第5章 知识要点：
分岔隧道稳定性研究
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分岔式隧道简介 ABAQUS 的模拟方法 大拱段数值计算 连拱段数值计算 小间距隧道数值计算 本章小结
本章导读： 首先简要介绍了分岔式隧道的两种常见形式：Ⅰ型分岔隧道和Ⅰ型分岔隧道，接下来介绍 ABAQUS 在分岔式隧道模拟中涉及到的主要模拟方法：地应力平衡、喷锚支护和施工开挖多步骤分 析，然后分别对分岔式隧道中的大拱、连拱和小间距拱的施工开挖全过程进行了平面和三维的数值 模拟，并提出了可供工程设计施工参考借鉴的结论。
5.1 分岔式隧道简介
高速公路隧道一般设置为上下行分离的双洞，且两洞室的间距保持在 30m 左右，通常称之为标 准间距的分离隧道。 有时受地质施工等因素的限制不得不采用小间距隧道形式或连拱隧道形式，如果相邻隧道的间 距小于规范的距离，则为小间(净)距隧道。招宝山隧道为我国第一座超小净距（<0.28B）并行隧道。 国内外不少专家学者研究了小间距隧道，其围岩变形特点表明，小净距隧道在设计、施工中必须慎 重对待中央岩柱的稳定性，应采取必要的设计、施工措施，减小开挖对中央岩的扰动，确保小净距 隧道的施工安全。连拱隧道是一种比较特殊的隧道结构，其常用施工方法为：l）三导洞超前施工方 法，2）中导洞超前施工方法，3）无导洞超前施工方法。在日本及意大利为中心的澳大利亚、瑞士、 法国等欧洲隧道修建技术发达的国家，连拱及小间距隧道已有相当的设计施工经验。以日本为例， 在山岭重丘区的高等级公路隧道和城市浅埋隧道中大量选用了连拱隧道。其施工方法主要有以下几 种:三导洞（中央+侧壁）半断面施工方法、三导洞全断面施工方法（中央十侧壁） 、三导洞（中央+ 侧壁）CD 施工方法、中央导洞 CD 施工方法、中央导洞配合两拱顶盾构导洞施工方法以及中央盾 构导洞施工方法。 在近二十年高速公路建设实践中，隧道工程技术人员创造性地提出了小间距隧道和连拱隧道这 两种新的隧道建设形式，并在工程中成功地得到大量的运用，为山区高速公路的建设作出了重要贡 献（图 5-1） 。 分岔隧道是目前在更为复杂地形地质条件下修建山区高速公路过程中提出的一种新的隧道建设
型式，它由四车道大拱隧道或连拱隧道逐渐过渡到上下行分离双洞，因此它同时具备标准间距的分 离隧道、小间距隧道、连拱隧道以及四车道大拱等多种型式隧道的特点。
图 5-1
高速公路隧道的一般建设型式
分岔隧道根据其分岔段的布置方式可分为两种： Ⅰ型分岔隧道：洞口段衬砌先设置为四车道大拱，然后逐渐过渡为整体式中隔墙连拱隧道、夹 心式中隔墙连拱隧道、小间距隧道，最后转变为标准的上下行分离隧道（图 5-2） 。当隧道洞口中央 分隔带宽度小于 1.5m 时， 一般洞口段必须设置为四车道大拱。 当洞口中央分隔带宽度在 1.5～2.5m， 也应考虑将洞口段设置为四车道大拱，以改善支护结构的受力条件。如四车道大拱段不进行左右洞 分隔，则左右洞的通风设计应联合考虑。
图 5-2
Ⅰ型分岔隧道衬砌平面布置
Ⅱ型分岔隧道：洞口段衬砌先设置为整体式中隔墙连拱隧道，然后逐渐过渡为夹心式中隔墙连 拱隧道、小间距隧道，最后为标准的上下行分离隧道（图 5-3） 。当隧道洞口中央分隔带宽度在 2.5m 左右时，可以考虑设置为Ⅱ型分岔隧道。对于要求采用机械通风的长大隧道应考虑小间距洞口送排 风的相互影响。
图 5-3
Ⅱ型分岔隧道衬砌平面布置
当隧道洞口中央分隔带宽度大于 5.0m，且在地质条件较好时，洞口段一般可设置为小间距隧道 （保留中间岩柱） ，然后逐渐过渡为标准的上下行分离隧道。
5.2 ABAQUS 的模拟方法
应用 ABAQUS 模拟分岔隧道的整个施工开挖过程，主要涉及到地应力平衡、喷锚支护、多步 骤分步开挖等问题。 5.2.1.地应力平衡 对于隧道及地下工程，几乎都要涉及到地应力问题，初始应力场的平衡与否直接影响到后续分 析步的应力结果的正确性。因此，地应力的平衡作为第一分析步非常重要。 ABAQUS 中有专门进行地应力分析的荷载步，命令*GEOSTATIC。在该步中，岩土体施加的是 体积力。在理想状态下，该作用力与岩土体的初始应力正好平衡，使得岩土体的初始位移为零，而 形成了用户需要的应力场。但在一些复杂的工程问题中，尤其是模型上表面不水平时，定义的初始 应力场和位移场往往与施加的荷载并不平衡。 GEOSTATIC 分析步中，施加的荷载一般为重力(Grav)或体积力（Body Load：BY 或 BZ） 。在非 线性问题中，如果给定的初始应力场与 GEOSTATIC 分析步中的荷载没有获得平衡，将可能导致非 线性问题迭代的不收敛，得不到正确的结果。那么就需要对初始应力进行调整。另外，如果在 GEOSTATIC 步中的岩土体变形太大，那也需要重新校核定义的初始应力场是否正确。 在大多数的地下工程中，岩土体的初始应力场即为自重应力场，其竖向应力随深度线性变化， 水平应力与竖向应力为：
σz = γ z
（5-1） （5-2）
σ x = σ y = k0σ z
式中， k0 为静止侧压力系数， k0 = 1 ? sin ? ' 或 k0 =
μ
1? μ
。
对于由自重应力场和构造应力场组成的岩土体地应力场，水平应力与竖向应力为：
σ x = k xσ z σ y = k yσ z
式中， k x 、 k y 分别为模型 X、Y 向的侧压力系数。 在 INP 文件中，初始应力场的设定通过*initial conditions 命令实现： *initial conditions，type=stress, geostatic Setname, stress1,coord1, stress2,coord2, k
（5-3） （5-4）
以上数据行的意义是：岩土体集合名，竖向应力 1，竖向坐标 1，竖向应力 2，竖向坐标 2，侧 向压力系数。 对于地下工程数值计算模型上表面不为水平面时，初始地应力的平衡可采用以下两种方法分别 实现平衡： 自重应力场时： 静止侧压力系数 k0 = 1 ? sin ? ' 或 k0 =
μ
1? μ
，对初始应力场采用文件输入：*initial conditions，
type=stress, input=filename, filename 文件可通过对模型进行一次静力计算的结果（即不运用*initial conditions，仅在初始分析步中施加自重应力）然后导出相应的应力分量数据，生成数据文件完成。 自重应力场和构造应力场同时具备时可采用用户子程序 SIGNI 实现，SIGNI 的基本程序模式： CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC SUBROUTINE SIGINI(SIGMA,COORDS,NTENS,NCRDS,NOEL,NPT,LAYER, 1 KSPT,LREBAR,NAMES) C INCLUDE 'ABA_PARAM.INC' C DIMENSION SIGMA(NTENS),COORDS(NCRDS) CHARACTER NAMES(2)*80 定义 SIGMA(NTENS) RETURN END CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC 5.2.2 喷锚支护 在隧道及地下工程的 ABAQUS 分析中，关于喷锚支护，涉及到锚固支护和衬砌支护。 锚杆一般采用杆单元或梁单元模拟。 对于非预应力锚杆而言，其模拟方式大致为： 无论锚杆单元节点是否与围岩体节点重合，均可采用 EMBEDDED（嵌入）指令。如： *EMBEDDED ANCHOR 这种模拟的方式是将锚杆单元节点通过插分形式嵌入到岩土体单元中，一起参与有限元迭代计 ELEMENT
算。 对于预应力锚杆而言，其模拟方式可分为以下二种： 1. 采用*initial conditions,type=stress 赋予锚杆初始预应力。 命令流模式如下： ******************************************************** *Element, type=T3D2,ELSET=E_rebar1 21 , 85, 87 22 , 87, 88 23 , 88, 89 24 , 89, 90 25 , 90, 91 26 , 91, 92 27 , 92, 93 28 , 93, 94 29 , 94, 95 30 , 95, 96 31 , 96, 97 32 , 97, 98 33 , 98, 99 34 , 99, 100 35 ,100, 101 36 ,101, 102 37 ,102, 103 38 ,103, 104 39 ,104, 105 40 ,105, 106 41 ,106, 107 42 ,107, 108 43 ,108, 109 44 ,109, 110 45 ,110, 111 46 ,111, 112 47 ,112, 113 48 ,113, 114 49 ,114, 115 50 ,115, 86 *EMBEDDED ELEMENT, EXTERIOR TOLERANCE=0.1 E_rebar1 *SOLID SECTION,ELSET=E_rebar1,MATERIAL=maosuo 0.001134 *MATERIAL,NAME=maosuo *ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC 2.1E5,0.3 *DENSITY 0.00785 *initial conditions,type=stress E_rebar1,186.6 ………………. ………………. *STEP yuyingli
*static 0.3,1.,,1 ….. *end step ******************************************************** 说明：锚杆预应力在* initial conditions 中施加，到分析步中会有适量调整。 2. 采用降温法施加 即赋予锚杆材料膨胀系数，锚杆应力：
σ = α ? E ? ΔT
式中： α 为膨胀系数， ΔT 为温度降低数值。 命令流模式如下： ******************************************************** ………………. ………………. *EMBEDDED ELEMENT, EXTERIOR TOLERANCE=0.1 E_rebar1 *SOLID SECTION,ELSET=E_rebar1,MATERIAL=maosuo 0.001134 *MATERIAL,NAME=maosuo *ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC 2.1E5,0.3 *DENSITY 0.00785 ***定义锚索温度膨胀系数 *EXPANSION 1.0E-5 ………………. ………………. *STEP yuyingli *static 0.3,1.,,1 *temperature N_rebar1,-88.86 ….. *end step ********************************************************
（5-5）
说明：通过在材料定义中定义材料温度膨胀系数，然后在分析步中定义温度降低数值达到给预 应力锚杆施加预应力的目的。 衬砌单元一般可用实体单元或梁单元模拟，两者的主要区别在于：用实体单元得不到衬砌的弯 矩和轴力，而采用梁单元可以得到局部坐标系下的弯矩和轴力。 实体单元模拟的模式如下： ******************************************************** ***定义与衬砌相接的围岩体节点
*NSET,NSET=TUNNEL,UNSORTED 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 2105, 2104, 2103, 2102, 2101, 2100 ***定义与围岩体相接的衬砌节点 *NSET,NSET=LINER,GENERATE 4000, 4012 **多点约束 *MPC TIE, LINER, TUNNEL ******************************************************** 在一般的静力计算中，实体单元模拟还有一种方式：衬砌与围岩体相接的那部分节点依然取围 岩体节点，但衬砌单元号发生改变，采用以下命令流方式： *ELCOPY,OLDSET=LINER,NEWSET=LINERN,ELEMENT SHIFT=5000,SHIFT NODES=0 梁单元模拟的模式如下： ******************************************************** **定义与衬砌相接的围岩体 X 向节点 *NSET,NSET=TUN_IX,UNSORTED 101, 102, 103, 104, 105, 106, 2105, 2104, 2103, 2102, 2101 **定义与衬砌相接的围岩体 Y 向节点 *NSET,NSET=TUN_IY,UNSORTED 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 2105, 2104, 2103, 2102, 2101, 2100 **定义与围岩体相接的衬砌 X 向节点 *NSET,NSET=LIN_JX,GENERATE 4001, 4011 **定义与围岩体相接的衬砌 Y 向节点 *NSET,NSET=LIN_JY,GENERATE 4000, 4012 **X、Y 自由度约束 *EQUATION 2, TUN_IX, 1, 1.0, LIN_JX, 1, -1.0 2, TUN_IY, 2, 1.0, LIN_JY, 2, -1.0 ********************************************************
5.2.3 多步骤开挖 ABAQUS 模拟分析总的目标是确定模型对载荷的响应。载荷是使结构的响应从初始状态发生 改变的量。如:非零边界条件或指定位移，集中力，分布压力以及场等等。在某些情况下载荷相对简
单，如结构上只作用一组集中载荷。另外一些问题中施加在结构上的载荷可能会特别复杂，例如， 在某一时间段内不同的载荷按一定的顺序施加到模型的不同部分，或载荷的幅值是随时间变化的函 数。对计算模型施加复杂载荷时采用载荷历程这一术语。 在 ABAQUS 中，用户可将整个的载荷历程划分为若干个分析步。每一个分析步都是由用户指 定的一个“时间” 段，这样便于 ABAQUS 计算模型对该时段内指定一组的载荷和边界条件的响应。 用户必须在每一个分析步中指定响应的类型，称之为分析程式，在同一个问题中不同的分析步之间 可以改变分析程式。例如，可在一个分析步中施加静态恒载荷计算静力响应，如自重载荷；而在其 后的分析步中施加地震加速度计算动力响应。 因此，在隧道与地下工程的分析中，由于往往要模拟隧洞施工开挖和支护的整个过程，每个开 挖步或者相应的支护都会引起荷载的变化，因此，每个分析步可模拟具体的施工开挖或支护阶段。 每个分析步的分析类型可以是线性的也可以是非线性的， 可以是一般变形求解也可以是大变形求解。
5.3 大拱段稳定性计算
隧道开挖采用钻爆法，由于隧道断面大，且大跨段处于出洞口，埋深浅，易变形，因此选择一 种合理的施工方法非常重要。 根据比较成熟的施工工法和工程现场的特点， 经多次调研和反复论证， 大拱隧道开挖支护按照图 5-4 的分块进行分析。开挖过程为①开挖上半断面拱部→②开挖两侧拱腰 →③开挖中部核心土→④开挖两侧边墙。支护过程为：Ⅰ施作拱部初期支护；Ⅱ施作两侧拱腰初期 支护；Ⅲ施作中隔墙；Ⅳ施作两侧边墙初期支护；Ⅴ全断面施作二次衬砌。四车道大拱隧道采用三 次衬砌和中隔墙，为验证实施三衬和中隔墙的必要性，得到更优的方案，数值计算时考虑两种方案。 具体如下： 方案一（施作中隔墙） ： 开挖和支护顺序：① → Ⅰ → ② → Ⅱ → ③ → Ⅲ → ④ → Ⅳ → Ⅴ。 方案二（取消中隔墙） ： 开挖和支护顺序：① → Ⅰ → ② → Ⅱ → ③ → ④ → Ⅳ → Ⅴ。 为验证取消中隔墙方案开挖支护工序的可靠性，本次数值模拟中的平面计算部分对大拱采用和 不采用中隔墙分别进行了数值计算，三维计算采用方案二取消中隔墙来模拟隧道动态开挖的整个过 程。
图 5-4 开挖支护分块平面示意图
5.3.1 大拱段平面计算 1. 计算模型 以模型的土体自重方向为 y 方向（图 5-5 中 2 方向） ，上表面为自然表面，底部取至距隧道底面 79.3 m 处的岩体。x 向为垂直隧道边墙方向。如图 2，共有 3316 个节点，3439 个单元。
图 5-5 大拱计算模型 围岩体节点命令流： *node,nset=nall 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, -11.769700, -12.769700, -12.269700, -10.475000, -12.902506, -12.911495, -12.796545, -12.559225, -12.202774, -11.732058, -11.153501, -9.979554, -10.227277, -10.585355, -10.291149, -11.115584, -11.526380, -11.801001, -11.934308, -11.923809, -12.408668, -12.414045, -12.285861, -0.700000, -0.700000, -0.700000, 7.168000, 0.353840, 1.415978, 2.471915, 3.507239, 4.507819, 5.459997, 6.350777, 6.198820, 6.683410, 5.336646, 5.773842, 4.426233, 3.456463, 2.439708, 1.394990, 0.341853, 0.353211, 1.415065, 2.468766, 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40,
-12.026234, -11.639343, -11.134146, -10.704774, -5.062335, -9.713982, -8.889400, -8.006337, -7.070241, -6.086885, -5.094151, -5.078243, -6.031557, -6.927135, -7.775063, -8.569824, -9.306251,
3.497658, 4.485486, 5.418520, 6.067936, 11.183459, 8.007940, 8.785571, 9.496098, 10.135139, 10.698750, 10.116993, 10.650226, 9.635735, 9.080506, 8.454920, 7.763044, 7.009377,
0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
…………………………………………………… ……………………………………………………
3106, -1.184884, -0.350000, 0.000000 围岩体单元命令流： *element,type=cpe4r,elset=eall 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 1, 20, 19, 18, 17, 16, 14, 15, 3, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 12, 40, 39, 38, 37, 36, 20, 19, 18, 17, 16, 14, 15, 12, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 13, 40, 39, 38, 37, 36, 34, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 13, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 4, 41, 42, 43, 44, 45, 35, 3 21 22 23 24 25 26 27 2 5 6 7 8 9 10 11 13 41 42 43 44 45
23, 24, 25, 26, 27,
13, 41, 42, 43, 44,
41, 42, 43, 44, 45,
29, 30, 31, 32, 33,
4 29 30 31 32
………………………………………………………… ………………………………………………………… 3034, 3106, 213, 212, 217 锚杆相应的节点和单元命令流： *NODE,NSET=NANCHOR 10001, 10002, 10003, 10004, 10005, 10006, 10007, 10008, 10009, 10010, -14.914592, -11.923809, -14.316435, -13.718279, -13.120122, -12.521966, -14.743935, -11.801001, -14.155348, -13.566761, 0.106861, 0.341853, 0.153859, 0.200858, 0.247856, 0.294855, 3.022062, 2.439708, 2.905591, 2.789120, 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
………………………………………………………… ………………………………………………………… 10210, 10031, 10032, 10033, 10034, 10035, 17.424908, 10039, 10040, 10041, 10042, 10038, 10037 10039 10040 10041 10042 1.716411, 0.000000 *ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR1
………………………………………………………… ………………………………………………………… *ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR2 10016, 10017, 10018, 10019, 10020, 10021, 10022, 10023, 10024, 10025, 10026, 10027, 10021, 10022, 10023, 10024, 10020, 10027, 10028, 10029, 10030, 10026, 10033, 10034, 10019 10021 10022 10023 10024 10025 10027 10028 10029 10030 10031 10033
10028, 10029, 10030,
10035, 10036, 10032,
10034 10035 10036
………………………………………………………… ………………………………………………………… *ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR3 10001, 10002, 10003, 10004, 10005, 10006, 10007, 10008, 10009, 10010, 10011, 10003, 10004, 10005, 10006, 10002, 10009, 10010, 10011, 10012, 10008, 10015, 10001 10003 10004 10005 10006 10007 10009 10010 10011 10012 10013
………………………………………………………… ………………………………………………………… *ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR4 10121, 10126, 10131, 10136, 10141, 10106, 10111, 10116, 10146, 10151, 10156, 10091, 10096, 10101, 10161, 10166, 10171, 10122, 10123, 10124, 10125, 10146, 10152, 10158, 10164, 10170, 10128, 10134, 10140, 10176, 10182, 10188, 10110, 10116, 10122, 10194, 10200, 10205, 10148, 10149, 10150, 10147, 10145 10151 10157 10163 10169 10127 10133 10139 10175 10181 10187 10109 10115 10121 10193 10199 10206 10145 10148 10149 10150
*ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR5
*ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR6
*ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR7
10127, 10128, 10129, 10130, 10132,
10154, 10155, 10156, 10153, 10160,
10151 10154 10155 10156 10157
………………………………………………………… ………………………………………………………… *ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR8 10107, 10108, 10109, 10110, 10112, 10113, 10114, 10115, 10117, 10118, 10119, 10120, 10130, 10131, 10132, 10129, 10136, 10137, 10138, 10135, 10142, 10143, 10144, 10141, 10127 10130 10131 10132 10133 10136 10137 10138 10139 10142 10143 10144
………………………………………………………… ………………………………………………………… *ELEMENT,TYPE=T2D2,ELSET=ANCHOR9 10092, 10093, 10094, 10095, 10097, 10098, 10099, 10100, 10102, 10112, 10113, 10114, 10111, 10118, 10119, 10120, 10117, 10124, 10109 10112 10113 10114 10115 10118 10119 10120 10121
………………………………………………………… ………………………………………………………… 锚杆单元与围岩体的相互作用采用嵌入式： *EMBEDDED ELEMENT ANCHOR 其网格模型如图 5-6：
图 5-6 锚杆模型 衬砌结构的单元生成采用*ELCOPY 实现。 *Elset, elset=LINER1 137, 138, 139, 140, 141, 142, 257, 258, 259, 260, 261, 262, 263, 264, 265, 266 267, 268, 269, 270, 271, 272, 273, 274 *ELCOPY,OLDSET=LINER1,NEWSET=LINER1N,ELEMENT SHIFT=5000,SHIFT NODES=0 *Elset, elset=LINER2 107, 108, 109, 110, 111, 112, 119, 120, 121, 122, 123, 124 *ELCOPY,OLDSET=LINER2,NEWSET=LINER2N,ELEMENT SHIFT=5000,SHIFT NODES=0 *Elset, elset=LINER3 143, 144, 145, 146, 147, 148, 181, 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216 *ELCOPY,OLDSET=LINER3,NEWSET=LINER3N,ELEMENT SHIFT=5000,SHIFT NODES=0 *Elset, elset=LINER4D1 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99,100 *ELCOPY, OLDSET=LINER4D1, NEWSET=LINER4D1N, ELEMENT SHIFT=5000, SHIFT NODES=0 *Elset, elset=LINER4D2 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136 *ELCOPY,OLDSET=LINER4D2,NEWSET=LINER4D2N,ELEMENT NODES=0 *Elset, elset=LINER4D3 229, 230, 231, 232, 233, 234, 235, 236, 249, 250, 251, 252, 253, 254, 255, 256, 319, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 329, 330, 331, 332, 333, 334, 335, 336, 337, 338, 339, 340, 341, 342, 343, 344, 345, 346, 347, 348, 349, 350, 351, 352, 353, 354, 355, 356, 357, 358, 359, 360, 361, 362, 363, 364, 365, 366, 367, 368, 369, 370, 371, 372, 373, 374, 587, 588, 589, 590, 591, 592, 593, 594, 595, 596, 597, 598, 599, 600, 601, 602, 603, 604, 605, 606, 607, 608, 609, 610 *ELCOPY,OLDSET=LINER4D3,NEWSET=LINER4D3N,ELEMENT NODES=0 其网格模型如图 5-7： SHIFT=5000,SHIFT SHIFT=5000,SHIFT
图 5-7 衬砌及中隔墙模型 2.边界条件及材料参数 位移边界为除上表面自然表面不受约束外，其余三边均受单向约束。相关指令： *Boundary BOTBOUND, 2, 2 *Boundary ZYBOUND, 1, 1 材料的定义： 强风化： *Material, name=weathered *Density 0.0023, *Elastic 3000., 0.3 *Mohr Coulomb 16.7,16.7 *Mohr Coulomb Hardening 0.5,0. 弱风化： *Material, name=leweathered *Density 0.0023, **注：定义温度场变量，弹性模量随温度发生变化 *Elastic 5000., 0.27, 0 3500., 0.27, 2 2500., 0.27, 4 *Mohr Coulomb 35., 35., 0 2 4 24.5, 24.5, 17.5, 17.5,
*Mohr Coulomb Hardening
1.0, 0, 0 0.7, 0, 2 0.5, 0, 4 此处定义了材料参数随温度场变化的关系式，通过在特定分析步中改变温度数值，达到改 变材料力学参数的目的。 3.初始地应力 ABAQUS 中施加地应力采用用户子程序定义。 模型的上表面为不规则曲面， 采用拟合曲线定义： *initial conditions,type=stress,user 子程序采用 SIGINI 实现。 SUBROUTINE SIGINI(SIGMA,COORDS,NTENS,NCRDS,NOEL,NPT,LAYER, 1 KSPT,LREBAR,REBARN) C INCLUDE 'ABA_PARAM.INC' C DIMENSION SIGMA(NTENS),COORDS(NCRDS) CHARACTER*80 REBARN IF(COORDS(1).LE.-80) THEN write(*,*)"error" C 注：根据上表面拟合曲线定义岩体单元地应力 ELSEIF(COORDS(1).LE.0.35)THEN SIGMA(2)=0.023*(COORDS(2)-(35.788+0.1819*COORDS(1))) SIGMA(1)=SIGMA(2)*0.37 SIGMA(3)=0.27*(SIGMA(1)+SIGMA(2)) ELSEIF(COORDS(1).LE.38.6)THEN SIGMA(2)=0.023*(COORDS(2)-(35.731+0.3469*COORDS(1))) SIGMA(1)=SIGMA(2)*0.37 SIGMA(3)=0.27*(SIGMA(1)+SIGMA(2)) ELSEIF(COORDS(1).LE.80)THEN SIGMA(2)=0.023*(COORDS(2)-(46.575+0.0659*COORDS(1))) SIGMA(1)=SIGMA(2)*0.37 SIGMA(3)=0.27*(SIGMA(1)+SIGMA(2)) ENDIF RETURN END 4.取消中隔墙方案分析 （1）地应力平衡 ** STEP: Step-1 *Step, name=Step-1 *Geostatic ** LOADS *Dload
EALL, GRAV, 10., 0., -1. *MODEL CHANGE,REMOVE ANCHOR,LINER1N,LINER2N,LINER3N,LINER4D1N,LINER4D2N,LINER4D3N ** OUTPUT REQUESTS *Restart, write, frequency=1 ** FIELD OUTPUT: F-Output-1 *Output, field *Node Output CF, COORD, RF, U *Element Output E, EE, COORD, LE, PE, S, PEEQ ** HISTORY OUTPUT: H-Output-1 *Output, history, variable=PRESELECT *El Print, freq=999999 *Node Print, freq=999999 *End Step 计算结果如图：
图 5-8
地应力平衡时最大主应力云图
图 5-9 地应力平衡时最小主应力云图 （2）开挖上半断面，并施作衬砌和锚杆 ** STEP: Step-2 *Step, name=Step-2 EXCAVATION1 *Static 1., 1., 1e-05, 1. *TEMPERATURE SONGD1,4 *MODEL CHANGE,REMOVE EXCAVATION_STEP1 *MODEL CHANGE,ADD LINER1N,ANCHOR1,ANCHOR4,ANCHOR7 *End Step 计算结果如图：
图 5-10 主洞顶拱开挖后的围岩最大主应力分布(MPa)
图 5-11 主洞顶拱开挖后的围岩最小主应力分布(MPa) （3）开挖两侧拱腰，并施作相应部位衬砌和锚杆 ** STEP: Step-3 *Step, name=Step-3 EXCAVATION2 *Static 1., 1., 1e-05, 1. *TEMPERATURE SONGD2,4 *MODEL CHANGE,REMOVE EXCAVATION_STEP2 *MODEL CHANGE,ADD LINER2N,ANCHOR2,ANCHOR5,ANCHOR8 *END STEP 计算结果
图 5-12 主洞侧洞开挖后的围岩最大主应力分布(MPa)
图 5-13 主洞侧洞开挖后的围岩最小主应力分布(MPa) （4）开挖中部核心土，并施作相应衬砌 ** STEP: Step-4 *Step, name=Step-4 EXCAVATION3 *Static 1., 1., 1e-05, 1. *MODEL CHANGE,REMOVE EXCAVATION_STEP3 *END STEP *Step, name=Step-5 *Static 1., 1., 1e-05, 1. *MODEL CHANGE,add LINER3N *END STEP 计算结果
文章编号:1009 6825(2009)09 0312 02 采用ABAQUS 的隧道稳定性分析 收稿日期:2008 11 13 作者简介:刘 学(1970 ),男,工程师,中铁十九局集团第四工程有限公司,辽宁辽阳 111000 刘 学 摘 要:结合某隧道的工程地质特点,采用ABA QU S 对隧道开挖过程进行了数值模拟,分析表明:采用双侧壁导坑法,由 于开挖步之间的相互影响,围岩的应力和变形都比较大,因此支护应紧跟,得出了数值模拟成果与现场监测结果规律基本一致的结论。 关键词:ABA QU S,稳定性,数值模拟,双侧壁导坑法,超前支护中图分类号:U 451 文献标识码:A 随着我国大规模建设的展开,高速公路建设发展迅速。为了避开各种病害,改善运营条件,在穿越山区时,高速公路也常采用隧道方案。一般隧道施工工序多,难度大,地质、形状和受力条件复杂,一般很难得到理论解析解。 有限元法自20世纪50年代发展至今,已成为解决复杂岩土力学问题的有力工具,用来解决许多难以用解析法求解的力学问题。大型有限元程序ABA QU S 完全可以模拟隧道动态开挖的全过程,并与目前已施工监测得到的数据进行分析对比,根据分析结果,提出相应的措施和建议。 1 工程概况 该隧道穿过低山丘陵地貌区,隧道线路经过的最大高程约为407m,隧址地面标高51.28m ~407.00m,最大相对高差约 355.72m 。隧道设计为单洞双线,全长2.4km,围岩级别为 级~ 级。其中 级段区域地质构造、断裂构造发育,施工过程中极易出现突水和洞室失稳现象,该区段确定为本隧道的施工难点。本文通过大型有限元软件ABA QU S 对这一区段的开挖进行模拟,揭示该区段内围岩的变形机理,以优化支护参数,保证施工安全进行。本段隧道为上下行分离的双向六车道高速公路隧道,建筑限界净宽14.5m,净高5m;建筑内轮廓宽15.18m,全高7.92m,围岩级别为 级。 2 ABAQUS 分析模型2.1 建立计算模型 本文采用ABAQ U S 建立二维平面应变模型,见图1。以模型的土体自重方向为y 方向,上表面为自然表面。模型边界尺寸取5倍隧道直径,这里取长50m,高40m 的长方形平面。模型左右边界为水平向约束,底边为双向约束。本文计算中岩体采用M o hr Coulomb 弹塑性模型,初支和二衬采用弹性模型。隧道断面开挖方法采用双侧壁导坑法,分三部(步)开挖:左右侧同时开挖导坑,而后挖拱部,最后挖除下部岩体。初期支护在开挖相应断面后及时跟上,二次衬砌在相应主洞开挖成型后全 断面施作。 2.2 选取计算参数 根据现场岩体力学试验结果和围岩级别 标准,对毛毡岭隧道的开挖、支护进行数值分析时,采用最差工况下工程岩体材料参数,见表1。 表1 岩体材料力学参数 材料密度 /kg m -3 E /GPa 摩擦角 /( )膨胀角 /( ) 粘聚力c /MPa 级围岩 1800 1.2 0.3 30 12.5 0.8 对于支护结构,初期支护仅考虑喷射混凝土和锚杆支护。喷混凝土采用湿喷工艺,混凝土强度等级为C20,设计厚度为20cm;二次衬砌采用钢筋混凝土材料,设计厚度为60cm,混凝土强度等级为C25。锚杆的作用相当于形成一个环向加固区,简单的处理方法就是提高锚杆作用区的力学指标c(粘聚力), (摩擦角)值,依据工程经验,对于摩擦角 可提高10 ,粘聚力c 的提高值为30%左右。支护材料参数见表2。 表2 支护材料力学参数 材料密度 /kg m -3 E /GPa 初喷混凝土2200210.2二衬混凝土 2300 29.50.2锚杆 7800 200 0.3 3 结果分析3.1 围岩应力分析 应力模拟结果指出,开挖后,开挖区周围即产生拉应力,随着开挖对围岩扰动的增加,拉应力范围逐渐扩大,拱部开挖完成后,出现的拉应力最大值为0.456M Pa,之后随着应力的释放,拉应力 Research of the fatigue property of the steel bridge monolithic joints LIU C hao Abstract:It po ints out t hat regarding the st eel br idge,the fatig ue failure of the joints i s the most main destruct ion form.I n this paper,takes t he mo nolithic joint of some bridge as a model,wit h the fatigue test analysis and the finite element computation,a weary performance analysi s is car ried on.T he r esults show that the monolithic joint has a sufficient anti fatigue.Key words:steel bridg e,the monolithic joint,fatigue test,finite element 312 第35卷第9期2009年3月 山西建筑SHANXI ARCH IT ECTURE Vol.35No.9M ar. 2009
隧道开挖围岩稳定性分析 发表时间：2020-04-03T01:52:44.878Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年24期作者：马智勇[导读] 我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。 中铁二十局集团有限公司 摘要：我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。如果处理不当，可能造成重大事故，造成人员和财产损失。在开挖过程中，不同的开挖方法对隧道围岩的影响也会不同，导致隧道围岩应力重分布的差异很大。围岩应力应变随开挖断面的变化而变化。目前，对围岩稳定性的判断方法主要有理论分析、工程类比和数值分析，其中数值分析法是最适合分析隧道施工的方法。 关键词：隧道开挖；围岩；稳定性 1地形地貌 隧道高程93.05m～640.1m，相对高差547.05m，地层岩性主要为中侏罗统自流井组（J2Z）和沙溪庙组、下侏罗统和上三叠统香溪组（t3-j1x）。岩性为砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含薄层炭质页岩、炭质泥岩。 2软弱岩群稳定性 2.1软岩地层工程地质特征 单轴抗压强度小于30MPa的岩层称为软岩。软岩地层具有强度低、孔隙率低、胶结程度高、受构造面切割和风化影响大等特点。在隧道围岩压力的作用下，工程岩体具有明显的变形。软岩隧道围岩具有强度低、结构软弱、易吸水膨胀等特点，隧道围岩变形较大。 2.2软岩地层围岩变形分析 对于围岩是否会发生较大变形及变形量，支护压力和地应力作用下隧道围岩相对变形及掌子面变形预测公式如下：式中:εt一一隧道径向相对变形，指径向挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; εf一一隧道掌子面相对变形，指掌子面挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; σcm一一岩体单轴抗压强度; σci一一岩石单轴抗压强度; Pi一一支护压力; Po一一隧道中的原岩应力，取3σ1–σ3，即σmax。 3坚硬岩组围岩稳定性分析 根据切向应力准则，将围岩的切向应力(σo)与岩石的抗压强度(σc)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆等级划分原则，结果表明: σo/σc<0.30一一一一一一一一一一一无岩爆 σo/σc介于0.30～50一一一一一一一轻微岩爆 σo/σc介于0.50～0.70一一一一一一中等岩爆 σo/σc>0.70一一一一一一一一一一一强烈岩爆 由于地下洞室的开挖，原地应力状态将受到一定程度的扰动，在洞壁及其一定深度范围形成应力的二次分布和应力集中。应力集中的结果，使得洞壁附近的切向应力有可能超过其临界值，从而产生岩爆。为了计算围岩的切向应力(σ0)，首先需要作一定假设，将隧道的横截面抽象为受两向正应力作用的平面应变模型。两向正应力其中之一为上覆岩石自重作用引起的垂向应力(Sv);其二维水平向正应力(σn)，它是根据实测的原地应力状态(SH、Sh以及SH的方向)利用线弹性理论公式计算得出，其计算公式如下:
隧道围岩级别划分与判定 隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 1.1围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表1.1规定。 表1.1 围岩分级 注1 围岩按定性分级与定量指标分级有差别时一般应以低者为准。 2 本表声波指标以孔测法测试值为准如果用其他方法测试时可通过对比试验进行换算。 3 层状岩体按单层厚度可划分为 厚层大于0 .5m 中厚层0 .1~0 .5m 薄层小于0 .1m 4 一般条件下确定围岩级别时应以岩石单轴湿饱和抗压强度为准当洞跨小于5m，服务年限小于10 年的工程确定围岩级别时可采用点荷载强度指标代替岩块单轴饱和抗压强度指标可不做岩体声波指标测试 5 测定岩石强度做单轴抗压强度测定后可不做点荷载强度测定。 3公路隧道围岩分级 3.1公路隧道围岩分级 围岩级别可根据调查、勘探、试验等资料、岩石隧道的围岩定性特征、围岩基本质量指标（BQ）或修正的围岩质量指标[BQ]值、土体隧道中的土体类型、
密实状态等定性特征，按表3.1确定。当根据岩体基本质量定性划分与（BQ）值确定的级别不一致时，应重新审查定性特征和定量指标计算参数的可靠性，并对它们重新观察、测试。在工程可行性研究和初勘阶段，可采用定性划分的方法或工程类比方法进行围岩级别划分。 表3.1 公路隧道围岩分级 注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。 3.2围岩分级的主要因素 公路隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，并按以下顺序进行：(1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标（BQ），综合进行初步分级。(2)对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上，考虑修正因素的影响修正岩体基本质量指标值。(3)按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。 3.2.1岩石坚硬程度 1 岩石坚硬程度可按表3.2.1-1定性划分。 表3.2.1-1 岩石坚硬程度的定性划分 2岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）表达。Rc一般采用实测值，若无实测值时，可采用实测的岩石点荷载强度指数Is（50）的换算值，即按式（3.2.1）计算： Rc= Is（50）0.75 (3.2.1） 3 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系，可按表3.2.1-2确定。 表3.2.1-2 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系 3.2.2岩体完整程度 1岩石完整程度可按表3.2.2-1定性划分。
B RIDGE&TUNNEL 桥梁隧道 毫无疑问，隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道，隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关，而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理，才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性，是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩，塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等，通常具有风化速度快，力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质，故对隧道围岩的稳定最为不利；脆1性围岩主要各类坚硬体，由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度，故这类围岩2的强度主要取决于岩体的结构，岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度，可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整。那么，隧道开挖后，围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏， 即使发生破坏，变形的量值也是较少 的。这种情况下，围岩岩性对围岩的稳 定性的影响是很微弱的，即一般是稳定 的，可以不采取支护，能适应各种断面 形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整 体性质差、强度低，节理裂隙发育或围 岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较 破碎或极破碎，则围岩的二次应力会产 生较大的塑性变形或破坏区域，同时节 理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增 大，势必给围岩的稳定带来重大的影 响，不利于隧道洞室稳定;软硬相间的 岩体，由于其中软岩层强度低，有的因 层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定 性不利。 从岩体的结构角度，可将岩体结 构划分为整体块状结构(整体结构和块 状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层 状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状 碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散 结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳 定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状 块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩 体，其强度主要受软弱结构面的分布特 点和较弱夹层的物质成分所控制，结构 面对围岩的影响，不仅取决于结构面 的本身特征，还与结构面的组合关系 及这种组合与临空面的交切关系密切 相关。一般情况下，当结构面的倾角 ≤30°时，就会出现不利于围岩稳定 的分离体，特别是当分离体的尺寸小 于隧道洞跨径时，就有可能向洞内产 生滑移，造成局部失稳;当倾角> 30° 时，将不会出现不利于围岩稳定性的 分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的 影响主要取决于它的性状和分布。一 般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗 粒含量、含水量、易溶盐和有机质等 的含量是决定其性质的主要因素，对 不同类型的软弱夹层，这些因素是不 大相同的。由于软弱夹层的抗强度较 低，故不利于隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特 点，不仅与岩体内的初始应力状态和隧 道形状有关，而且还与围岩的岩性及岩 体结构有关，但主要的是和围岩的岩性 及结构有关(见表1) 。 岩体的天然应力状态 岩体的天然应力是岩体的自重应 力、构造应力、变异及残余应力在某一 个具体地区以特定方式作用的结果。已 经有大量的实践资料证明，大多数地区 的岩体的天然应力状态是以水平方向为 主的即水平应力通常大于垂直应力。一 般情况下，隧道轴向与水平主应力垂 直，以改善隧道周边的应力状态。但水 平应力很大时，则隧道方向最好与之平 行以保证边墙的稳定性。然而，岩体的 天然应力对隧道的影响主要取决于垂直 于隧道轴向水平应力的大小与天然应 力的比值(ζ) ，它们是围岩内应力重分 布状态的主要因素。例如，圆形隧道， 当ζ= 1 时，围岩中不会出现拉应力集 中，压应力分布也比较均匀，围岩稳定 性最好;当ζ≤1/ 3 时围岩出现拉应力， 压应力集中也较大，对围岩稳定不利。 最大天然主应力的数量级及隧道轴向的 关系，对隧道围岩的变形特征有明显的 影响，因为最大主应力方向围岩破坏的 概率及严重程度比其它方向大。因此， 估算这种应力的大小并设法消除或利用 非常重要的。 地质构造 褶曲和断裂破坏了岩层的完整性 降低了岩体的力学强度，一般来说，岩 分析影响隧道围岩稳定性因素 文/王冠勇 TRANSPOWORLD 2012No.13(Jul) 234
隧道掌子面稳定性控制理论研究 摘要：随着现代交通的快速发展，地下工程建设项目越来越多，深埋、长大及偏压隧道的需求也日益增大。隧道在施工过程中频繁地遇到各种复杂的地质情况，而其隧道在穿越各种地层时也将遇到各种地质灾害。面对这种情况，隧道掌子面稳定性控制的研究显得十分重要。本文通过查阅国内外学者的研究成果，对掌子面周围土体及围岩、支护技术、信息处理技术和预测检测技术进行粗略地总结，对掌子面稳定性研究现状进行探讨，从中总结出掌子面稳定性研究的进步与不足之处。 关键词：隧道掌子面稳定性支护技术预测与检测信息处理 1前言 中国是一个多山的国家，其60%的全国面积属于山区和高原地区。在修建山区铁路时，隧道工程是必不可少的。随着科技水平的进步，隧道工程的技术水平也跟着提升了。尤其是在隧道现代化设计理念的提出，以及现代化机械设备和施工新技术的不断创新，实现了隧道工程的跨越式进步，其集中体现在城市地铁、长大深埋隧道、过江过海隧道等各类用途的地下工程及隧道工程。20世纪将成为人类向地下方向发展的世纪。而隧道工程的技术也将不断发展创新，同时也面临着各种新技术的挑战。 隧道工程的发展正面临着开挖技术、支护技术和施工组织等方面的技术性问题。但是隧道工程实际上还是一个地质工程，在隧道的建设过程中，会遇到各种各样的地质环境，同时在施工过程中也就产生了各种地质难题。比如，隧道在软弱破碎带时，其围岩具有稳定性差、受力复杂等特点，常常会形成软弱围岩大变形等地质灾害。而且围岩受力普遍复杂，围岩的应力分布及变化情况复杂，在隧道施工中都存在很多困难，常常造成塌方等安全事故。因此针对隧道施工的特点及地层围岩变形特性可知，隧道开挖面的稳定性是十分重要的。而一直以来，国内外的隧道工程因为掌子面失稳而发生的事故也屡见不鲜。国内的如2011年４月２０日，兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道在进行初期支护施工时，发生拱部局部坍塌，掌子面发生坍塌事故，坍塌部位距隧道洞口约３００米，塌陷纵深
第八章地下洞室围岩稳定性分析 第一节概述 1．地下洞室（underground cavity）： 指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。 2．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。 目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。 3．分类： 按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等； 按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室； 按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等； 按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类； 按介质，土洞和岩洞。 4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程： 地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时） （洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系） 第二节围岩重分布应力计算 1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。 2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面： ①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定； ②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算； ③支护衬砌后围岩应力状态的改善。 3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）： 指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。
一、无压洞室围岩重分布应力计算 1．弹性围岩重分布应力 坚硬致密的块状岩体，当天然应力()c v h σσσ2 1 ≤ 、，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。重点讨论圆形洞室。 （1）圆形洞室 深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。 无限大弹性薄板，沿X 方向的外力为P ，半径为R 0的小圆孔，如图8.1所示。 任取一点M （r ,θ）按平面问题处理，不计体力。则： ……………………① 式中Φ为应力函数，它是x 和y 的函数，也是r 和θ的函数。 边界条件： ()()()()()??? ? ?? ???===>>-=??? ??--=>>+=-++=====003103131R b 0)(2sin 22sin 2)(2cos 222cos 22b r r b r r b r r b r r R b p R b p p θθτσθθσστθθσσσσσ ………………② 设满足方程①的应力函数φ为： () θ2cos ln 222F Dr cr Br r A ++++=Φ- ………………………………③ 由③代入①，并由②可得： 2 R F ,4-D ,4-c ,4B ,2204020p pR p p pR A = ===-= ???? ???????Φ ?-?Φ?=?Φ?= ?Φ ?+?Φ?=θθτσθσθθr r r r r r r r r 22 2 22 221111 图 8.1柯西课题分析示意图
大跨度公路隧道长期稳定性分析 6.1 引言 前面的分析都是基于岩体的弹塑性本构关系进行的，未考虑时间效应和长期蠕变的影响。前人研究发现，地下工程开挖后一段很长时间内，支护或衬砌上的压力一直在变化，可见岩石的蠕变对于隧道特别是深埋隧道围岩的变形和长期稳定性，具有重要影响[78]。为保证现场隧道的长期稳定运行，必须考虑到长期蠕变效应。 蠕变是当应力不变时，应力随时间增加而增长的现象，是流变效应的最重要表现特征。岩石的蠕变曲线有三种主要类型[88]，见图6-1。 图6-1 岩石蠕变曲线 图中三条蠕变曲线是在不同应力下得到的，C B A σσσ>>，蠕变试验表明，当岩石在较小荷载σC 持续作用下，变形量虽然随时间增长有所增加，但变形速率逐渐减小，最后变形趋于一个稳定的极限值，这种蠕变称为稳定蠕变；当荷载σA 很大时，变形速率逐渐增加，变形量一直加速增长，直到破坏，蠕变为不稳定蠕变；当荷载较大时，如图中的abcd 曲线所示，此时根据应变速率不同，蠕变过程可分为3个阶段：第一阶段，如曲线中ab 所示，应变速率随时间增加而减小，故又称为减速蠕变阶段或初始蠕变阶段；第二阶段，如曲线中bc 所示，应变速率保持不变，故又称为等速蠕变阶段；第三阶段，如曲线中cd 所示，应变速率迅速增加直到岩石破坏，故又称为加速蠕变阶段。 一种岩石既可发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小。超过某一临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展。小于此临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展，通常称此临界应力为岩石的长期强度。对岩石隧道来讲，由于开挖和支护导致应力重分布，围岩产生不同的应力分布状态，在进行长期蠕变效应分析时，应计算相应监测点的应力和变形状态，判断其蠕变效应。 众所周知，固体本构关系有三种：弹性、塑性和粘性。文献中，通常将围岩应力小于屈服极限时应力应变与时间的关系称为粘弹性问题，将围岩应力大于屈服极限时应力应变与时间的关系称为粘塑性问题。研究表明，在隧道开挖完毕后的长期运营过程中，大多数岩石都表现出瞬时变形（弹性变形）和随着时间而增长的变形（粘性变形），即岩石是粘弹性的[80]；为使巷道维持稳定状态，人们也总是力图使围岩应力小于屈服极限。 下面采用FLAC 软件进行数值分析，版本为FLAC2D 5.00.355。 6.3 弹塑性数值分析 ε
海底隧道围岩稳定性分析与控制研究 随着我国交通事业的大发展,将有大批量的越江跨海通道投入建设,水下隧道已受到越来越多的关注。与山岭隧道相比,跨海隧道通常具有地质勘探困难、单口连续掘进距离较长、衬砌结构受长期的动静水压力作用、防排水难度大、围岩成拱作用较低、不良地质体段易发生涌水事故等特点,因此在海底隧道衬砌结构的设计和分析计算方面,将具有与一般隧道不尽相同的关键技术问题,亟待在设计中着重反映。论文研究以我国目前蓬勃发展的海底隧道为背景,以富水条件下隧道围岩稳定性及其控制技术为研究重点,综合采用理论解析、数值模拟、室内模型试验和现场监测等多种研究手段,主要开展了以下方面的研究工作：(1)基于弹性力学中厚壁圆筒承受均布压力的拉梅解答和Mohr-Coulomb屈服条件,推导了考虑渗流场和围岩超前位移释放的含衬砌海底圆形隧洞的弹塑性解析公式。根据本文推导过程,可推演满足其它屈服条件和流动法则的隧道围岩应力与位移的弹塑性解答。 同时结合一座海底隧道的工程实例,本文采用解析公式对围岩塑性区范围、应力场、位移场和渗流场的分布进行了理论分析,得到了各场的分布规律和演化特点,并讨论了海底隧道顶板厚度、海水深度、内水水头、衬砌围岩物理力学参数及其渗透性关系等因素的影响规律。(2)基于前人研究成果,针对暗挖海底隧道开挖面围岩稳定性问题,总结了极限分析上限法、楔形体模型、二维对数螺旋线模型,以及条分法模型等4种理论分析模型,并考虑了开挖面滑移体上部地层压力等因素,对理论解析公式进行了修正。结合海底隧道工程实例,采用数值模拟方法,与理论解析方法进行了对比分析,并讨论了围岩粘聚力、摩擦角、海水水位、超前注浆等因素的影响。(3)依托厦门翔安海底隧道,对穿越陆域全、强风化花岗岩段的地层变形进行了现场监测,指出了产生地层大变形的力学机制,总结了拱顶沉降、海床沉降、地层水平变形、海床开裂随隧道施工过程的发生、发展规律,并建立了它们之间的关系,提出通过易于监测的隧道拱顶下沉量及收敛值判断海床地层的完整性,实现对海床状态的信息化控制。 (4)采用FLAC3D有限差分软件模拟分析翔安隧道穿越海域F1风化深槽段的围岩稳定性,指出地下水的渗流作用对海底隧道的围岩变形影响较大,由渗流引起的隧道围岩变形在向上传递过程中折减较小,且超前导洞开挖对围岩渗流场的
隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述 伍华刚 （贵州省交通规划勘察设计研究院，贵州贵阳，５５０００１） 摘 要：以隧道围岩与支护结构的相互关系为主要研究对象，以特长公路隧道围岩及支护结构稳定性分析方法为依托，对隧道掌子面所揭露围岩岩体、结构特征进行调查、记录，分析掌子面围岩等级，并与设计资料进行对比，对不同级别不同地质条件下的围岩与支护结构稳定性进行比较分析，总结围岩及支护结构稳定性分析的方法。 关键词：特长隧道；围岩；支护结构；稳定性分析中图分类号：U 452.1＋2 文献标识码：A 文章编号：1004-6429（2010）04-0072-03 ●应用技术 收稿日期：2010-05-14 作者简介：伍华刚，男，1959年出生，1983年毕业于云南广播电视大学，工程师，550001，贵州省贵阳市云岩区中山东路69号山西科技SHANXI SCIENCE AND TECHNOLOGY 2010年第25卷第4期 随着深埋特长隧道的不断涌现，所遇到的问题也越来越多，现行的设计与施工规范已不能满足设计与施工要求，虽然国内外有关深埋特长隧道的研究成果不少，但由于深埋特长隧道地形、 地质条件复杂，设计制约因素多，并且常伴有断裂带、破碎带、 岩爆、突泥、涌水等地质灾害，给设计和施工带来了很大的盲目性。加上深埋特长隧道埋深大、隧道长、地质条件复杂，使地质勘察也不可能全面精确地探清每一段的具体情况，很多时候勘察结果与隧道施工中实际遇到的地质条件相差很远，漏掉的一些不良地质体给施工带来许多预想不到的困难。1 公路隧道围岩稳定性分析方法 隧道围岩的稳定性分析主要包括隧道的整体稳定性分析和局部块体的稳定性分析，分析方法大致可归纳为工程地质类比法、岩体结构分析法、岩体稳定性力学分析法和模拟试验法等，其中，模拟试验法包括物理模拟和数值模拟。1.1 工程地质类比法 根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性和监测资料，结合具有类似条件的已建工程，开展资料的综合分析和对比，从而判断工程区岩体的稳定性。由大量工程实例总结出来的各级围岩分类标准，如RQD 分类（Deer ，1969）、RMR 分类（Bieniawiski ，1973）、Q 系统分类（Barton ，1974）、Z 系统分类（谷德振，1979），以及我国的《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）等，都是工程地质类比法在稳定性评价中的具体应用。这些围岩分类系统可以对不同类型围岩按定量地给出其围岩压力值及支护衬砌的形式和厚度，对于一般性工程隧道实现地下工程（结构）设计标准起到了重要的作用，也是地质工程工作者的基本方法之一。1.2 岩体结构分析法 在岩体结构及其特性研究的基础上，考虑工程力作用方向 以及结构面与开挖临空面之间的空间组合关系，借助于赤平极射投影分析法、实体比例投影分析法和块体坐标投影法进行图解分析，从而判断岩体的稳定性。1.3 力学分析法 从19世纪人类对松散地层（主要是土层）围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。 实际工程中，隧道开挖后，由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中，如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而，研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题，芬纳（Fenner ）—塔罗勃（Talo－bre ．J ）和卡斯特奈（Kaster．H ）等给出了围岩的弹塑性应力图形。1.4 数值计算方法 岩体不仅为一般材料，更重要的是本身就是一种复杂的地质结构体，它具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得岩体力学的问题通常无法用解析法简单地求解，数值方法不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特征，也可以方便地分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预报，因此，数值分析方法是解决岩土体工程问题的有效工具之一。常用的数值方法有：有限元法（FEM ）、有限差分法（FLAC ，FDM ）、离散元法（DEM ）反分析法、边界元法（BEM ）、不连续变形分析法（DDA ）、流形方法等，这些方法在地下洞室和边坡稳定等均有较多的应用，取得了较好的效果。1．5 模型试验 模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，其理论基础是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，20世 纪80年代，国内许多学者作了大量的实验研究，谷兆琪教授等（1981）进行了层状砂岩地下洞室稳定性的研究，朱维中、冯光北等（1983，1984）研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度研究，杨淑 72··
隧道围岩类别划分与判 定 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
隧道围岩级别划分与判定隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 国内外现在的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。定性分级的做法是，在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断，或对主要因素作出评判、打分，有的还引入分量化指标进行综合分级。以定性为主的分级方法，如现行的公路、铁路隧道围岩分级等方法经验的成分较大，有一定人为因素和不确定性，在使用中，往往存在不一致，随勘察人员的认识和经验的差别，对同一围岩作出级别不同的判断。采用定性分级的围岩级别，常常出现与实际差别1～影响围岩稳定的因素多种多样，主要是岩石的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载（工程荷载和初始应力）、应力变形状态、几何边界条件、水的赋存状态等。这些因素中，岩体的物理力学性质和构造发育情况是独立于各种工作类型的，反映出了岩体的基本特性，在岩体的各项物理力学性质中，对稳定性关系最大的是岩石坚硬程度，岩体的构造发育状态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性是地质体的又一基本属性。国内外多数围岩分级都将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表规定。 表围岩分级
注1 围岩按定性分级与定量指标分级有差别时一般应以低者为准。 2 本表声波指标以孔测法测试值为准如果用其他方法测试时可通过对比试验进行换算。 3 层状岩体按单层厚度可划分为 厚层大于0 5m 中厚层0 1~0 5m 薄层小于0 1m 4 一般条件下确定围岩级别时应以岩石单轴湿饱和抗压强度为准当洞跨小于5m，服务年限小于10 年的工程确定围岩级别时可采用点荷载 强度指标代替岩块单轴饱和抗压强度指标可不做岩体声波指标测试 5 测定岩石强度做单轴抗压强度测定后可不做点荷载强度测定。 围岩分级的主要影响因素 用岩体完整性系数K表示，K可按下式计算: Kv=(V pm /V pr )2（）
3-1-1隧道围岩级别划分与判定 隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 国内外现在的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。定性分级的做法是，在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断，或对主要因素作出评判、打分，有的还引入分量化指标进行综合分级。以定性为主的分级方法，如现行的公路、铁路隧道围岩分级等方法经验的成分较大，有一定人为因素和不确定性，在使用中，往往存在不一致，随勘察人员的认识和经验的差别，对同一围岩作出级别不同的判断。采用定性分级的围岩级别，常常出现与实际差别1～2级的情况。定量分级的做法是根据对岩体性质进行测试的数据或对各参数打分，经计算获得岩体质量指标，并以该指标值进行分级。如国外的Q分级，的地质力学（MRM）分级、Dree的RQD值分级等方法。但由于岩体性质和赋存条件十分复杂，分级时仅用少数参数和某个数学公式难以全面准确地概括所有情况，而且参数测试数量有限，数据的代表性和抽样的代表性均存在一定的局限，实施时难度较大。 影响围岩稳定的因素多种多样，主要是岩石的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载（工程荷载和初始应力）、应力变形状态、几何边界条件、水的赋存状态等。这些因素中，岩体的物理力学性质和构造发育情况是独立于各种工作类型的，反映出了岩体的基本特性，在岩体的各项物理力学性质中，对稳定性关系最大的是岩石坚硬程度，岩体的构造发育状态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性是地质体的又一基本属性。国内外多数围岩分级都将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表规定。
第22卷,第6期 中国铁道科学Vol .22N o .6 2001年12月 CHINA RAILWAY SCIENCE December ,2001 文章编号:1001-4632(2001)06-0080-04 隧道稳定性位移判别准则 朱 永 全 (石家庄铁道学院地下工程系,河北石家庄 050043) 摘 要:本文明确了隧道稳定性及其位移极限状态的概念,提出了隧道稳定性可通过隧道位移来体现和判别。以隧道位移为判据的隧道稳定性分析的关键和难点是围岩及支护结构的位移极限值的确定。根据隧道的变形动态信息反推围岩参数和支护结构实际所受荷载为输入参数,进行隧道极限位移的计算模拟,辅以室内模拟试验验证和现场资料调查整理的综合手段来确定,更能反映隧道的现场实际。本文还介绍了实测位移的时间序列组合模型分析、位移随机反分析、位移随机插值的方法。以隧道周边位移为依据,建立隧道稳定性判别准则以及设计体系。它可以直观地与现场量测联系起来,建立反馈系统实施控制,真正体现隧道施工中的反馈信息、指导施工、修正设计的动态设计特点。 关键词:隧道稳定性;极限状态;位移判别 中图分类号:U451.2 文献标识码:A 收稿日期:2001-05-10 作者简介:朱永全(1960—),男,安徽枞阳人,教授,博士 基金项目:铁道部工程建设科研项目(94-11) 1 隧道稳定性的概念 隧道应指围岩与支护结构的综合体。将人工支护结构与其周围一定范围内的地层(围岩)看作“支护系统”。为能安全适用、经济合理、确保质量、快速施工,必须对上述支护系统“稳定性”作出评价,以便能及时或提前作出合理的设计施工措施。 所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈梯减趋势并逐渐趋近于零,其最终位移不侵入限界,支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损,更不能发生大范围的坍塌。而隧道稳定性是指支护系统稳定的程度。对照《工程结构可靠度设计统一标准》,把稳定性作为地下结构的基本功能要求,它既包括系统的安全性,又包括系统的耐久性和良好的正常工作性。系统或其一部分超过某一特定状态就不能满足规定的某一功能要求,此状态应为该功能的极限状态。 2 隧道稳定性可用周边位移来判别 岩石力学基本上沿用材料力学的思路,即以应 力和强度为中心并以两者关系评定岩石所处的状态。隧道工程中的支护结构设计也是如此,都是在假定围岩原始地应力或支护结构承受坍落体重量荷载的大小和分布的前提下,以支护结构应力和强度关系评定支护结构状态。大量实践证明,这种可称为应力体系的理论在应用中往往因为岩体过于复杂而遇到很大困难。 结构位移的发生和发展是该结构力学行为动态的综合反映。隧道是隐蔽工程,只能看到支护结构的内表面,从近距离处才能看到隧道内表面的细裂缝,难以观察到破坏的全貌。而内表面位移则可通过专门测量仪器测得。不管隧道的作用机理如何复杂,其经受各种作用后的反应可以用周边位移体现出来。通过周边位移观测以了解隧道的力学动态是比较直观也易于实施的办法,隧道的稳定性也应该从周边位移变化和发展得到体现。 用位移判别隧道的稳定性,就是从隧道出现的各种极限状态入手,找出在某种极限状态下各控制点的位移,即所谓极限位移,作为稳定性判据。以锚喷初期支护为主要技术背景的“新奥法”的推行,提供了在隧道开挖和支护过程中,及时对围岩及支护结构变形进行监测,并通过这种监测对围岩稳定性作出判断的可能性。
分析影响隧道围岩稳定性因素 习小华 摘要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。 关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造 毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 1 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。这种情况下,围岩岩性对围岩的稳定性的影响是很微弱的,即一般是稳定的,可以不采取支护,能适应各种断面形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整体性质差、强度低,节理裂隙发育或围岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较破碎或极破碎,则围岩的二次应力会产生较大的塑性变形或破坏区域,同时节理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增大,势必给围岩的稳定带来重大的影响,不利于隧道洞室稳定;软硬相间的岩体,由于其中软岩层强度低,有的因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利。 从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构(整体结构和块状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响,不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。一般情况下,当结构面的倾角≤30°时,就会出现不利于围岩稳定的分离体,特别是当分离体的尺寸小于隧道洞跨径时,就有可能向洞内产生滑移,造成局部失稳;当倾角> 30°时,将不会出现不利于围岩稳定性的分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素,对不同类型的软弱夹层,这些因素是不大相同的。由于软弱夹层的抗强度较低,故它不利与隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特点,不仅与岩体内的初始应力状态和隧道形状有关,而且还与围岩的岩性及岩体结构有关,但主要的是和围岩的岩性及结构有关(见表1) 。
第1章隧道工程勘测设计 1.隧道选址与线路选线有什么关系？ 2.确定洞口位置的原则是什么？请解释其工程含义。 3.在按地质条件选择隧道位置时，所需要的地质资料有哪些？如何考虑地形条件对隧道位置的影响？ 第2章隧道主体建筑结构 1.某新建铁路非电化曲线隧道，已知圆曲线半径R＝1200m，缓和曲线长l=50m,远期行车速度V=160km/h，隧道里程为：进口DK150+310；出口DK150+810；ZH点DK150+320；YH点DK151+000。 试求：各段加宽值与隧道中线偏移值。要求按教材P32图2-7所示，表示清楚，并注明不同加宽的分段里程。( 注：超高值以0.5cm取整，最大采用15cm；加宽值取为10cm的整数倍；偏移值取至小数点后2位） 2. 为什么说台阶式洞门能降低边仰坡开挖高度？ 第3章隧道附属建筑 1.什么是避车洞？避车洞的设置间距是多少？在布置避车洞时应该避开哪些地方？ 2.营运隧道的通风方式有哪些？什么是风流中性点？它与通风方式的关系怎样？ 3.为什么公路隧道要设置不同的照明亮度段？它们各自的作用是什么？ 第4章隧道围岩分类与围岩压力 1.影响围岩稳定性的主要因素有哪些？围岩分级主要考虑什么因素？围岩分级的基本要素是哪几种？我国铁路隧道围岩分级主要考虑哪些因素？已知某隧道所处围岩节理发育，Rb＝26MPa，试问这是属于哪一级围岩？ 2. 某隧道内空净宽6.4m，净高8m，Ⅳ级围岩。已知：围岩容重γ＝20KN/m3，围岩似摩擦角φ＝530，摩擦角θ＝300，试求埋深为3m、7m，15m处的围岩压力。 第5章隧道衬砌结构计算
1.已知作用在衬砌基底面上的轴力N=870KN，弯矩M=43.5KN.m,墙底厚度h=0.6m，围岩抗力系数为150MPa/m。试求墙底中心的下沉量及墙底发生的转角。 2. 什么情况下将围岩抗力弹簧径向设置？试推导径向设置的围岩抗力单元刚度矩阵。(注：抗力方向以挤压围岩为正) 3.一对称等厚平拱，衬砌厚度为50 cm，已知内力如图示，墙底抗力系数Kd=350 MPa/m,请求出墙底中心水平位移、垂直位移以及墙底截面转角(注：图中1、2、3为截面编号)。 第6章隧道施工方法 1.采用台阶法施工时，影响台阶长度的主要因素是什么？环形开挖留核心土法是如何稳定开挖工作面的？ 2.在隧道分部开挖施工中，这些术语指的是开挖的哪些部位？落底、拉中槽、导坑、挖马口。 3.指出错误，并改正之： 某隧道位于软弱破碎地层中，采用长台阶法施工。施工过程中发现洞室周边位移加速度等于零，因而断定围岩变形已经稳定。 4.指出错误，并改正之： 新奥法施工时，隧道开挖后，为了调动围岩的承载能力，不宜立即喷射混凝土，而应经量测后，再施喷。为了隧道的稳定，复合式衬砌应在锚喷支护完毕后立即修筑内层模筑混凝土衬砌。 第7章隧道钻爆施工作业 1.请解释“临时支护”、“初期支护”与“永久支护”的含义，并各举一例说明之。 2.某隧道的导坑，尺寸为2.8m×2.8m，Ⅴ级围岩，岩石等级为坚石f=8，采用斜眼掏槽，2号岩石硝铵炸药，药卷直径32mm,装药系数可取为0.6。试问： ⑴炸药用量；⑵炮眼深度；⑶炮眼数量。 第8章隧道施工的辅助坑道及辅助作业 1.隧道施工的辅助作业有哪些？