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隧道及地下工程的基本问题及其研究进展

目录隧道及地下工程学科的基本问题隧道围岩力学特性及其载荷效应支护与围岩的动态作用关系隧道支护结构及其协同作用隧道及地下工程安全性分析0501020304

隧道及地下工程学科的基本问题01

隧道及地下工程学科的基本问题隧道及地下工程的基本问题包括隧道围岩稳定性、支护与围岩的作用关系以及支护结构体系的动力响应特点等3个方面，如图1所示.围岩稳定性的分析和判别是隧道工程设计的基础，支护与围岩动态作用关系的深化研究是支护体系及其可靠性设计的前提，而支护结构与围岩作用体系的动力响应机制则是隧道结构抗震和耐久性设计的保障.图1隧道及地下工程的基本问题

隧道及地下工程学科的基本问题隧道围岩稳定性及其评价方法围岩稳定性是指在一定的尺度和空间条件下围岩能够自行稳定的时间，这显然与围岩的结构是显著相关的.隧道支护结构体系的动力响应隧道结构动力响应的突出特点就是隧道结构体系承受一种超常强度和规模的外载作用，并且呈现周期性，而结构体系的响应模式和程度则取决于隧道围岩、支护结构以及两者的作用关系，这在某种程度上也决定了动力作用的结果.隧道支护与围岩的动态作用关系隧道围岩变形和破坏是一个复杂的过程，通常始于掌子面前方，而在得到有效支护以后其变形才趋于稳定，在此期间,各种不同形式的干预共同构成复合支护结构体系，并实现协同作用.核心问题围岩稳定性是最为关键的问题，也是研究的重点，它一方面是其他两个问题研究的基础，同时也是隧道及地下工程的特色和难点，那么，对隧道围岩变形破坏机制的研究和稳定性判别就显得尤其重要和迫切.

隧道围岩力学特性及其载荷效应02

隧道围岩力学特性及其载荷效应在隧道施工影响下，围岩发生应力调整和转移，通常伴随着变形与破坏.随着围岩变形的增大,破坏逐渐发展，围岩失稳范围增大，出现不同形式的破坏[1].围岩变形先后经历4个阶段，自掌子面前方开始，依次为缓慢变形、急剧变形、变形减缓和变形稳定，如图2所示.随着变形的发展围岩破坏范围不断增大，如图3所示.2.1隧道围岩变形及破坏特性

隧道围岩力学特性及其载荷效应图3隧道围岩破坏区的发展

隧道围岩力学特性及其载荷效应考虑松动区边界内外围岩稳定性的差异性，可将隧道周边一定范围内丧失整体稳定性而无法实现长期自稳的松动区定义为浅层围岩，如图4所示.这部分围岩需要及时支护；在此范围以外,整体稳定性较好而且能够承担地层载荷的围岩则为深层围岩.若对深层围岩采取及时有效的支护和干预则可保持其稳定性.显然，隧道围岩通常是由浅层围岩和深层围岩复合而成.2.2隧道围岩的复合结构特性

隧道围岩力学特性及其载荷效应由于地层条件以及工程扰动效应的复杂性，围岩失稳具有显著的突发性和阶段性特点，如图5所示.数值试验中不同阶段的围岩垮落高度见图6.每组围岩失稳后都将保持相对较长时间的平衡.突发性表明了围岩变形破坏发展由量变到质变的累积过程，而阶段性则显然是围岩失稳和破坏的分组性特点，而处于同一组的围岩具有本质的共性特点.

隧道围岩力学特性及其载荷效应对于复合隧道围岩，其载荷效应主要由两部分组成，即浅层围岩的“给定载荷”和深层围岩的“形变载荷”.复合围岩的载荷效应主要取决于浅层围岩的范围和对深层围岩变形的控制目标和标准.基于复合围岩基本载荷的理念，可利用图7所示的计算模型对支护反力进行分析.2.3隧道围岩荷载的确定

隧道围岩力学特性及其载荷效应图9中载荷上限包络线各组深层围岩结构层失稳后支护所受最大载荷的变化情况，可由计算获得；载荷下限包络线则表示结构层尚未失稳时的支护最小载荷，与结构体系的刚度有关.实际工程中的支护结构载荷理论上都在上述网格区域，据此可获得不同围岩条件下的围岩特性曲线.

隧道围岩力学特性及其载荷效应复合拱的破坏形式上部垮落：在拱脚完好的前提下，复合拱结构承载主体向上移动，承载结构相较于初始状态更加稳定，塌方程度会阶段性趋缓，并最终稳定.下部滑移：该模式对复合拱结构带来两个影响，其一为拱脚失去支撑条件而破坏，其二为维持稳定的强力链不能构成完整闭合环而发生重组.以上两种影响共同作用，导致拱结构同时在跨度和高度上向外扩展.拱脚失稳：相当于拱结构的跨度增大，由于稳定的拱结构具有特定的高跨比，因此最终稳定状态的拱结构范围将大于拱顶破坏模式下的范围，复合拱拱脚会向两侧移动，之后，续随着上部围岩的破坏，高度再向上移动.上述破坏模式对应于3种不同的复合拱失稳模式，其中后两种模式都带来拱脚的破坏，拱脚破坏会使得复合拱结构跨度增大，从而导致最终稳定状态范围比第1种情况更大，由此可以推断在围岩稳定性控制过程中，拱脚的控制是关键，也是控制最终破坏范围的最有效手段.2.4复杂隧道围岩稳定性及载荷特点

支护与