第8讲 隧道力学的特殊问题

隧道施工后的应力状态及力学行为
本讲主要内容： 1、隧道开挖后的应力状态 2、隧道支护后的应力状态 3、新奥法施工的力学解析 4、隧道施工力学相关问题讨论
第2讲 隧道开挖后的力学行为
（1）隧道的施工过程
开挖 支护 时间
原始岩体 毛洞
支护体系 稳定洞室
土木工程学院隧道工程系
施成华
第2讲 隧道开挖后的力学行为
土木工程学院隧道工程系
施成华
第2讲 隧道开挖后的力学行为—二次应力状态
（2)隧道开挖后的弹性应力状态
2）洞周应力和位移
当 时，1 隧道断面是均匀缩小
的，随着 值的减小，隧道上下顶
点继续向隧道内挤入，水平直径处 则减小而变成扁平的断面形状。
在多数情况下，隧道开挖后围岩 是向隧道内移动的，只在一定的
值条件下，在水平直径处有向两
（2)隧道开挖后的弹性应力状态
3）轴对称情况
在洞室周边上，主应力 和 r 的差 值最大(2 )，由p此0 衍
生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实践也证 明，洞室的破坏总是从周边开始，并逐步向深处发展的。
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施成华
第2讲 隧道开挖后的力学行为—二次应力状态
（2)隧道开挖后的弹性应力状态
（2）隧道施工的力学过程
初始应力状态（原岩） 开挖
隧道开挖后应力状态（二次应力状态） 支护
支护体系应力状态（三次应力状态） 时间
终极应力状态（四次应力状态）
隧道的开挖施工实际上是一个应力状态的调整，重新达 到应力平衡的过程。
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第2讲 隧道开挖后的力学行为—二次应力状态
1、隧道开挖后的应力状态 （1)基本假设

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『 8.2 ▎膨胀性和挤压性围岩
隧 道 工 程
（一）膨胀岩概念
概 念：膨胀岩是指土中粘土矿物成分主要由亲水 性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬 裂两种特性且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。 决定膨胀性的亲水矿物质主要是蒙脱石粘土矿物。 膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产 生较大的塑性变形。隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变 形大，发展速度快等现象。膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水
地下水活动情况等。
隧 道 工 程
（二）注浆堵水并加固围岩
地下水处理原则：以堵截为主，排引为辅。 堵截地下水方法：一类是整个富水段注浆止水，加固围岩， 相当于提高围岩等级；如深孔劈裂、挤压注浆。一类沿隧道开 挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帷幕，防止或减少地下 水进入开挖面；如浅孔注浆、管棚注浆、小导管注浆等。 排水辅助措施：导坑、钻孔；目的是排水降压。
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而收缩，都将破坏围岩的稳定性。
（二）膨胀岩基本特征
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质软，强度低。抗压强度低于10MPa。
自由膨胀率高。一般高于30%。 空隙率大。一般大于20%，方便水的渗入。
易风化，崩解性强。
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膨胀压力大。1.0MPa以上。
膨胀岩判别标准：一是间接反应岩石膨胀指标；二 是定量反应岩石膨胀力学指标。
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（三）开挖及支护
隧 道 工 程
虽地层经注浆加固，为确保施工安全，一般在开挖 前采用超前支护，如超前锚杆、超前小导管等； 地下水较大的隧道，开挖前采取排水降压措施，排 水主要采用钻孔，钻孔深度应超出注浆范围。 开挖方法视围岩稳定情况，有：台阶法、正台阶预 留核心土开挖法、双侧壁导坑法。 开挖手段有两种：一是非爆破开挖，如十字镐、风 镐或小型挖装机开挖；二是控制爆破，如松动爆破、微 振动爆破。目的是尽可能减少开挖对围岩的扰动。

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『 8.2 ▎膨胀性和挤压性围岩
隧 道 工 程
（一）膨胀岩概念
概 念：膨胀岩是指土中粘土矿物成分主要由亲水 性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬 裂两种特性且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。 决定膨胀性的亲水矿物质主要是蒙脱石粘土矿物。 膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产 生较大的塑性变形。隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变 形大，发展速度快等现象。膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水
『 8.2 ▎富水断层破碎围岩
隧 道 工 程
在隧道施工中，往往会遇到断层破碎带、富水软岩 及大量涌水地段，这些地段往往不是单独出现，不少情 况是同时存在的。因此三者之间既有联系，又各有特点， 其施工措施也是既有共性，又各有侧重。
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（一）断层破碎带
隧 道 工 程
断层破碎带是常见的不良地质段，断层带内岩体破碎，
地下水活动情况等。
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（二）注浆堵水并加固围岩
地下水处理原则：以堵截为主，排引为辅。 堵截地下水方法：一类是整个富水段注浆止水，加固围岩， 相当于提高围岩等级；如深孔劈裂、挤压注浆。一类沿隧道开 挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帷幕，防止或减少地下 水进入开挖面；如浅孔注浆、管棚注浆、小导管注浆等。 排水辅助措施：导坑、钻孔；目的是排水降压。
（三）大量涌水
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乌鞘岭隧道7号斜井洞内涌水
富水断层破碎围岩施工
隧 道 工 程
（一）超前地质预报
对于富水软弱破碎围岩隧道，设计一般根据地表探 测和少量的地质钻孔，来推断地下深处的隧道地质条件， 往往与实际地质条件存在差异。因此，准确预报施工掌

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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
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隧道围岩力学特性及其载荷效应 2.2隧道围岩的复合结构特性
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.
C. 二次衬砌支护——多数条件下仅作为安全储备，通常 受载并不大，本质上对其刚度要求并不高。
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05
隧道及地下工程安 全性分析
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隧道及地下工程安全性分析 5.1 隧道及地下工程安全事故类型
围岩失稳类塌方事故
由于隧道围岩的超前失稳、破坏或 过度变形造成坍塌和冒顶，进而引 起掌子面的塌方事故。
动态协调承载
在对隧道围岩的支护活动中， 调动和协助围岩承担的界限并 不十分明显，通常在时间上是 先调动后协助，在空间上则是 调动深层承载、协助浅层围岩 承载，而在实际作用过程中是 相互依赖和相互包含的，动态 协调是其相互作用的基本特征， 这也是支护与围岩关系复杂化 和作用结果具有不确定性的重 要原因.
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2.阶段特性. 支护-- 围岩体系 不同阶段的主导因素不尽相 同，导致重点问题和相应的 核心变量始终处于动态转移 和相互转化之中.
围岩变形、破坏与支护结构体 系的作用表现出明显的非线性 特点，两者变化发展的原则是 保持整体变形协调. 一方参数 的变化对另一方具有依赖性， 不同支护形式之间相互叠加等. 支护与围岩作用体系中任何构 件的失效都有可能导致整个体 系的失稳，须综合考虑.