開挖挖邊界界上設(shè)置置釋放放荷載，并并將將其轉(zhuǎn)化化為等等效結(jié)點點力模模擬，表達式為為：：（8-555-7）式中：——開挖挖挖前系統(tǒng)統(tǒng)的剛剛度矩陣陣；——開挖工序中中挖挖除部分的的的剛度；——開挖釋放荷荷載載的等效結(jié)結(jié)結(jié)點力。8.5.4.333填筑工序序的的模擬填筑效應(yīng)包含兩兩兩個部分分，即即整體剛剛度的的改變和和新增增單元自自重荷荷載增大，其計算算表表達式為為：（8-5-8）式中：——填筑筑筑前系統(tǒng)統(tǒng)的剛剛度矩陣陣；——新增實體單單元元的剛度；；；——新增實體單單元元自重的等等等效結(jié)點點荷載載。8.5.4.444結(jié)構(gòu)的施做做與拆除1、結(jié)構(gòu)施做的的效效應(yīng)體現(xiàn)為為為整體剛剛度的的增加及及新增增結(jié)構(gòu)的的自重重對系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生生影響，其其計計算式為為（8-5-99）式中：——結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)施做前系統(tǒng)統(tǒng)的的剛度矩矩陣；；——新增結(jié)構(gòu)的的剛剛度；——施做結(jié)構(gòu)自自自重的等等效結(jié)結(jié)點荷載載。2、結(jié)構(gòu)拆除的的效效應(yīng)包含整整整體剛度度的減減小和支支撐內(nèi)內(nèi)力釋放放的影影響，其其中支支撐內(nèi)力力的釋釋放可通通過施施加一反反向力力實現(xiàn)，其其計計算表達達式為為：（8-5-1100）式中：——結(jié)構(gòu)