隧道施工后的應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)行為

隧道施工后的應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)行為本講主要內(nèi)容：1、隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)2、隧道支護(hù)后的應(yīng)力狀態(tài)3、新奧法施工的力學(xué)解析4、隧道施工力學(xué)相關(guān)問題討論土木工程學(xué)院隧道工程系施成華（1）隧道的施工過程原始巖體毛洞支護(hù)體系穩(wěn)定洞室開挖支護(hù)時間第2講隧道開挖后的力學(xué)行為土木工程學(xué)院隧道工程系施成華初始應(yīng)力狀態(tài)（原巖）隧道開挖后應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）隧道的開挖施工實際上是一個應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整，重新達(dá)到應(yīng)力平衡的過程。（2）隧道施工的力學(xué)過程開挖支護(hù)體系應(yīng)力狀態(tài)（三次應(yīng)力狀態(tài)）終極應(yīng)力狀態(tài)（四次應(yīng)力狀態(tài)）支護(hù)時間第2講隧道開挖后的力學(xué)行為土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（1)基本假設(shè)影響洞室圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的因素是很多的，如圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體地質(zhì)因素、洞室開挖的形狀和尺寸、埋深以及洞室開挖的施工技術(shù)等。但目前對洞室二次應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)分析多以下述假定為前提：

1）視圍巖為均質(zhì)的，各向同性的連續(xù)介質(zhì)

2）只考慮自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力場

3）隧道形狀以規(guī)則的圓形為主

4）隧道位于地表下一定的深度處，可簡化為無限體中的孔洞問題第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)1、隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華隧道開挖后，圍巖中的應(yīng)力與位移視圍巖強度可能會出現(xiàn)兩種情況：一種是圍巖仍處于彈性狀態(tài)；另一種是開挖后應(yīng)力達(dá)到或超過圍巖的屈服條件，使部分圍巖處于塑性狀態(tài)，隧道圍巖將產(chǎn)生塑性滑移、松弛或破壞。第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)1、隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)1）圍巖中的應(yīng)力場和位移場：第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)一部分是初始應(yīng)力初始的(以“－”標(biāo)出)，另一部分是有洞周開挖卸載引起的土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)

沿隧道周邊只存在切向應(yīng)力，徑向應(yīng)力為0。這說明隧道的開挖使隧道周邊圍巖從二維（或三維）應(yīng)力狀態(tài)變成一維（或二維）應(yīng)力狀態(tài)，沿隧道周邊的應(yīng)力值及其分布主要取決于值。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)分別以不同的值代入前式，則切向應(yīng)力沿隧道的分布如圖。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)a）只有初始垂直應(yīng)力（）時，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)（左右30°范圍內(nèi)）。

b）隨著的增大，拱頂切向拉應(yīng)力值及其范圍逐漸減小，當(dāng)時，拱頂切向拉應(yīng)力等于0，大于1/3后，整個隧道周邊的切向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力。c）隧道側(cè)壁周邊切向應(yīng)力總是壓應(yīng)力，且總比拱頂范圍的應(yīng)力值大，側(cè)壁處在較大壓應(yīng)力作用下會造成側(cè)壁剪切破壞或巖爆，并有可能導(dǎo)致整個隧道失穩(wěn)。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)d）當(dāng)初始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力相等（）時，隧道周邊圍巖的應(yīng)力狀態(tài)是軸對稱的，這種應(yīng)力狀態(tài)對圓形隧道的穩(wěn)定是非常有利的。

e）通常圍巖的水平側(cè)壓力系數(shù)在0.2~0.5之間，此時，隧道周邊的切向應(yīng)力都是壓應(yīng)力。

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)

當(dāng)時，隧道斷面是均勻縮小的，隨著值的減小，隧道上下頂點繼續(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。在多數(shù)情況下，隧道開挖后圍巖是向隧道內(nèi)移動的，只在一定的值條件下，在水平直徑處有向兩側(cè)擴展的趨勢，多數(shù)情況下，拱頂位移均大于側(cè)壁位移。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)3）軸對稱情況

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)在洞室周邊上，主應(yīng)力和的差值最大(2)，由此衍生的剪應(yīng)力最大，所以洞室周邊是最容易破壞的，實踐也證明，洞室的破壞總是從周邊開始，并逐步向深處發(fā)展的。3）軸對稱情況土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)4）圍巖應(yīng)力向深處的變化規(guī)律

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)和兩種情況圍巖應(yīng)力分布情況。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)4）圍巖應(yīng)力向深處的變化規(guī)律

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)a)隧道側(cè)壁中點的切向應(yīng)力都是正值（壓應(yīng)力），最大為最小為隨著離隧道周邊距離的增大，切向應(yīng)力趨于初始應(yīng)力狀態(tài)。b）拱頂處在隧道周邊上的切向應(yīng)力由變到，隨著離隧道周邊距離的增大，切向應(yīng)力同樣趨于初始應(yīng)力狀態(tài)。c）在拱頂處拉應(yīng)力深入圍巖內(nèi)部的范圍約為0.58a，而后周邊為壓應(yīng)力，這說明隧道開挖后圍巖內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)是有限的。對于實際開挖的隧道，由于爆破超欠挖的影響，隧道周邊極不平整，會產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中，欠挖處的應(yīng)力會達(dá)到初始應(yīng)力值的十幾倍，造成隧道的局部破壞。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華5）其它情況

對于非圓形隧道的圍巖二次應(yīng)力場和位移場的確定，要用到復(fù)變函數(shù)的映射理論，公式比較繁雜，這里不詳述。對于淺埋圓形隧道，圍巖的二次應(yīng)力場和位移場就不能按以上各式確定了，應(yīng)采用彈性力學(xué)中的公式進(jìn)行計算。

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（3)隧道開挖后的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)1）塑性區(qū)的應(yīng)力場

圍巖塑性區(qū)的應(yīng)力值與圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，僅取決于圍巖本身的強度參數(shù)值，同時隨r的增大而增大，超過塑性區(qū)范圍后，又恢復(fù)為彈性狀態(tài)。

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（3)隧道開挖后的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)1）塑性區(qū)的應(yīng)力場

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)當(dāng)時，塑性區(qū)的形狀也是一個圓形，當(dāng)時，塑性區(qū)的形狀和范圍有很大的變化。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（3)隧道開挖后的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)2）塑性區(qū)的范圍

塑性區(qū)范圍不僅與圍巖強度參數(shù)有關(guān)，而且還取決與圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)。在自重應(yīng)力場中，隧道埋深越大、塑性區(qū)范圍越大。在塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界面上，塑性區(qū)的應(yīng)力與彈性區(qū)的應(yīng)力一定保持平衡，由此得時的塑性區(qū)半徑為第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工興程學(xué)院評隧道工沫程系施成華（3)隧道逼開挖恐后的饅彈塑豪性應(yīng)辜力狀依態(tài)2）塑巨性區(qū)帆的范雄圍第2講隧坦道開挖維后的力墨學(xué)行為—二次應(yīng)效力狀態(tài)時，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在側(cè)壁，呈月牙形，時，則變成耳狀，也集中在側(cè)壁范圍，時，又變成向圍巖深處擴展的X形，在各種情況下，隧道側(cè)壁塑性區(qū)域顯著集中。a）值的影響土木扶工程庫學(xué)院翼隧道沿工程兄系施成華（3)隧道艘開挖謎后的宅彈塑同性應(yīng)渡力狀慈態(tài)2）塑廚性區(qū)恒的范敢圍對于馬兆蹄形隧焰道，也貫有同樣嚇的結(jié)論蟲。第2講蹤蝶隧道痛開挖五后的嶼力學(xué)窄行為—二次小應(yīng)力布狀態(tài)a）值的影響土木補工程珍學(xué)院貌隧道淺工程稿系施成節(jié)華（3)隧道開甘挖后的渠彈塑性陜應(yīng)力狀靈態(tài)2）塑性撐區(qū)的范皺圍隨著弟埋深拼的增判加，年（實林際上慈意味際著圍消巖條精件的浪惡化亂，其林塑性捧區(qū)擴晶大并輩呈不迫同的魄形狀何。第2講隆隧道鉗開挖我后的希力學(xué)蠅行為—二次損應(yīng)力森狀態(tài)b）埋御深的工影響土木工掛程學(xué)院鹽隧道工邁程系施成柱華（3)隧道開郵挖后的超彈塑性傭應(yīng)力狀悉態(tài)2）塑性推區(qū)的范偵圍隧道形鎮(zhèn)狀對塑萄性區(qū)范斗圍、形厘狀也有栗很大的辯影響。第2講們隧道閃開挖灰后的斜力學(xué)堵行為—二次稍應(yīng)力喊狀態(tài)c）隧形道形擾狀的誘影響土木工棟程學(xué)院查隧道工究程系施成插華3）塑寬性區(qū)撞的位蛙移事實歷上，烏圍巖甘在進(jìn)寧入塑精性狀肆態(tài)后拿，體潛積要恒發(fā)生跡剪漲積現(xiàn)象絕，故博上式鉆只能請是近撈似公礦式。假定社在小瞧變形猾的情槳況下籠，塑頭性區(qū)叉體積屯不變誘，則們有：（3)隧道開南挖后的暖彈塑性竹應(yīng)力狀朵態(tài)第2講茅隧道或開挖襪后的旺力學(xué)防行為—二次辭應(yīng)力訴狀態(tài)土木喜工程掏學(xué)院驕隧道拿工程呢系施成梳華（1)支護(hù)阻枝力對隧軌道周邊狡應(yīng)力分抓布的影裕響1）彈性延應(yīng)力狀聾態(tài)下支護(hù)染阻力屢的存杯在，爐使周吃邊的暖徑向耽應(yīng)力茫增大唯，而丑使切吐向應(yīng)眨力減贊小，蘭實質(zhì)亦上是息使直誼接靠爺近洞劍室周駕邊的此巖體兇應(yīng)力頁狀態(tài)咳，從單向(或雙每向的)變?yōu)橐曤p向鼓的(或三臟向的)的受力確狀態(tài)，因而薪提高夏了巖戀石的頭承載宋力。假定磁支護(hù)然阻力pa是徑位向的(實際上守還有切沫向的)，且似沿洞慢室周蔽邊是湖均勻間分布娃的，鹽則有昌：第2講隧燈道開挖宮后的力謝學(xué)行為—三次使應(yīng)力們狀態(tài)2、支噸護(hù)施裳作后阻的應(yīng)歇力狀邊態(tài)土木工散程學(xué)院掠隧道工材程系施成華（1)支護(hù)侮阻力肺對隧淡道周鳳邊應(yīng)費力分問布的召影響2）塑性謝應(yīng)力狀心態(tài)下塑性區(qū)幸半徑是泊隨著支射護(hù)阻力辭的加大爬而減小使，說明肅了徑向晚阻力傲對限晨制圍扇巖塑探性區(qū)蠅的發(fā)舌展能哭起重涼要作灣用。這是撓因為支始護(hù)阻力浴的存在,使圍巖提的應(yīng)力董狀態(tài)有顧二維的剖變?yōu)槿S的,從而俗提高陸了圍城巖的槐抗屈到服能斃力。第2講鴉隧道畫開挖獵后的啟力學(xué)閑行為—三次錄應(yīng)力貪狀態(tài)土木衛(wèi)工程神學(xué)院惑隧道昌工程馬系施成項華（2)支護(hù)阻簽力對隧梯道周邊警位移分妄布的影奇響在形杯成塑夫性區(qū)峽后，腎隧道憲壁徑屆向位夸移不脂僅與閱巖體冶的物服理參新數(shù)、患坑道潤尺寸鑒和隧騎道埋爺深有收關(guān)，臭而且滲還取借決于捧支護(hù)展阻力宰的大伙小。支護(hù)錦阻力軍的存法在控礎(chǔ)制了變隧道幻玉周邊勁圍巖袋的變膏形，等從而莖控制詳了巖嘴體內(nèi)紛塑性違區(qū)的枕發(fā)展夸和應(yīng)誘力的愛變化雷，這具就是爆支護(hù)肢結(jié)構(gòu)淚的支亡護(hù)實澤質(zhì)。漂同時攻由于志支護(hù)分阻力傾的存賞在也殺改變財了隧鐘道周條邊巖酸體的型承載灣條件勵，從晶而相會應(yīng)提曾供了腹巖體里的承督載能鮮力。第2講隧敢道開挖意后的力暑學(xué)行為—三次樹應(yīng)力閣狀態(tài)土木工禾程學(xué)院隸隧道工具程系施成華（2)支護(hù)阻絹力對隧哭道周邊傘位移分韻布的影刮響第2講隧倘道開挖巾后的力貍學(xué)行為—三次應(yīng)徑力狀態(tài)土木工嫩程學(xué)院義隧道工句程系施成華對于瞞非理手想狀蝴態(tài)下橡的非圓妄形隧即道，其圍倡巖特征酸曲線的漸基本形怒狀是類終似的。考慮景實際俯情況觀，支傅護(hù)阻律力足散夠大就時可訴使圍浮巖的徑向版位移賀為零，且隧嫂道洞壁廳位移超托過一定啞限度后話，就會失穩(wěn)品坍塌，因紋此需描對圍疾巖特闊征曲低線進(jìn)農(nóng)行修突正。（2)支護(hù)栗阻力竄對隧丹道周醫(yī)邊位色移分懷布的菊影響第2講院隧道沸開挖令后的暮力學(xué)先行為—三次穗應(yīng)力些狀態(tài)土木工牽程學(xué)院辯隧道工婚程系施成華

仍以圓形隧道為研究對象，混凝土或鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性可以認(rèn)為是線彈性的，則有：(3鎮(zhèn))支護(hù)特顏征曲線第2講誕隧道傘開挖膜后的舟力學(xué)葬行為—三次反應(yīng)力抄狀態(tài)土木工輔程學(xué)院退隧道工怪程系施成浩華(4騾)圍巖洽與支步護(hù)結(jié)君構(gòu)平洽衡狀佩態(tài)的暖建立當(dāng)支護(hù)搖特征曲沾線與圍奇巖特征駕曲線在D點之扁前的莖任意誕位置北達(dá)到混平衡膨，隧父道結(jié)移構(gòu)體謀系均舉是穩(wěn)定的（形扮變壓力羞）當(dāng)支護(hù)特敞征曲線疊與圍巖普特征曲國線在D點之誰前沒匆有達(dá)伏到平慰衡，融就會煎導(dǎo)致旨圍巖速的松動、捐坍塌（松貴動壓揚力）第2講隧奇道開挖兩后的力研學(xué)行為—三次斷應(yīng)力勿狀態(tài)土木工狹程學(xué)院濤隧道工知程系施成蒼華（1）核心——充分利烘用圍巖現(xiàn)的自承滋載能力3、新巾奧法書施工洽的力樓學(xué)解癥析原巖應(yīng)力一部分通過變形自己承擔(dān)了，另一部分由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同位置達(dá)到平衡，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是完全不同的，剛度大的支護(hù)不合理圍巖松動、坍塌后，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載會急劇增大較佳的支護(hù)工作點應(yīng)當(dāng)在D點以左，鄰近D點處第2講隧款道開挖豎后的力宵學(xué)行為—新奧法程力學(xué)解真析土木潛工程祝學(xué)院俊隧道摩工程群系施成華第2講隧訓(xùn)道開挖卸后的力準(zhǔn)學(xué)行為—新奧法眨力學(xué)解辭析土木工須程學(xué)院獨隧道工員程系施成華（2）控制各爆破——保護(hù)勿圍巖弊的自運承載并能力不同渾爆破飼效果廈條件羽下，芳圍巖品的特涉征曲茅線是雅完全霜不同終的采用披控制嘴爆破叔時，通對圍傳巖的莖擾動委小，懲開挖挺輪廓賀圓順緞，圍升巖的網(wǎng)自承忍載能睛力強第2講給隧道黎開挖糊后的茶力學(xué)疊行為—新奧百法力撿學(xué)解絹析土木鑒工程夾學(xué)院求隧道昏工程架系施成澡華（2）控制憂爆破——保護(hù)圍評巖的自壩承載能鋸力第2講烤隧道貨開挖般后的票力學(xué)見行為—新奧抵法力抗學(xué)解姑析土木工顧程學(xué)院嗚隧道工秘程系施成卵華（3）錨菠噴支創(chuàng)護(hù)——發(fā)揮滴圍巖騰的自剝承載培能力柔性支扣護(hù)，容書許圍巖車產(chǎn)生一莫定的變渣形，以特發(fā)揮圍賴巖的承設(shè)載能力及時拐封閉宣圍巖衣，保門護(hù)圍陜巖的并承載徹能力可分崇層施伯作，題適時扇調(diào)整崇支護(hù)肯結(jié)構(gòu)橡的剛沸度第2講宿隧道豎開挖跡后的險力學(xué)佳行為—新奧處法力得學(xué)解撕析土木脾工程斷學(xué)院忽隧道污工程潔系施成和華（3）錨噴攀支護(hù)——發(fā)揮圍盞巖的自登承載能夜力第2講財隧道壞開挖申后的殘力學(xué)拍行為—新奧法夏力學(xué)解命析土木尋工程另學(xué)院障隧道撿工程廊系施成滲華（4）監(jiān)控街量測——控制饅圍巖悉產(chǎn)生是過大能的變走形（鑄坍塌枯）判斷圍爽巖與支遣護(hù)結(jié)構(gòu)胡體系是吵否達(dá)到緊穩(wěn)定判斷刊是否喇需要蜜調(diào)整痕支護(hù)茅結(jié)構(gòu)布的剛害度判斷支坐護(hù)結(jié)構(gòu)醋剛度是反否過大第2講隧為道開挖伐后的力貴學(xué)行為—新奧純法力虛學(xué)解陸析土木歸工程斧學(xué)院崇隧道踢工程貿(mào)系施成華（4）監(jiān)真控量授測——控制圍創(chuàng)巖產(chǎn)生銀過大的茄變形（須坍塌）第2講覺隧道壇開挖洞后的忠力學(xué)顫行為—新奧脈法力舅學(xué)解荷析土木工優(yōu)程學(xué)院材隧道工鼓程系施成白華（4）監(jiān)藍(lán)控量演測——控制此圍巖扭產(chǎn)生鋼過大綁的變往形（炸坍塌苦）第2講隧刷道開挖出后的力托學(xué)行為—新奧法輕力學(xué)解屯析土木工吃程學(xué)院伴隧道工鐮程系施成華（1）是直否可敵以通第過延行遲支奔護(hù)的帖方式攏達(dá)到為最佳帥平衡抖點4、隧肅道施壺工力郵學(xué)相縣關(guān)問傳題討匙論封閉圍猾巖，保文護(hù)自承寄載能力形成粉三向弟應(yīng)力掘狀態(tài)——應(yīng)及酒早進(jìn)支行支露護(hù)第2講筋隧道蟲開挖綠后的蓮力學(xué)騾行為—問題討乒論土木工黃程學(xué)院鋤隧道工學(xué)程系施成鍬華4、隧道升施工力百學(xué)相關(guān)趴問題討膊論第2講框隧道勺開挖撿后的遼力學(xué)粱行為—問題兄討論土木覆工程軋學(xué)院快隧道亮工程蔥系施成華（2）在錨襯噴支護(hù)糠中加鋼響支撐就暫不能發(fā)漆揮圍巖蟲的力學(xué)剩作用了——在自器穩(wěn)能渠力較毀差的終圍巖泰中，肝單靠幟錨噴爺支護(hù)顯不能權(quán)控制