隧道开挖应力理论分析
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隧道开挖应力理论分析
发布时间：2021-10-27T02:52:17.598Z 来源：《基层建设》2021年第20期 作者： 张旭
[导读] 摘要：通过理论对隧道的掌子面开挖后的应力状态进行了分析，通过强度劣化理论对其进行仰拱施工过程的理论分析。
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摘要：通过理论对隧道的掌子面开挖后的应力状态进行了分析，通过强度劣化理论对其进行仰拱施工过程的理论分析。目前，隧道理论分析相对比较成熟，为国家交通事业提供了强大的后盾。
关键词：隧道；应力分析；掌子面；仰拱
引言
隧道经过多年发展，形成了一个完整的体系，已经包含勘察、设计、施工、监测、检测、科研、理论等方面。而隧道的应力分析，无论是对设计、施工等各阶段都起到了非常重要的理论支撑作用。因此，对于隧道的应力分析有着极为重要的意义。
1地下硐室应力分析
地下硐室主要分为隧道、井巷、地下水电站厂房等一系列地下工程，随着科技的发展，矿山采选一体化理念被提出来，地下硐室又增加了地下厂房的工程。如何获得地下硐室围岩应力，就掌握着地下工程的稳定性。
应力分析理论大部分都近似圆形进行分析，而隧道断面更加接近圆形，更加符合圆形理论，例如经典的地下硐室围岩应力理论。
当隧道还未形成时，隧道还处于原始情况，为了对其方便分析，假设周围力相同，周围的岩体处于弹性状态。因此，其竖向应力可以表示为：
式中：σ——岩体垂直应力，MPa；
γ——岩体重度，kN/m；
H——岩体埋深，m。
当断面形成以后，重新形成新的应力状态，在断面附近也会出现新的应力集中的现象的，如果此时的应力超过了岩体自身的强度，岩体就会进入塑性状态，逐渐向不稳定状态发展。
根据弹性力学的极限平衡理论，在静水压力下，围岩的应力和变形如下式所示：
极限平衡半径：
式中：P——静水压力，MPa；
Pi——支护阻力，MPa；
r0——圆形巷道半径，m；
r——所求应力处半径，m；
——围岩的内摩檫角，°；
G——剪切模量，MPa。
采用极限平衡区作为一个分类指标是比较科学合理的，它是许多因素共同作用的结果，避免了以前采用经验方法判定，同时它还具有坚实的理论基础，与锚杆的悬吊理论相应。
以极限平衡区深入围岩深度作为指标，其计算公式为：
式中：R’——极限平衡区深入围岩的深度，m；
R——极限平衡区半径，m；
r0——巷道半径，m。
根据弹塑性理论和岩石力学相关理论，极限平衡区半径：
式中：r0——圆形巷道的半径，m；
γ——围岩容重，kN/m3；
H——巷道埋深，m；
C——粘聚力，MPa；
——围岩的内摩檫角，°；
Pi——支护阻力，kN。
2 隧道掌子面理论分析
隧道在掘进过程中，隧道工程范围内可以形成以下三个区域：①未动区；②临空面区；③状态改变但稳定区。 未受影响区是指在当前隧道掘进过程中未对此区域产生明显的影响，仍旧主要承受天然地应力状态，岩块还是原来的受力情况；临空面区是指隧道爆破断面后，岩体被破坏，原来内部的岩体出露出来，此区域应力相对集中，是隧道最不稳定区域，最容易发生岩体破碎、
隧道失稳；稳定区是指隧道掘进后恢复其应力应力平衡状态，能够保持其状态不改变。
根据上文弹塑性理论和掌子面围岩变形特征，保持围岩稳定性可分为以下三种形式：
①在隧道爆破后，形成新的断面时，在新的断面处岩体由原来的三向应力状态转变为二向应力状态，但是围岩相对稳定，围岩变形在弹性变形范围内，隧道断面能够维持其自身的稳定性。
②在隧道爆破后，形成新的断面时，在新的断面处岩体由原来的三向应力状态转变为二向应力状态，但围岩相对破碎，岩体由弹性状态转为塑性状态，岩体出现塑性变形，岩体自身不能保持其稳定性，为了保证隧道稳定性，需要一定的支护。
③在隧道爆破后，形成新的断面时，在新的断面处岩体由原来的三向应力状态转变为二向应力状态，但岩体较破碎，掌子面爆破后，隧道围岩迅速变形，隧道围岩自身完全丧失自身稳定性，掌子面完全失稳。此区域一般出现在破碎带、地质系等劣质地质条件下。
隧道掌子面在较好围岩中可以不支护或者少支护，但是在较破碎、很破碎的围岩中，应进行及时的支护。
在众多理论研究中，仍旧以摩尔-库伦强度理论为对比相，故摩尔-库伦理论更加适用于较多工程，在对隧道稳定性分析时，大部分学者仍旧使用摩尔-库伦理论进行分析。摩尔-库伦理论是根据摩尔圆来表示岩体的极限状态即在摩尔包络线以内，岩体处于稳定状态，在对隧道
稳定性研究中人们提出了两种控制掌子面稳定的方法：
①增大最小主应力（σ3）即增加掌子面的约束。此类方法主要通过掘进方式进行增大，如分台阶开挖法、半侧壁开挖法等。
②减小最大主应力（σ1）即增加竖向压力。此类方法主要通过超前管棚、超前锚杆、预切槽等掘进方式实现。
③增大摩尔包络线即通过改善岩体力学指标。此方法主要通过预注浆、超前小导管等方式。
3隧道仰拱强度劣化理论
根据摩尔-库伦屈服理论可知，当材料的任何一个平面超过材料自身的抗剪强度，材料就会处于剪切塑性进而发生剪切破坏。在此剪切破坏平面上，其剪应力和平面的发现应力存在如下关系式： [1]林木泉.小净距地铁隧道盾构施工对地表沉降和既有隧道受力性能的影响研究[D].福建农林大学，2019.
[2]彭彤.盾构隧道下穿铁路路基沉降规律及控制标准研究[D].华东交通大学，2019.
[3]司续霞.巨厚卵石层地铁隧道开挖地表沉降预测及沉降机理分析[D].新疆大学，2019.
[4]涂孝波.隧道围岩与支护结构相互作用机理及其应用研究[D].东华理工大学，2019.
